以地下常溫土壤或增溫巖土體為熱源的熱泵機組，稱為土壤源熱泵機組。如下圖所示，土壤源熱泵通過深埋于建筑物周圍的管路系統，冬季從土壤中取熱，向建筑物供暖;夏季向土壤排熱，為建筑物制冷。

相對于地表水和空氣，土壤的溫度全年波動較小，可以分別在夏冬季提供相對較低的冷凝溫度和較高的蒸發溫度，使得熱泵機組運行更加高效、穩定、可靠。通常土壤源熱泵消耗1kWh的能量，用戶可以得到4kWh以上的熱量/冷量。

相比空氣源熱泵，土壤源熱泵不存在除霜問題，熱泵機組一般布置在室內，有較好的隔音效果和降噪措施。

土壤的傳熱性能欠佳，通常需要較大的傳熱面積，導致埋管占地面積較大或埋深較深，長遠看還需要考慮埋管對未來土地開發的影響。另外在地下埋設管道成本較高，運行中若產生故障也不易檢修。

土壤源熱泵冬季從地下取熱，夏季向地下排熱，當冬夏取熱和排熱負荷不平衡或熱量補充和消納不充分時，長期使用易造成地溫升高或降低，使得熱泵的換熱效果下降。所以設計時應進行熱平衡計算，必要時可采用輔助冷卻和加熱的方法控制土壤長期溫度波動在允許范圍內。

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