地源热泵

2017年,印第安纳州的鲍尔州立大学关闭了四台燃煤锅炉中的最后一台,这些锅炉为校园供暖了数十年。 为了取代这些水泵,它在校园地下钻了约3600个井孔,并通过两个能源站将其连接到热泵上,以供给校园暖气和冷气。 The system cost about $65 million, and the university committed to cutting its greenhouse gas emissions by nearly 80,000 tons a year (Wikipedia, Ball State University).

地源热泵是一种新能源。 是个好孩子。 乘数:它使用电力将地下的热量传输到建筑物中,并且每用三到五单位电能就产生三到五个单位热量(国际能源机构，2022年). 它是成熟的,可靠和安静。 它也昂贵的安装,这就是为什么这个页面花费了很多时间在成本上物理。

什么是

地源热泵的主要功能有: 接地回路 埋在战壕里或落入井孔中的塑料管,装满水和防冻剂; 热泵机组 一个冰箱的大小,通常在室内;和 热能分配系统,如散热器或地板采暖。 冬季,回路中的流体从地面吸收热量,而热泵将其集中到35至55°C的房屋。 夏天,同一台机器可以反向运行,冷却建筑物并将热量回到地面。

小房子与花园可以使用水平环路铺设1至2米深。 大多数其他建筑物使用垂直井,通常15至150米深;一个独立的房子需要10千瓦的热量可能需要三个80到110米的钻孔(Wikipedia, 地源热泵 ) 。 整个街道和校园可以通过一个 热网络:环境温度水循环,连接多个建筑物,每个都有自己的热泵。

它是如何工作的

热泵是一种冷却系统。 工作流体(制冷剂)在连接到地圈的热交换器中低温蒸发,吸收热量。 压缩机将蒸汽挤压,从而提高其温度。 在第二个热交换器中,它凝结并释放热量进入散热器的水。 膨胀阀将压力降低,循环再次开始。

乘数 所提供的热量除以所用电力是性能系数, COP. 热泵的主要功能是:

COP_max = T_hot / (T_hot − T_cold),温度以开尔文为单位。

从地下5°C(278 K)的温度输送40°C(313 K)的水,在热交换器损耗后得到313 / 35 ≈ 8.9。 真正的机器大致达到 半数 卡诺数,大约是4.5。 从这个方程中可以直接推导出两件事:

• 升降比任何东西都重要。 源和散热器之间的每一度都会影响效率。 将流体温度从35°C提高到55°C,我们的模拟地源COP会从4.5降至3.0。 较大的散热器或地板采暖,在较低的温度下工作,使每个热泵更好。
• 源温度很重要。 室外空气在最需要热量的时候是最冷的。 在-7°C和55°C的流量下,我们模型中的空气源单位降至约2.3;地面在约10°C时,在相同的流量温度下产生3.0。 这就是地面的整个优势。

地面是一个慢电池。 下面几米,每日波动消失;在10至20米处地面接近当地年平均气温,越深它变暖约0.025°C/米(地源热泵机组的优点). 地球表面的热量主要来自太阳,而不是地球核心。 一个只抽取热量的钻井会在多年后慢慢冷却周围的岩石，而密集的钻井区域可能比地面恢复更快冷却。 夏天通过降温建筑物将热量回收,保持平衡。 这就是为什么混合供热和制冷负载的共享网络如此有效。

季节性数字。 规格表上的COP是在一个测试条件下测量的。 重要的是季节性能系数 (SPF ) : 一年内提供的热量除以所有使用的电力,包括泵和备用加热器。 现场测试测量SPF,它总是低于实验室COP。

限制

• 物理学。 卡诺限制为给定升降机的COP设置上限;没有制冷剂或压缩机逃逸。 真正的机器已经在大约一半,最好的还要多一点。
• 地面能力。 每米的钻孔只能提供几十瓦的热量,这取决于岩石和地下水,因此建筑物的热需求决定了必须钻多少米。 钻探是最大的单一成本。
• 空间和进出。 钻机需要进入;密集的城市街区、受保护建筑和小块土地可能没有地方钻。
• 建筑质量。 一个有小散热器的漏水房屋需要高流量温度,这会降低COP;绝缘和较大的发射器通常是首要考虑因素。
• 电力价格 运行成本取决于电力的价格除以它所替代的燃料的价格。 当电力成本超过天然气每千瓦时的三倍以上,如在英国,热泵需要接近3年COP仅打破运行成本。
• 技能。 良好的设计和调试对于真正的SPF有很大的不同,而且在许多国家安装技能都很缺乏。

实际项目，计量

项目	何时、何地	尺度	报告内容
弗劳恩霍夫ISE现场测试,WPsmart在库存中	德国,1850年至2001年间建造的现有住宅,从2017年开始监测	已居住住宅中的空气源和地面源系统	年度SPF:地面来源约4.1(范围约3.3至4.7 ) , 空气来源约3.1(范围约2.5至3.8 ) ( Fraunhofer ISE)
巴尔州立大学地热系统	美国印第安纳州孟西,2017年完工	About 3,600 boreholes, two energy stations, about $65 million	取代了所有四个燃煤锅炉;大学承诺每年减少近80,000吨温室气体 ( Wikipedia)
Eversource 联网地热试点	美国马萨诸塞州弗雷明汉,2024年	约三十个家庭和市政建筑在一英里的循环	First utility-run thermal network in the US; a school administration building, a fire station and public housing among the users; about $18.6 million; the network is planned to double in size (PBS NewsHour, 2025)
科罗拉多梅萨大学地理交流	美国科罗拉多州大章克申	16 buildings, 1.2 million square feet, on a shared ambient loop	Provides 90% of the campus heating and cooling; the university reports $1.5 million a year of energy savings (US DOE case study)
锅炉升级计划	英格兰和威尔士，2022年至2026年	82,651 grants paid for heat pumps and biomass boilers by April 2026	地源占少数:98%的应用是空气对水热泵(2026年，新西兰国家统计局)

欧洲的第五代供热网络,即通过单个热泵在建筑物之间共享热量的环境温度回路,已在数十个站点进行了审查(Buffa et al . , 2019 ) 。 它们的效率在很大程度上取决于加热和冷却需求之间的平衡。

什么是它的成本

A heat pump does not generate electricity, so the comparison with our site-wide benchmark (rooftop solar at about $0.19 per kWh in the Fan Wall model, within Lazard’s June 2026 range of $0.09 to $0.20 for commercial rooftop solar) is indirect: a ground-source heat pump turns each kWh of that solar electricity into about four kWh of heat. 直接竞争对手是燃气锅炉,公平的衡量标准是 每千瓦时热量成本,包括安装。

We use UK figures because they are public and recent: median installed costs from the Boiler Upgrade Scheme for January to March 2026 (£27,352 for ground source, £13,100 for air source, both including VAT) (DESNZ); the £7,500 grant; price-cap unit rates for October to December 2026 of 26.32p per kWh of electricity and 7.97p per kWh of gas (Ofgem); the Fraunhofer field SPFs; a home using 12,000 kWh of heat a year; and 20 years at a 7% real discount rate, as on our wind page. For the gas boiler we assume £3,000 installed and 90% efficiency.

供暖系统	安装费用	每千瓦时热量的运行成本	每千瓦时热能总成本，无补贴	7,500英镑的补助金
燃气锅炉	£3,000 (assumed)	8.9p 加拿大	11.2p 加拿大	不符合资格
空气源热泵,SPF 3.1	£13,100	8.5p 加拿大	18.8p 加拿大	13.9p 加拿大
地源热泵,SPF 4.1	£27,352	6.4p 预期成绩	27.9p 年龄组	22.0p 加拿大

*我们的计算。 常设费用和维护费不包括在内;这些费用与所有选项相似。 *

表是不舒服的,它应该是。 在英国价格,一个单一家庭的地源热泵成本约为两倍每千瓦时的热量比天然气,即使有补贴,几乎完全是因为安装。 运行成本已经较低。 下列情况下，情况会发生变化：

• 电相对于天然气便宜如瑞典、挪威和法国，或按使用时间收费。
• 接地回路的使用寿命超过20年。 预计安装良好的井孔的寿命会超过几台热泵；如果分散在50年而不是20年，循环系统的年度成本将下降约四分之一。
• 多栋建筑共享一个钻井场, 切割设计, 动员和钻孔成本每个家庭, 并让冷却负载重新充电地面.
• 替代品是油,液化石油气或直接电加热,这比天然气成本更高。
• 建筑物需要冷却和加热,同一系统提供的额外成本很小。

哪里可以赢,哪里不能

它可以赢得:

• 校园、医院、办公室和新住宅区,其中一个钻井场为许多建筑提供服务,并且需要加热和冷却。
• 离网天然气家庭和农场 取代石油或液化石油气。
• 寒冷气候, 在最冷的周末空气源热泵会发生故障,而地面保持其温度。
• 街道重建其天然气网络。 像弗雷明汉的那样,公用事业运营的热能网络可以用共享水循环来取代老化的天然气管道。
• 新建筑物,在这里可以在地基之前钻井,地板采暖可保持流量温度低。

它不能赢得:

• 单个现有家庭,其中天然气便宜,电费昂贵,如成本表所示,除非安装价格大幅下降。
• 密集的老城区,没有空间钻探。
• 隔热不良的建筑物,散热器小,直到建筑物得到改善。
• 作为电力的来源。 它使用电力;它不会制造它。

什么是证明,合理和推测

证明： 卡诺限值和低温升力的重要性；稳定的地面温度；设计良好的地源系统实地测量的年SPF约为4；在瑞典、瑞士、德国和北美洲几十年来可靠运行；校园规模的系统取代煤和天然气。

可行的: 公用事业拥有的热网络,使地源热负担得起普通街道; 通过更好的钻机,标准设计和规模便宜得多的钻探; 储存夏季热量冬天使用的井田.

投机性： 安装成本接近于单户住宅的燃气锅炉；热泵在现场远远超过卡诺限值的60%；深井(500米以上)变得足够便宜，可用于密集城市。

开放式研究问题

• 钻井成本更低。 钻井是地源系统的最大成本。 更快的钻机、更浅的密集阵列、基础中的能源桩和水平定向钻探都需要真实成本数据。
• 网络设计。 如何调整共享回路和钻井场的规模,以便在数十年内实现供暖和制冷平衡,以及谁应该拥有这些环节和钻井场。
• 实现大规模的真正性能。 对像 Framingham’s 这样的网络进行独立监控:年度 SPF、抽水能量、地面温度趋势和客户账单。
• Low-GWP refrigerants. Propane and CO2 heat pumps with high efficiency and safe installation indoors.
• 电网效应 数百万热泵如何改变冬季的峰值需求,以及地源系统与空气源相比如何减少它。
• 改造路径。 绝缘,散热器升级和热泵的不同类型的家庭最便宜的顺序。

一个工作原型需要什么

热泵本身已经成熟；有用的想法在于更便宜的地面回路、共享网络和更智能的控制。 一个工作模型应该提供计量的热量,并且电力输入和热量输出都有计量。

阶段	工作	决定它能够	粗成本	时间
1. 案头研究	实际建筑物的热需求,地质调查的地面数据,使用标准软件进行回路设计,钻井公司提供的成本报价	这个想法是否比今天的钻井每千瓦更便宜?	$5k to $20k	2至3个月
2. 测试回路	一个钻孔或一个新的地面交换器设计,带有热响应测试、小型热泵、热电表、地面温度传感器	冬季每米测得的热量和SPF	$30k to $80k 格式	6至12个月
3. 街头试点	共享回路上的5至20栋建筑物,一年的计量数据,客户账单	每户和每千瓦时供热的实际成本	$0.5M to $3M公司	18至24个月

我们需要谁

• 地质学家和水文地质学家 阅读地面和模型钻井场。
• 钻井承包商愿意测试新方法和分享真正的成本。
• 热泵和HVAC工程师 用于设计、调试和监控。
• 区能源和公用事业规划人员 共享网络和所有权模式。
• 建筑物理学家 用于改造排序和低温发射器。
• 经济学家和关税设计师公平地定价热量,奖励灵活性。

还有更好的主意吗?

基金会的一些成员可能有联系人,可以听到一个强大的能源想法。 要想被投掷,一个想法需要一个 一个工作的,真实的模型,它能够产生电力对于像这样的热量概念,这意味着一个提供测量热量的模型,其输出和电力使用记录在仪器上,不声称。 我们也欢迎您的论文想法:如果物理和数字是坚实的,我们可以在这里发布它们。 但没有一个工作模式,筹集资金是非常困难的,这里没有什么是融资、回报或介绍的承诺。

通过贡献表格发送你的想法,并附上它解决的问题、物理检查、每千瓦时热量的大致成本以及可以证明它错误的最便宜的测试。 如果你有一个工作模型,请包括它的测量输出以及你如何测量它。 能源来源页面比较了这个和其他的想法雷达上的替代方案。

来源

1. 维基百科。 Ball State University:地热系统于2017年完工。
2. 国际能源机构(2022年)。 热泵的未来.
3. 弗劳恩霍夫研究所 WPsmart im Bestand: 现有建筑物中的热泵,实地测试.
4. 维基百科。 地源热泵: 钻孔深度、地面温度和地热梯度。
5. 能源安全和净零排放部(2026年)。 Boiler Upgrade Scheme statistics, April 2026, tables Q1.1A and 1.1.
6. Ofgem (2026). Energy price cap unit rates, 1 October to 31 December 2026.
7. PBS NewsHour (2025). 不太可能的联盟在马萨诸塞州社区建立更清洁的地热能源网络.
8. 美国能源部. 地热热泵案例研究:科罗拉多州梅萨大学.
9. 布法,S.,科齐尼,M.,达安东尼,M.,巴拉蒂耶里,M.和Fedrigzi,R. (2019). 5th generation district heating and cooling systems: a review of existing cases in Europe. 可再生能源与可持续能源评论 104, 504-522.
10. 斯塔弗尔,I.,布雷特,D.,布兰登,N. 和霍克斯,A. (2012). 热泵的优点是什么? 能源与环境科学 5, 9291.
11. Lazard (June 2026). 能源成本的平衡,版本19.
12. Local Solar System 基金会。 风扇墙开放模式:每千瓦时$ 0.19的屋顶太阳能基准。