地暖制冷怎么设计

成本效益。高效节能。环保。地热家庭供暖和制冷应有尽有。

您是否像许多房主一样希望在为拯救地球尽自己的一份力量的同时节省家庭供暖和制冷费用？地热家庭供暖和制冷系统可以满足您的能源需求和个人气候目标。

在本文中，我们将深入了解地热系统如何比传统的家用暖通空调更智能（而不是更难），以帮助您节省金钱、能源和地球。

鉴于在美国，40%的能源消耗及其相关的温室气体 (GHG) 排放来自建筑物——尤其是供暖和制冷——地热能源应成为解决气候危机的重要组成部分。

取自希腊语，地热的字面意思是“地热”。

作为一种可再生能源，地热能生产涉及从地球表面以下一英里或更远的地方以蒸汽或极热水的形式提取热量。蒸汽形式的热量驱动涡轮机为城镇大规模发电。

相比之下，住宅地热 HVAC 系统，通常称为地交换、地球耦合或地球能源系统，依赖于太阳辐射能，该系统被您家周围的地面吸收并储存在地下。

另一种看待它的方式是地热能是自然储存的太阳能，24/7/365 可用。

到达地球的所有太阳能量中约有50%被地球表面吸收。

这是一张图表，说明了太阳的辐射能量如何分配到地球及其大气层：

在霜线以下，地球的温度全年保持在相对恒定的48-52℉。（在非常炎热或寒冷的地区，这个温度范围可能更高或更低。）地理交换 HVAC 就是建立在这一事实之上的。

霜线在您所在地区的确切位置在很大程度上取决于您的纬度、土壤类型和气候条件。它可能在表面以下几英寸到 100 英寸。

如果您在做DIY 地热，那么了解霜线在哪里是至关重要的。

为了确保他们获得恒温热量，安装地热系统的人将管道铺设在地下至少4 英尺到 6 英尺处。有些系统在某些地方可能会深达数百英尺。

在管道中，水、水-防冻剂混合物或制冷剂在地面和您家之间循环。对于水防冻液，通常使用食品级丙二醇。

液体将地热带到您家的内部。在那里，热量传递到空气中以加热您的房屋，可能还有您的生活热水。

地热系统还会在夏季从您家中的空气中提取热量，并通过管道中的液体将其输送到地下。

所有类型和大小的地热系统都使用埋地或水下回路来加热或冷却房屋。“环”由通常由高密度聚乙烯(HDPE) #2 塑料制成的管组成。不太常见的是，管道由铜制成。

“环”可以是圆形、U 形、重叠、螺旋形或像张开的手指一样展开。

地热回路场有两种主要类型：封闭式和开放式。

在闭环系统中，地下管道布置成连续回路。相同的携带热量和分散热量的液体一直在其中流动。

闭环可以以多种不同的方式定位。最常见的是水平（如赛道或紧身）、垂直（在地下非常深的一系列长 U 形中），以及在附近的池塘或湖泊中，以水平方式设置。

资料来源：环评

水平循环：

• 当有很多室外空间时效果最佳。
• 安装成本低于垂直环路，因为它们不需要钻井。
• 由于更高的可访问性，需要较少的维护。

资料来源：美国能源部

垂直循环：

• 如果您的空间有限，这是唯一的选择。
• 不要在很大程度上干扰景观美化。
• 如果出现损坏或泄漏，则需要进行昂贵的大规模维修。

资料来源：美国能源部

池塘循环：

• 如果您家附近有水体，可能会起作用。
• 最容易修复的环路类型（无需挖掘或挖掘）。
• 消除挖掘成本，因为您不需要。

在开环系统中，没有管道或管道的连续回路。相反，热量从供应地下水或井水中通过管道进入热泵的单程路径移动。它随后通过出口管道排放，通常在一个单独的位置，如排放池或回水井。

这种技术为一个开环系统赢得了“泵和倾倒”地热的名称。

资料来源：美国能源部

如今，开环地理交换系统不像封闭系统那样普遍。从长远来看，对于开环系统而言，当地供水和水质存在太多变数，无法实现经济或可持续。

例如，硬水在热泵的冷凝器上形成矿物质结垢，或者生物污染导致的结垢问题，堵塞管道和泵是很常见的。

这两个问题都会导致开环系统中使用的地热热泵损坏和缩短使用寿命。

此外，由于对含水层和当地环境的潜在影响，您可能需要特殊许可才能安装和运行开环系统。

然而，地热热泵内部传热的基本原理在开环系统和闭环系统中是相同的。

地源热泵 - 也称为地源热泵 (GSHP) - 是所有接地暖通空调系统的核心部分，将您的房屋与其下方的地面连接起来。它将热量从地球传递到您的家，然后再返回。

为此，泵的工作原理与冰箱、冰柜和空调相同。在所有这些情况下，泵都在对抗热流从温暖到寒冷的自然趋势。

GSHP 使用汽化和冷凝循环，包括对制冷剂加压和减压，使其经历从液体到蒸汽再返回的相变。

在地交换系统使用循环水或水-防冻剂混合物的情况下，泵中有两步热传递过程，也称为水源地热热泵。（此类泵名称中的“水”一词是指管道内部的水或水/防冻剂混合物，而不是管道外部的地面、地表或家庭用水。）

首先，管道内的液体从土壤或地下水中吸收热量并将其带到泵中。然后，在泵的其中一个热交换器中，热量传递给制冷剂，使其升温。压缩机中热制冷剂的压力增加会进一步提高温度。最终，制冷剂蒸发。

然后，热的制冷剂蒸汽吹过制冷剂-空气热交换器，带走热量，将其送入您家中的风管。

一旦热量被移除，制冷剂就会变回液体，准备再次开始循环。

在夏天，这个过程会逆转。当空气在风管中循环并最终通过热泵时，制冷剂从室内空气中吸收热量。当它通过热交换器时，制冷剂将热量传递给水或水-防冻液混合物。

然后，热能离开您的家并进入地下循环。在那里，地面将热能带走。

这是说明地热热泵如何工作的一般图表：

当今市场上几乎所有地热热泵都使用两步热传递过程，将储存在土壤或地下水中的热能带入您的家中。它们的操作在上一节中进行了描述。

然而，如果房主在闭环地热系统中选择铜管，制冷剂会通过管道循环，而不是水或水/防冻剂。

目前最常用的制冷剂是 R410A，这是一种氢氟烃 (HFC)，是一种强大的温室气体。由于氢氟碳化合物对气候变化的贡献，国际协议要求各国立即开始逐步减少氢氟碳化合物。正在研究寻找更环保的制冷剂。

在直接交换地热热泵（也称为 DX geo 或直接膨胀泵）中，从土壤到制冷剂的热传递非常简单和直接。铜的高导电性是造成这种情况的原因。因此，与使用两步泵的系统相比，能效更高。

所有地热热泵的容量都以吨为单位。

一吨 = 12,000 BTU/小时。= 3.5 千瓦

一个中等大小的美国家庭使用3 吨加热和冷却能力。要确定您家的最佳尺寸，请先确定您的热负荷。

Geoexchange 系统的高安装成本可能很高，但节能和更高效率的回报转化为一个将在2-7 年内收回成本的系统。

据美国环保署称，与空气源热泵系统相比，地热系统可以降低25-50%的能耗。地热热泵的效率高达600%！（相比之下，油炉 80% 的效率被认为是好的。）

性能系数 (COP) 是衡量地源热泵能效的指标。1.0 的 COP = 100% 效率。

GSHP 可以轻松获得4 或 5的 COP 。

能效比 (EER) 是另一种量化泵效率的方法。地热泵的额定值通常在13-20之间，但可以高达30。

COP 和 EER 越高越好。

了解地热供暖和制冷在节能和效率方面对您的好处可能会减轻贴纸的冲击。

在美国，一套 2,000 平方英尺的房屋的完整系统很容易花费 20,000-30,000 美元。然而，除了节能之外，还有几种方法可以证明高昂的初始支出是合理的。

一台 3 吨容量、EER 为 28.7 的地源热泵如今的成本约为4,500 美元。十年前，这个价值是7,500 美元。

泵的保修期通常为 10 年以上。他们的实际预期寿命通常是其两倍或更多。此外，地下管道可以使用50 多年。

使地热住宅 HVAC 具有吸引力的额外奖励是强大的税收优惠和国家退税。

2020 年 12 月下旬，联邦税收抵免延长至 2023 年。到 2022 年将保持在 26%，然后在 2023 年降至 22%。

访问国家可再生能源和效率激励措施数据库，了解有关降低家庭地热能源系统总成本的其他方法的更多信息。

有兴趣降低碳足迹的房主可以通过与地球耦合的家庭能源设置轻松实现。

橡树岭国家实验室 (ORNL) 对六个 GSHP 项目的案例研究分析发现，地质交换系统最多可减少65% 的碳排放。

ORNL 的另一份报告发现，在美国为所有单户住宅配备地热系统每年将导致：

• 二氧化碳排放量减少 45%
• 节能 48%
• 夏季用电高峰期减少 56%

好消息是地理交换系统在美国的所有地方都运行良好，哪种系统最适合您取决于与您的财产特别相关的几个因素：

• 地质学
• 水文学
• 空间特征

在设计地质交换能源系统时，必须考虑土壤类型、含水量和地下岩石的存在。

您所在地区的地下水位高度对您的地热系统设计有直接影响，尤其是在您考虑使用垂直循环系统时。

如果您正在考虑在附近的池塘中放置一个水平环，请确保水的深度和水量全年充足且恒定。

您有足够的空间安装水平地热系统吗？是否存在会干扰水平或垂直环路设置的现有地下公用设施？

对于所有这些问题，请咨询地热专家以设计最佳能源系统来满足您的所有需求，并与（而不是反对）您财产的土地和水特性一起工作。

尽管大多数房主都在寻找合格的安装人员，但DIY 地热正变得越来越流行。地热交换组织按州维护一个地质专家数据库。

最常见的 geoexchange 家庭能源系统是一个闭环设置，使用塑料管，水/防冻剂混合物流过它。

闭环布置被埋在靠近你家的地下。实际的热泵位于地下室或车库内。

水平闭环放置在至少4-6 英尺深到 10 英尺深和400 英尺长的沟渠中。反铲或小型挖掘机通常足以挖掘壕沟。

一旦放置在沟槽中，管道就会被回填物覆盖。每吨 GSHP 容量需要大约500-600 英尺的管道。

垂直闭环可能下降100-400 英尺。对于每吨泵容量，钻一个4 英寸直径的孔，与其他垂直回路相距 20 英尺。挖掘垂直环路系统需要精密的钻井设备。

一般来说，垂直回路系统比水平布置需要更少的管道。每吨泵容量需要300-600 英尺的管道。

所有地热系统——包括闭环设计和开环设计——在你的家中都有相似的特征。

首先，地下管道通过地板或墙壁进入。它连接到位于地下室的热泵。没有像传统加热和冷却系统那样的外部压缩机。

现有的管道系统或已经到位的空气处理系统可用于完成您的地热家庭能源设置。如果没有，则必须安装至少带有大型鼓风机和过滤器的新管道系统，以将热空气或冷空气输送到您房屋的房间周围。

根据美国环保署的说法，您家的地热供暖和制冷系统是您能找到的最高效、最经济和最环保的能源系统。

地源地热能是 100% 可再生能源，就在您的脚下，随时可用。

对于一些房主来说，初始安装成本可能过高，但考虑到节能、税收抵免和其他激励措施时，投资回收期很短（通常为 2-7 年）。

Geoexchange 系统可以在任何地方正常工作，因为它们依赖于霜线以下地球的恒定温度。

可能有几种不同的回路系统。理想的选择取决于您的房产特征。

与其他类型的 HVAC 系统相比，用于家庭供暖和制冷的地球耦合能源系统的碳足迹非常低。通过这种方式，地热家庭能源系统是解决我们气候危机的一个组成部分。