間接使用-地源熱泵

就如前面所述，地區之緯度越高，所處的地表下溫度越低，而高緯度地區對熱 需求較大，而緯度越低之地區地表下溫度越高，但在低緯度之地區對冷需求較大，

而這就產生出間接使用淺層溫能的方式，就是通過蒸汽壓縮循環，把淺層溫能作為 冷/熱源，將淺層溫能從淺層地表移轉至使用端，把不滿足直接使用之淺層溫能轉 化成可供室內直接使用的方式。而這種使用淺層溫能的系統為地源熱泵系統。地源 熱泵系統透過流體迴路與主機蒸發器或冷凝器相連接：取熱時，迴路中工作流體先 流經地埋熱交換器吸取高溫土地熱量，再經由主機傳至使用端；散熱時，主機蒸發 器先吸取使用端的熱，最後再透過地埋熱交換器將熱排放至淺層地表，工作流程如 圖 1-9[11]所示，藍色箭頭為取熱時方向，紅色箭頭為散熱時方向。

1.2.2.1 地源熱泵

地源熱泵的概念最早於 1912 年由瑞士的專家 Zoelly[10]提出，Zoelly 提出 將淺層土壤能量作爲低溫熱能應用於空調系統，他並為此申請了專利。這就是現在 淺層溫能利用的原型，即淺層土壤溫能。由於該年代一次能源充足及能源價格低，

Zoelly 的概念并未受到關注。直至 20 世紀 70 年代，能源危機的出現及環境破壞 的問題日益嚴重，淺層溫能的概念再次受到關注，並在瑞士、荷蘭、瑞典廣泛推廣 起來。如今此項技術也日益成熟，地源熱泵在美國、中北歐洲、中國、日本等高緯 度地區占有一定性的市場。

圖 1-9 地源式熱泵系統示意圖[11]

1.2.2.2 地源熱泵之類型

地源熱泵系統根據使用淺層溫能的方式不同分為不同的系統，美國冷凍空調 工程師學會(ASHRAE)[12]把地源熱泵(GSHP,Ground Source Heat Pumps)分為地表 水 源 熱 泵 系 統 (SWHP,Surface-Water Heat Pumps) 、 地 下 水 源 熱 泵 系 統 (GWHP,Ground-Water Heat Pumps)、土壤源熱泵系統(GCHP, Ground Coupled Heat Pumps)。

地表水源熱泵系統(SWHP,Surface-Water heat pumps)

地表水源熱泵系統是以河流、湖泊、海水等表面水體作為一穩定熱源或冷源，

並透過熱泵系統向使用端提供熱負載或冷負載，由源溫度分層的關係，在溫暖地區 的表面水體中下層水溫會比上層水溫低，可作為良好的散熱源，而在寒冷地區的表 面水體中最下層水溫維持在 4℃，可作為良好的熱源，但相對表面的水溫容易受到 外氣影響，較不穩定，但波動仍比外氣變化少。地表水源熱泵系統主要透過兩種方 法來利用地表水能源，第一種(工作原理如圖 1-10 所示)是直接抽取地表水到熱泵 機組或熱交換器進行熱交換，然後把地表水排回原水體，此系統的建設成本非常低，

容易建立，但由於水質等問題，容易對設備造成不良的影響，故維護成本較高。第 二種(工作原理如圖 1-11 所示)是把循環水或防凍液經過放在表面水體中的熱換器 來進行取熱或散熱，從而把地表水能源供給負載使用，此方向可避免了因水質不良 所做成的影響，但相對建設成本較高，而且在表面水體中的熱換器可以受到未知的 損害。

圖 1-10 開放式地表水源熱泵系統示意圖[13]

圖 1-11 封閉式地表水源熱泵系統示意圖[14]

地下水源熱泵系統(GWHP,Ground-Water Heat Pumps)

地下水源熱泵系統是把從水井中的地下水作為熱源或冷源，由於地下水多處 於地底下的含水層中，相對表面水體，地下水的溫度有更好的穩定性，地下水源熱 泵系統，工作原理如圖 1-12 所示，主要是通過水泵，把處於含水層中的地下水抽 取到熱泵主機或是透過熱交換器來進行熱交換，進行完熱交換後的地下水會排到 表面水體或注到另一水井中，使其回到含水層中。地下水源的初設成本比同樣需要 鑽井的垂直土壤源熱泵系統便宜，所以從 90 年代起開始大量使用，但地下水源熱 泵系統也與地表水源熱泵系統有同樣的問題，就是水質做成設備受影響，所以必須 對地下水進行處理，而且對於某些缺乏地下水資源的地區難以使用，所以在某些地 區未能廣泛使用。

圖 1-12 地下水源熱泵系統示意圖[15]

Zhen[16]等人在西藏地區的日喀則機場建立一結合太陽熱能的地源熱泵系統，

以供應給機場大樓及宿舍之室內暖氣使用，此系統工作原理如圖 1-13 所示，透過 水泵把深層 11.6-12℃的地下水抽到熱泵之蒸發器進行取熱，取熱後之地下水溫度 約 7-7.3℃，排回另一回灌井，使地下水回到含水層，而循環水在進入冷凝器吸熱 前先由太能熱能預熱到溫度約 34.2-36.7℃，然後進入冷凝器吸熱，吸熱後溫度約 40.2-42.6℃，再供應給使用端，在此工況下熱泵之 COP 達到 4.66-5.2，平均約 4.97，對比在當地使用之空氣源熱泵系統的 COP 都在 3 以下，可見地下水源熱泵 系統是一種非常高效率的節能系統。

圖 1-13 結合太陽熱能地源熱泵系統示意圖[16]

圖 1-14 不同工況下空氣源熱泵之性能[16]

土壤源熱泵系統(GCHP, Ground Coupled Heat Pumps)

土壤源熱泵系統的工作原理如圖 1-15 所示，把土壤作為冷源或熱源，透過把 循環水或防凍液進入地埋熱交換器(Ground Heat Exchanger)與土壤進行取熱或散熱，

然後再進入熱泵系統進行熱交換，由於循環水或防凍液在取熱或散熱的過程中沒 有與土壤直接接觸，所以此系又稱為封閉系統(Closed-loop heat pump)，所以沒有因 為水質問題而對設備做成影響，對比地下水源熱泵系統有較低的設備維護成本，而 且對沒有地下水資源或地表水資源的地區也可以使用，所以土壤源熱泵系統得到 廣泛的推廣與研究。

圖 1-15 土壤源熱泵系統示意圖[12]

學者 Hwang 等人[17]曾於韓國釜山市一學校大樓中同時架設土壤源熱泵系統 (GCHP)與空氣源式熱泵(ASHP)系統並進行測試，此土壤源熱泵系統透過 24 個深 度為 150m 的單 U 型垂直式地埋管熱交換器把室內之熱量帶到土壤中散熱，結果 如表 1-2 所示。由於土壤源熱泵系統循環水之入水溫度為 22℃，如圖 1-16 所示，

而外氣溫度為 29-35℃，兩者相差接近 10℃，所以土壤源熱泵系統之冷凝端有更低 的冷凝溫度，減少壓縮機之耗功，但觀看整個系統，不論是包含壓縮機、循環水泵 以及風扇功率的系統 COP，還是僅包含壓縮機耗功的主機 COP，地源式熱泵皆優 於氣源式熱泵，可見地源式熱泵在效能上比起目前常見的氣源式熱泵有著絕對的 優勢。

表 1-2 土壤源式熱泵與氣源式熱泵比較[17]

圖 1-16 土壤源式熱泵系統[17]

圖 1-17 循環水、地埋管熱交換器、外氣溫度之比較[17]