地源热泵空调工程设计讲义
地源热泵工程设计方法与实例讲解
地源热泵工程设计方法与实例讲解摘要：本文主要介绍了土壤源热泵系统的设计方法和步骤，重点论述了地下热交换器的设计过程。
并举例加以说明。
关键词：土壤源热泵热交换器0 引言随着我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高，而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分，因此，设法减小这两部分能耗意义非常显著。
地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统[1]。
冬季通过吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供热；夏季向大地释放热量，给建筑物供冷。
相应地，地源热泵系统分土壤源热泵系统、地下水热泵系统和地表水热泵系统3种形式。
土壤源热泵系统的核心是土壤耦合地热交换器。
地下水热泵系统分为开式、闭式两种：开式是将地下水直接供到热泵机组，再将井水回灌到地下；闭式是将地下水连接到板式换热器，需要二次换热。
地表水热泵系统与土壤源热泵系统相似，用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交换器替代土壤热交换器。
虽然采用地下水、地表水的热泵系统的换热性能好，能耗低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水并非到处可得，且水质也不一定能满足要求，所以其使用范围受到一定限制。
国外（如美国、欧洲）主要研究和应用的地源热泵系统以及我国理论研究和实验研究的重点均是土壤源热泵系统。
目前缺乏系统设计数据以及较具体的设计指导，本文进行了初步探讨，以供参考。
1 土壤源热泵系统设计的主要步骤（1）建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关空调系统设计手册，在此不再赘述。
冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。
可以由下述公式[2]计算：kW （1）kW （2）其中Q1＇——夏季向土壤排放的热量，kWQ1——夏季设计总冷负荷，kWQ2＇——冬季从土壤吸收的热量，kWQ2——冬季设计总热负荷，kWCOP1——设计工况下水源热泵机组的制冷系数COP2——设计工况下水源热泵机组的供热系数一般地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的COP1、COP2 。
《地源热泵设计规范》课件
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换热器长度与间距
根据土壤导热系数、埋管 方式等因素，给出换热器 长度的合理范围及间距推 荐值。
地面系统设计
冷凝器与蒸发器选型
根据系统负荷、气候条件等因素，选 择适合的冷凝器和蒸发器型号及配置 。
管道与阀门设计
给出管道材料、管径选择及阀门配置 的原则，以确保系统的稳定运行及维 护方便。
控制系统设计
介绍地源热泵系统的自动控制系统， 包括传感器、执行器及控制逻辑的选 用与设置。
详细描述
地源热泵是一种高效、环保的能源利用方式，通过利用地下土壤、地下水、地 表水等自然资源的温度，实现冷热交换，从而为建筑物提供冷暖空调等需求。
地源热泵工作原理
总结词
地源热泵利用逆卡诺循环原理，通过热泵机组将地下 土壤、地下水、地表水等自然资源的热量或冷量提取 出来，经过换热器与空调系统进行热交换，最终实现 制冷或制热的目的。
地源热泵的优点和局限性
• 总结词：地源热泵具有高效节能、环保可再生、运行稳定可靠、维护费 用低等优点，但也存在初投资较大、受地理环境限制等局限性。
• 详细描述：地源热泵作为一种高效、环保的能源利用方式，具有许多优点。首先，它能够利用地下土壤、地下水、地表 水等自然资源，实现冷热交换，从而为建筑物提供冷暖空调等需求，且运行费用较低。其次，地源热泵系统运行稳定可 靠，维护费用低，使用寿命长。此外，地源热泵还具有环保可再生的特点，不会对环境造成污染。然而，地源热泵也存 在一些局限性，如初投资较大，需要一定的场地和地质条件才能实施等。因此，在选择地源热泵系统时，需要综合考虑 其优缺点和实际情况。
系统寿命优化
总结词
延长系统寿命
详细描述
通过合理的地源热泵系统设计和维护，延长系统的使用寿命，降低更换设备和维修的成本。具体措施 包括选用耐久性好的材料、定期进行设备检查和维护、及时更换易损件等。
地源热泵空调方案汇报讲解
3 空气源热泵供 暖设辅助热源
1.20 0.60
4 地源热泵（空调、
供暖两用）
1.30 0.48
锅炉房由换热
站取代，符合 供热发展趋势， 有入网费，初 投资较少；供 暖受外网制约， 运行费用较高。
节约设备用
房，施工周 期短；室外 机影响建筑 立面，运行 费用较高， 不利于环保、 节能。
循环介质带走热量（5单位） 压缩机做功（1单位） 带走房间热量 ( 4单位）
风
地下换热
冷
工
蒸
凝 器
作 介
发 器 供冷循环
机 盘 管
介质循环
质
循
环
竖
直 埋
图1 夏季供冷原理图
管
从土壤中提取热量（3单位） 压缩机做功（1单位） 供至房间热量 ( 4单位）
风
地下换热
蒸
工冷
发 器
作凝 介器
供热循环
机 盘 管
夏季：当机组在制冷模式时，就从土壤/水中提取冷量， 通过压缩机和热交换器把大地的冷量集中，送入室内， 同时将室内的热量排放到土壤/水中，达到空调的目的。
地源热泵供暖空调系统主要分三部分： （1）室外地能换热系统 由高强度塑料管组成的在地下循环的封闭环路，循环介质 为水。冬季从土壤/水中吸收热量，夏季从土壤/水中提取 冷量，其循环由一台低功率循环泵来实现。 （2）地源热泵机组 （3）室内采暖空调末端系统 三个系统之间靠水作为换热介质进行热量的传递，地源热 泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热 介质也是水。
3.地源热泵系统的优点
（1）安全省地方面
热泵系统在冬季供热时省去了锅炉房系统，没有燃烧过程， 无燃烧设备，避免了有害烟尘和有害物质的排放，从而不存 在爆炸、燃烧的隐患。热泵机组运行安全、可靠、稳定，几 乎不受天气及环境温度变化的影响，符合环保理念。
地源热泵系统讲义1117
海天工程 - 2
地源热泵空调系统
二﹑地源热泵的由来 地源一词是从英文“ground source”翻译而 来，汉语的内涵则十分广泛，应包括所有地下资 源的含义。但在空调业内，目前仅指地壳表层 （小于400米）范围内的低温热资源，它的热源主 要来自太阳能，极少能量来自地球内部的地热能。 "地源热泵"的概念，最早于1912年由瑞士的 专家提出，而该技术的提出始于英、美两国。 北欧国家主要偏重于冬季采暖，而美国则注重冬 夏联供。由于美国的气候条件与中国很相似，因 此研究美国的地源热泵应用情况，对我国地源热 泵的发展有着借鉴意义。
系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此， 制冷剂泄漏机率大为减少。该装置的运行没有任何污染，
可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废
弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送 热量。
海天工程 - 23
地源热泵空调系统
4、一机多用，应用范围广
地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一 套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统；可应用
海天工程 - 12
地源热泵空调系统 2、工作原理 根据逆卡诺循环基本原理： 低温低压制冷剂经膨胀机构节流降压后，进入空气交换机中蒸发吸热， 从空气中吸收大量的热量Q1； 蒸发吸热后的制冷剂以气态形式进入压缩机，被压缩后，变成高温高压 的制冷剂（此时制冷剂中所蕴藏的热量分为两部分：一部是从空气中 吸收的热量Q1，一部分是输入压缩机中的电能在压缩制冷剂时转化成的 热量Q2）； 被压缩后的高温高压制冷剂进入热交换器，将其所含热量（Q1+Q2）释 放给进入换热器中的冷水，冷水被加热到55℃（最高达65℃）直接进入 保温水箱储存起来供用户使用；
地源热泵空调系统技术与设计介绍
第一部分地源热泵工作原理地源热泵是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。
地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。
其中地源热泵机组主要有两种形式：水—水式或水—空气式。
水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。
第二部分地源热泵系统的分类和应用方式按照室外换热方式不同又可分为四类：1. 埋管式土壤源热泵系统，2. 地下水热泵系统，3.地表水热泵系统。
1、埋管式土壤源热泵系统也称地下耦合热泵系统，包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中，或是以Ｕ形管状垂直安装在竖井之中。
通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在土壤耦合地热交换器的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。
1）水平埋管地源热泵系统（Horizontal ground-coupled heat pump）当室内负荷比较小,土壤换热器长度比较短,可以把与单回路管子随开挖土方施工直接埋入地下.当室内负荷比较大,土壤换热器长度比较长,就需要考虑换热器的布置问题,常有的布置方式有以下两种.（a）串联式水平埋管（b）并联式水平埋管2）垂直埋管地源热泵系统（Vertical borehole ground-coupled heat pump）（a）当室内负荷比较小,土壤换热器长度比较短,换热器井数比较少可以直接接入机房（b）当室内负荷比较大,土壤换热器长度比较长,就需要考虑换热器井群的布置问题,一般是若干口井汇集到集水器中，然后统一由干管接入机房。
（c）垂直埋管地源热泵系统有一种特殊形式叫：桩基换热器，即在桩基里布设换热管道。
（d）地热智能桥：类似桩基换热器，在桥板中埋管，雪落到桥面后，这些盘管利用地热将雪融化。
地源热泵中央空调系统培训课件
材料设备准备
按照设计方案，准备相应的管材、 管件、热泵机组、室内末端设备 等。
施工队伍组织
组建专业的施工队伍，进行技术 交底和安全培训。
地下换热系统安装
01
02
03
04
管井施工
按照设计要求，进行管井的定 位、开挖、支护和排水等工作。
管道铺设
在管井内铺设换热管道，注意 管道的坡度和固定方式。
管道连接
按照接线图连接电源线和控制线，进行初步 的调试和测试。
室内末端设备安装与接线
室内机定位
根据室内装修和空调效果要求，确定 室内机的安装位置和方向。
室内机安装
将室内机安装在预留位置，调整水平 和垂直度。
连接管道
将室内机与室外管道连接起来，注意 管道的保温和防护措施。
接线与调试
按照接线图连接电源线和控制线，进 行初步的调试和测试。
制冷剂泄漏
利用专业检测仪器检测制冷剂泄漏点，进行修复并补充制冷剂。
水路系统故障
检查水路系统压力、流量等参数，清洗过滤器、更换损坏的阀门等。
定期维护与保养计划制定
1 2
制定维护计划 根据系统使用情况和厂家建议，制定合理的定期 维护计划。
保养内容 包括清洗冷凝器、蒸发器、检查电气线路、紧固 松动部件等。
热泵机组
压缩机
驱动制冷剂循环，提升 制冷剂的压力和温度。
冷凝器
将压缩机排出的高温高 压制冷剂冷却，释放热
量。
蒸发器
吸收地下换热系统传递 的热量，使制冷剂蒸发
吸热。
膨胀阀
控制制冷剂的流量和压 力，实现制冷剂的节流
降压。
室内末端设备
风机盘管
安装在室内，通过空气循 环将冷/热量传递给室内空 间。
地源热泵空调工程设计讲义
地源热泵空调工程设计讲义1. 简介地源热泵空调系统是一种利用地下热能进行制冷和供暖的高效能空调系统。
本讲义将介绍地源热泵空调系统的工程设计流程及相关要点。
2. 工程设计流程地源热泵空调工程设计主要包括以下步骤：2.1 需求分析与能量计算首先，需要对空调系统的需求进行分析，包括空调负荷、制冷剂类型、供暖方式等方面。
然后，根据需求计算空调系统的能量需求，包括制冷能力、供暖能力等。
2.2 地热资源调查与评估在设计地源热泵空调系统前，需要对地热资源进行调查与评估。
这包括地下地温、地下水资源等方面的调查，以确定地源热泵系统的地源可行性。
2.3 设计方案选择根据需求和地热资源评估的结果，选择适合的地源热泵空调系统设计方案。
这包括热泵型号、地热井布置、热交换器设计等。
2.4 设计计算与模拟对选定的设计方案进行详细计算与模拟，包括热泵的选型计算、地热井的数量和布置计算、地源热泵系统的性能模拟等。
2.5 工程施工与调试完成地源热泵空调系统的设计后，进行工程施工与调试。
这包括地热井的钻探、热泵设备的安装、管道连接等工作，以及调试过程中的参数调整与系统性能测试。
3. 设计要点和技术指标地源热泵空调系统设计的要点和技术指标包括：3.1 地热井的设计地热井是地源热泵系统中的关键组成部分，其设计需要考虑井深、井间距、井管直径等参数。
井深一般根据地下温度分布曲线确定，井间距根据热泵的制冷/供暖能力需求确定。
3.2 热泵的选型热泵的选型需要考虑制冷/供暖能力、能效比、噪音等因素。
通常选择能满足负荷需求，且能效比较高的热泵设备。
3.3 地源热泵系统的控制地源热泵系统的控制需要实现制冷、供暖、除湿等功能，并保证系统的性能稳定。
常见的控制策略包括温度控制、湿度控制和时间控制等。
3.4 系统调试与运维完成地源热泵空调系统设计后，需要进行系统调试与运维工作，包括参数调整、性能测试、故障诊断与维修等。
4. 设计案例分析最后，本讲义将提供一些地源热泵空调工程设计案例的分析，并讨论不同方案的优缺点以及实际应用中的问题与挑战。
第三章地源热泵系统的设计及计算讲解
第三章地源热泵系统的设计及计算一说到设计，人们往往想到的是工程技术人员的计算和绘图，当然这些都属于设计领域里的工作，而寻找解决问题的途径，也是设计任务之一。
设计本身包括寻找解决问题的途径，所以它不限于事先构思，更不排斥实践，而应是思维活动与实践活动的统一。
空调设计的任务及目的，就是把现有能效高的设备组织好、使用好、充分发挥它们的作用。
现代空调系统的不断发展使建筑物内的设施日益增多和复杂，这对改善人们的生活和工作环境有着积极作用，但同时也带来了由于系统设计、工程施工和运行管理不当而造成对自然环境和人体健康有害的因素。
所以反过来力求解决这些问题就成为一种主要的推动力，促使空调技术更进一步向前发展。
目前，建筑节能的重要性越来越引起人们的关注。
从建筑设计方面来看，提高隔热保温性能，采用合理的朝向，增设必要的遮阳等可以减少空调负荷，降低能耗。
对于确定的空调负荷，提高设备的效率和优化运行过程提供相应的硬件软件，都成为降低能耗的关健。
空调系统的设计一般采用工况设计法，是以夏季和冬季室外空气设计参数为依据的典型工况进行计算，并且是按最不利情况考虑，按照设备的额定工况选择指标。
所以，设备选型较大。
空调设备经常处于部分负荷状态下运行，必须要求设备在部分负荷运行时也能高效率运行。
避免负荷变化了，而设备不能作相应调节，出现大马拉小车的现象；或设备也能调节负荷，但调节性能差，耗能指标落后。
因此，设计的任务就是要用先进的自控技术将空调全工况下的性能调整到最佳程度，这就是所谓的过程设计方法。
一、中央空调设计主要参考以下的规范及标准1、通用设计规范1)．《采暧通风及空气调节设计规范》（GB50019-2003（2003年版））；2)．《采暖通风及至气调节制图标准》（GBJ114－88）3)．《建筑设计防火规范》（GBJ116－87）4)．《高层民用建筑设计防火规范》（ GBJ0045－95）5)．《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》（JGJ26-95）2．专用设计规范：1)．《宿舍建筑设计规范》（JGJ36-87）2)．《住宅设计规范》（GB50096-99）3)．《办公建筑设计规范》（JG67－89）4)．〈旅馆建筑设计规范〉（JGJ67-89）5)．《旅游旅馆建筑热土与空气调节节能设计标准》（GB50189-93）6)．《地源热泵系统工程技术规范》（JGJ142－2004）7)．《地面辐射供暖技术规范》（GB50366－2005）8)．其它专用设计规范3．专用设计标准图集：1)．《暖通空调标准图集》2)．《暖通空调设计选用手册》（上、下册）3)、其它有关标准二、空调冷、热负荷计算空调负荷是指为保持室内空气设计条件，单位时间内室内空气输入或排出的热量，前者称为热负荷，后者称为冷负荷。
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二、地下水地源热泵系统
• 设计要点
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一、空气源热泵系统
• 设计原则及要点
7. 空气源热泵的最低室外温度使用范围分别为－7℃、－10℃、－15℃， 适用不同地区的要求。 8. 空气源热泵机组应设有融霜自动控制，宜采用模糊控制除霜方法。 9. 空调水泵台数应按热泵机组台数一对一设置，台数三台以上时可不 设备用泵。 10. 热泵机组设置位置应通风良好，避免气流短路及建筑物高温高湿排 气。
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一、空气源热泵系统
• 设计原则及要点
11. 热泵机组布置应注意以下事项：
1) 为防止空气回流及机组运行不佳，热泵机组各个侧面与墙面的净 距如下：机组进风面距墙大于1.5m，机组控制柜面距墙大于1.2m， 机组顶部净空大于15m；
二、地源热泵空调系统 --分类
地表水源热泵
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二、地源热泵空调系统 --分类
地下水源热泵
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注：每小时融霜次数可按所选机组融霜控制方式、冬季室外计算温度、湿度选取，或向生 产厂家咨询。
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一、空气源热泵系统
• 设计原则及要点
5. 采用热回收式热泵机组时应注意以下事项： 1) 热回收器热水供水温度一般为45～60℃； 2) 当热水使用与热回收非同时运行，或热回收能力小于小时最大耗 热水量时，应设置热水储水箱； 3) 当热回收直接提供生活热水时，热回收器的所有连接水管应采用 不锈钢管或铜管。 6. 寒冷地区采用空气源热泵机组应注意以下事项： 1) 室外计算温度低于－10℃的地区，应采用低温空气源热泵机组； 2) 室外温度低于空气源热泵平衡点温度（即空气源热泵供热量等于 建筑耗热量时的室外计算温度）时，应设置辅助热源。使用辅助 热源后，应注意防止冷凝温度和蒸发温度超出机组的使用范围； 3) 在有集中供热的地区，不宜采用； 4) 在有集中供热的地区，过渡季节需要供热时可采用； 5) 非连续运行时，空调水系统应考虑防冻措施
二、地源热泵空调系统--组成
• 热泵机组 • 室外地能换热系统 • 空调末端
室外地能 换热系统
水循环
热泵机组
水或空 气循环
空调末端
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二、地源热泵空调系统—原理
3) 在寒冷地区，当冬季运行性能系数低于1.8或具有集中热源、气源时 不宜采用。
注：冬季运行性能系数指冬季室外空气调节计算温度时的机组供热量 （W）与机组输入功率（W）之比。
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三、地下水地源热泵系统
• 一般规定
1. 在进行地下水地源热泵系统方案设计前，应咨询、了解当地政策法 规是否允许开采地下水。采用地下水地源热泵系统时应保证不破坏、 不污染地下水资源。 2. 在政策许可的条件下应进行工程场地状况调查，在确定有可利用的 地下水资源时，应对工程场地进行水文地质勘察和水文地质试验。 3. 应根据地下水换热系统的设计方案进行地下水地源热泵系统可行性 及技术经济比较，确定是否采用地下水地源热泵系统。采用地下水 地源热泵系统时，应向当地水资源行政管理部门提出申请，取得取 水许可。 4. 地下水换热系统应根据水文地质勘察资料进行设计。地下水被利用 后，应采取可靠的回灌措施，将利用后的地下水全部回灌到同一含 水层，并不得对地下水资源造成浪费及污染。 5. 地下水供水管和回灌管均不得与市政管网相连。
注：复合式冷却热泵机组设有风冷冷凝器和水冷却冷凝器，夏季一般使用水冷却冷凝器， 冬季时则切换至风冷冷凝器。
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一、空气源热泵系统
• 设计原则及要点
4. 空气源热泵机组冬季的制热量，应根据室外空气调节计算温度修正系 数和融霜修正系数，按下式进行修正： Q=q· K2 K1· 式中 Q——机组制热量（kW）； q——产品样本中的瞬时制热量（标准工况：室外空气干球 温度7℃、湿 球温度6℃）（kW）； K1——使用地区室外空气调节计算干球温度的修正系数， 按产品样本选取； K2——机组融霜修正系数，每小时融霜一次取0.9，两次取 0.8。
二、地源热泵空调系统 --定义
地源热泵空调系统
以岩土体、 地下水或地表水为低温热源,由水源热 泵机组 、地热能交换系统、 建筑物内系统组成的 供热空调系统. 它包括了使用土壤源、地下水和地表水作为冷热源 的系统
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二、地源热泵空调系统 --定义
地下耦合热泵系统（ground-coupled heat pump systems,GCHPs） 地下热交换器地源热泵（ground heat exchanger） 地下水源热泵系统（ground water heat pumps, GWHPs） 地表水热泵系统（surface-water heat pumps, GHPs）
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三、地下水地源热泵系统
• 设计原则
1. 在水温适宜、水量充足稳定、水质较好、开采方便且不会造成地质灾 害及当地政策法规允许的条件下，空调系统的冷热源可优先选用地下 水地源热泵系统。 2. 热源井的设计单位应具有水文地质勘察资质，热源井的设计应符合现 行国家标准《供水管井技术规范》（GB50296-99）的规定。 3. 当地下水换热系统的勘察结果符合地下水地源热泵系统要求时，应将 勘探孔完善成热源井。 4. 为确保地下水地源热泵系统长期稳定运行，地下水的持续出水量应满 足地下水地源热泵系统最大放热量或吸热量的要求。抽水管和回灌管 上应设置计量装置，并且对地下水的抽水量、回灌量及其水质应定期 进行检测。 5. 地下水地源热泵机组的选择应根据建筑物使用要求、装机容量、运行 工况、负荷变化规律及部分负荷运行的调节要求等因素综合确定。 6. 地下水地源热泵机组性能应符合现行国家标准《水源热泵机组》 （GB/T19409-2003）的相关规定，且应满足地下水地源热泵系统运 行参数的要求。
第八章 热泵系统
张建忠
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热泵系统类型
• 空气源热泵系统
• 地下水地源热泵系统
• 地表水地源热泵系统
• 地埋管地源热泵系统 • 污水源热泵系统
• 海水源热泵系统
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一、空气源热泵系统
• 一般规定
1. 空气源热泵机组的选择应根据不同气候区，按下列原则确定：
1) 适用于夏热冬冷地区的中、小型公共建筑；
2) 夏热冬暖地区采用时，应根据热负荷选型，不足冷量可由性能系数 （COP）较高的水冷却冷水机组提供；
土壤热交换器地源热泵
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二、地源热泵空调系统 --分类
地下水源热泵
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一、空气源热泵系统
• 一般规定
2. 热回收式热泵机组的使用场合，按下列原则确定：
1) 适用于需要保持恒温恒湿的场所，如美术馆、博物馆、计算机房、 手术室等；
2) 适用于水系统冬暖地区，冬、夏季均需要生活热水的场所；
4) 在夏热冬冷、寒冷地区，为生活热水提供热源时，应进行技术经济 比较。
二、地源热泵空调系统 --分类
地源热泵空调系统分类:
土壤热交换器地源热泵 地下水地源热泵系统 地表水地源热泵系统
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