地源热泵 GSHP 钻孔设计模拟器

参数设置

供暖负荷 Q_h

建筑峰值供暖负荷（热输出）

制冷负荷 Q_c

建筑峰值制冷负荷（除热量）

供暖 COP

定格 EWT·LWT 条件下的供暖 COP

制冷 COP (EER相当)

制冷时的 COP（EER 除以 3.412）

地盘热导率 k_g

W/(m·K)

干砂 1.5 / 湿粘土 2.0 / 花岗岩 3.0 左右

地中初始温度 T_g

°C

深度 10m 以下的年平均地中温度

供暖运行时间

h/y

全负荷当量年运行时间

单孔深度

标准 100〜200m，住宅约 100m

U形管/双U形系数 R_b

m·K/W

单U 0.11〜0.13，双U 0.08〜0.10

计算结果

—

地盘热负荷（最大）(kW)

—

所需总钻孔长 (m)

—

钻孔数

—

所需占地面积 (m²)

—

电力输入（供暖时）(kW)

—

年度 CO₂ 削减 (kg)

—

钻孔截面图 — 地中循环动画

建筑在地表，地下为钻孔（垂直 U 形管）与循环的防冻液。供暖时（冬季）从地中采热（蓝→红），制冷时（夏季）向地中排热（红→蓝）。深部地盘温度几乎恒定。

热流对比 — 供暖·制冷·地盘负荷

COP vs 流体温度（EWT）

理论·主要公式

$$L = \frac{Q\,(R_b + R_g)}{\Delta T},\qquad COP_{actual} = 0.85\cdot COP_{steady}$$

L：总钻孔长 [m]、Q：地盘侧热量 [W]、R_b：钻孔内热阻 [m·K/W]、R_g：地盘热阻 [m·K/W]、ΔT：设计温度差（典型 8K）。R_g 是热导率 k 和运行负荷率的函数。SPF 以瞬时 COP 的约 85% 为估算基准。

$$Q_{ground,heat} = Q_h\,\frac{COP_h-1}{COP_h},\quad Q_{ground,cool} = Q_c\,\frac{COP_c+1}{COP_c}$$

供暖时从地盘采取的热量与制冷时向地盘排放的热量（含压缩机功）。设计以两者中较大值为准。

$$N_{bh}=\left\lceil \frac{L}{H_{bh}}\right\rceil,\quad A_{field}\approx N_{bh}\cdot s^2$$

钻孔数 N_bh、占地面积 A_field、孔间距 s（典型 6m）。住宅间距 4〜6m，商业楼宇为避免长期负荷失衡取 6〜8m。

地源热泵 (GSHP) — 钻孔设计与 COP

🙋

「地源热泵」是从地里挖出热水吗？像温泉那样？

🎓

很好的问题。其实和温泉不同，这是利用地下的「温度」的技术。深度 10m 以下，地温全年基本恒定，不受外界影响。日本大约是 13〜16°C。冬天时外气 0°C，地温 15°C 相对较暖；夏天外气 35°C，地温 15°C 相对较冷。地源热泵利用这「永远 15°C 左右」的恒定温度作为热泵的「热源/热汇」。冬天从地下提取热量用于地板采暖，夏天反向将建筑内的热排放到地下用于制冷。这种方式相比空气源热泵的优势在于，即使在严冬或酷暑，效率也不会大幅下降。

🙋

那地底下埋什么呢？水箱吗？

🎓

不是，很简单的结构。钻一个竖井，深度 100〜200m，然后在里面放入 PE 管（聚乙烯）做成的 U 形管。这就叫「钻孔热交换器」(BHE)。孔和 U 形管的空隙间填入具有良好导热性的膨润土系灌浆材料。U 形管内循环防冻液（丙二醇水溶液等），在地下和热泵之间传递热量。1 个孔大约能提供 5〜10 kW，一栋住宅需 1〜2 个孔，商业建筑可能需 30〜100 个孔，形成「钻孔热场」。左边的滑块改变负荷时，能立即看出所需孔数和占地面积的变化。

🙋

需要多深的钻孔有什么标准吗？比如「30kW 的供暖需要多深」这样？

🎓

有专业设计方法，叫 ASHRAE 和 IGSHPA 法。简单来说是这样：向地盘出入的热量 Q（kW）与钻孔内热阻 R_b 和地盘热阻 R_g 之和成正比。公式写作 L = Q·(R_b+R_g)/ΔT。ΔT 是允许温度差，设计通常取 8K。R_b 由 U 形管和灌浆决定，一般 0.08〜0.13；R_g 由地盘热导率 k 和运行负荷率决定。例如默认条件（供暖 30kW、制冷 25kW、k=2.4、年运行 2000h、单孔 150m），得出总长约 430m、3 孔、占地 108m²，这对一栋住宅来说面积足够了。

🙋

地盘热导率 k 怎么查呢？我只能判断「砂」或「岩」这种程度…

🎓

实际操作中，先试掘 1 个孔做「热响应试验」(TRT, Thermal Response Test)。48 小时内以恒定功率循环温水，根据出入口温度的对数响应曲线，就能实测 k 和 R_b。这是 ANSI/CSA C448 和 IEA Annex 21 的标准方法。如果是小规模项目，可以不做 TRT，而是查地质图、参考周边井孔数据，从砂(1.5)、粘土(2.0)、岩石(3.0〜3.5) W/(m·K) 的代表值选一个。但要注意，如果有地下水流动，见表热导率会增加 2〜3 倍；相反干燥火山岩可能低于 1。设计时通常偏保守，选较小的 k 值。

🙋

看到 COP 有 4 这样的数值，这样的话电费真的能省这么多吗？

🎓

这里有个重要区分：瞬时 COP 和全年季节性能系数 SPF 不是一回事。COP 是「定格工况下瞬间测得的热输出 ÷ 电力输入」，SPF（Seasonal Performance Factor）是「整个季节的总热量 ÷ 总电力」。由于循环泵消耗、部分负荷运行、外气突变等因素，SPF 通常比 COP 低 10〜25%。本工具采用 SPF ≈ 0.85·COP 的估算方式，算出年度电耗和 CO₂ 削减。即便如此，默认条件下年减 CO₂ 也有 5250 kg。这是和燃气暖房比的削减量，正是 ZEB（零能耗建筑）的关键技术。

常见问题

GSHP 使用深度 10m 以下全年几乎恒定的地中温度（日本约 13〜16°C）作为热源/热汇，即使在严寒和酷暑时节，蒸发温度和冷凝温度也保持稳定。因此全年 COP 易达到 4〜5，而受外气温波动影响的 ASHP（COP 2〜3，−10°C 时降至 1.5）相比更省能，且无需除霜运转。但初期费用因需要钻孔而是 ASHP 的 2〜3 倍。本工具可估算所需钻孔长、年度电力消耗和 CO₂ 削减量，为投资决策提供必要数据。

ASHRAE/IGSHPA 简易法中，根据地盘侧出入热量 q [W]、钻孔内热阻 R_b、地盘热阻 R_g 及允许温度差 ΔT，用公式 L = q·(R_b+R_g)/ΔT 求总长。R_b 由 U 形管 1〜2 根加灌浆材料确定，通常为 0.08〜0.13 m·K/W，R_g 由地盘热导率 k 和运行负荷率决定。用单孔深度（通常 100〜200m）除以总长得出孔数。本工具采用 ΔT=8K 作为典型值，在默认条件下得出 430m 总长、3 孔配置。

如需精准数据，应在现场试掘 1 孔，进行约 48 小时的热响应试验 (TRT, Thermal Response Test)。通过循环温水并测量出入口温度的对数响应，可实测有效热导率 k_eff 和 R_b。简易设计时，可根据地质图从砂、粘土、岩石等的代表值（1.5〜3.5 W/(m·K)）中选取。地中温度一般为该地年平均气温加 1〜2°C，北海道约 10°C，关东地区约 16〜17°C。本工具允许通过滑块调整这些参数以验证敏感性。

COP 是定格条件（如 EWT 0°C/供水 35°C）下的瞬时效率，SPF（Seasonal Performance Factor）是整个季节的"总热输出 ÷ 总电力输入"。实际 SPF 因循环泵电力、部分负荷运行、外气突变等因素，会降至 COP 的 75〜90%。本工具采用 SPF ≈ 0.85·COP 的方式进行估算，计算年度电力消耗和 CO₂ 削减量。详细评价应按 VDI 4650 或 ISO 17742 的步骤进行。

实际应用案例

住宅用 GSHP（北海道、东北、北陆）：供暖负荷 8〜15kW 的独栋住宅，常见做法是钻 1〜2 个深 80〜120m 的竖井。北海道地区相比燃油暖房可实现年运行成本减少 30〜50%，CO₂ 排放同比下降。即使寒冷地带，COP 也不会大幅下降，优于空气源热泵。札幌、带广等地有政府补助，初期投资（150〜350 万日元）回本周期约 10〜15 年。

商业建筑·地区供热制冷 (DHC)：东京、横滨、名古屋等再开发区域，5000〜50000m² 的办公楼或政府大楼常配置 30〜200 孔的钻孔热场于地下。设计时需验证年冷暖负荷平衡，避免长期地温漂移，通常保持 6〜8m 的孔间距。CASBEE、LEED 高评级认证直接受益。典型案例如东京天空树城、虎之门大厦等大型项目。

农业温室·水产养殖：草莓、番茄、黄瓜等周年栽培温室采用地源热实现根部增温和气温维持，重油消耗可降 50〜70%。北海道、新潟、长野等地有多个成功案例。养殖领域用于鲟鱼、泥鳅、鳗鱼等温水鱼类，同一套系统既能保证夏季水温管理，又能供应冬季温水。

ZEB（零能耗建筑）达成：太阳能光伏 + 高效外围护 + GSHP 三位一体是实现 ZEB 的标准方案。确保 GSHP 的 SPF 不低于 4 是关键。本工具计算的钻孔总长和 CO₂ 削减量与 ZEB 认证文件的要求指标吻合。

常见误区与注意事项

最大误区是「钻孔越深越好」。深部地温确实更稳定，但超过 200m 时，钻机成本急剧上升（小型住宅钻机通常不超 200m），且穿过地下水层易触犯取水规制。实务中「总长相同、增加孔数而不加深度」是通常做法。例如需 600m，用 150m×4 孔而非 300m×2 孔。本工具的深度滑块可看出两者的权衡。

其次，「忽视供暖制冷全年负荷平衡会导致地温长期漂移」。冷房偏重地区（沖绳、东南亚）持续向地下排热，10〜20 年内地温可上升 2〜5°C，制冷 COP 随之下降。相反暖房偏重地区（北海道）地温会下降。设计时需验证「年度采热量 ÷ 年度排热量」在 0.6〜1.4 范围，超出时配合冷却塔或太阳能面板平衡。本工具仅做单年评估，长期评估需用 g-函数法或专用软件如 EED、GLHEPRO。

最后，「高 COP ≠ 低电费」。GSHP 总耗电包括热泵本体、地中循环泵、末端风机盘、控制系统等，补机电力通常占总耗的 15〜25%，大型楼宇若泵设计不当会把 SPF 压到 3 以下。对策是管径宽裕、流速控制在 0.7〜1.2 m/s、采用变频泵和变频热泵。设计阶段的 COP 4 能在现场实现 SPF 3.5〜4.0，才是真正的工程技能。

地源热泵 (GSHP) — 钻孔设计与 COP

常见问题

实际应用案例

常见误区与注意事项

使用指南

具体计算示例

实务中的检查要点