地源热泵及其对锅炉的替代摘要

1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.地源热泵及其对锅炉的替代摘要：随着能源的日趋紧张，地源热泵的的研究和应用会更加引起政府和用户的关注。本文就地源热泵作简单介绍，并对其在实际应用中存在的问题以及对锅炉替代的可行性进行探讨。关键词：地地源热泵泵 锅炉替替代 1 引言随着全球能能源的日日趋紧张张，节能能降耗要要求日益益紧迫。表表1为地球球可利用用能源数数量及使使用年限限的 列表，可可见 HYPERLINK 人类类能源节节约是关关系到人人类可持持续发展展的关键键因素。节节能降耗耗，不能能只是停停留在

2、政政府政府府宣传和和倡导上上，政策策和法规规或许是是解决该该问题的的最好办办法。楼宇系统日日常运行行能耗中中，空调调、取暖暖系统占占有半壁壁江山。如如何减少少能源消消耗，降降低楼宇宇运营成成本，是是国家和和工程设设计人员员的主要要工作和和任务之之一。 HYPERLINK 目目前主要要从两个个方面着着手解决决楼宇节节能降耗耗的问题题：开发和使用用隔热性性能好的的新型建建筑材料料，减少少维护结结构传热热，如：隔热门门窗结构构，环保保隔热墙墙体等，这这是我国国建设部部极力支支持和推推广的建建筑节能能 HYPERLINK 方法之一一。 提高能源综综合利用用效率、加加强能量量回收利利用（充充分利用用废热

3、、废废冷，提提高机组组效率等等）技术术的发展展，是节节能降耗耗的重要要突破环环节。 地源热泵是是一种利利用地下下浅层地地热资源源（也称称地能，包包括地下下水、土土壤或地地表水等等）的既既可供热热又可制制冷的高高效节能能空调系系统。地地源热泵泵利用地地能一年年四季温温度稳定定的特性性，冬季季把地能能作为热热泵供暖暖的热源源，夏季季把地能能作为空空调的冷冷源；即即在冬季季把高于于环境温温度的地地能中的的热能取取出来供供给室内内采暖，夏夏季把室室内的热热能取出出来释放放到低于于环境温温度的地地能中。通常地源热热泵消耗耗1kWW的能量量，用户户可以得得到4kkW左右右的热量量或冷量量。在节节能环保保要

4、求日日益提高高的今天天，地源源热泵空空调系统统正以其其不可替替代的优优势，越越来越受受到人们们的重视视。2 地源热热泵的基基本原理理根据热工学学 HYPERLINK 理论，热热泵系统统能够将将低温热热量提升升至高温温热量。图图1为常常见的空空调机组组系统原原理示意意图，制制冷主要要是利用用蒸发器器吸收热热量，热热泵是利利用冷凝凝器散发发热量，当当然，系系统运转转的同时时需外部部能量的的输入。蒸蒸发器从从环境中中取热，此此时从环环境取热热的对象象称为热热源；冷冷凝器则则向环境境排热，此此时向环环境排热热的对象象称为冷冷源。蒸发器、冷冷凝器根根据循环环工质与与环境换换热介质质的不同同，主要要分为空

5、空气换热热和水换换热两种种形式。根根据热泵泵（或制制冷机）与与环境换换热介质质的不同同，可分分为水水式，水水空气气式，空空气水水式，和和空气空气式式共四类类。 我们将具有有热泵功功能的制制冷系统统常常称称为热泵泵，以突突出其产产生可利利用热能能的功能能。若按按照其冷冷热源的的性质来来分，国国外的 HYPERLINK 文文献通常常把它们们分为空空气源热热泵（AAir Souurcee Heeat Pummp， ASHHP） 和地源源热泵（GGrouund Souurcee Heeat Pummp， GSHHP）两两大类。 空气源热泵泵 利用用空气作作冷热源源的热泵泵，称之之为空气气源热泵泵。在供

6、供热工况况下将室室外空气气作为低低温热源源，从室室外空气气中吸收收热量，经经热泵提提高温度度送入室室内供暖暖。空气气源热泵泵有着悠悠久的 HYPERLINK 历历史，而而且其安安装和使使用都很很方便，应应用较广广泛。空气源热泵泵的主要要缺点是是在夏季季高温和和冬季寒寒冷天气气时热泵泵的效率率大大降降低。而而且，其其制热量量随室外外空气温温度降低低而减少少，这与与建筑热热负荷需需求趋势势正好相相反。此此外，在在供热工工况下空空气源热热泵的蒸蒸发器上上会结霜霜，需要要定期除除霜，这这也消耗耗大量的的能量。在在寒冷地地区和高高湿度地地区热泵泵蒸发器器的结霜霜可成为为较大的的技术障障碍。在在夏季高高温

7、天气气，由于于其制冷冷量随室室外空气气温度升升高而降降低，同同样可能能导致系系统不能能正常工工作。空气源热泵泵不适用用于寒冷冷地区，在在我国典典型应用用范围是是长江以以南地区区。在华华北地区区，冬季季平均气气温低于于零摄氏氏度，空空气源热热泵不仅仅运行条条件恶劣劣，稳定定性差，而而且因为为存在结结霜问题题，效率率低下。地源热泵 利用大大地（土土壤、地地表水、地地下水）作作为热源源的热泵泵，称之之为“地地源热泵泵”。由由于较深深的地层层中在未未受干扰扰的情况况下常年年保持恒恒定的温温度，远远高于冬冬季的室室外温度度，又低低于夏季季的室外外温度，因因此地源源热泵可可克服空空气源热热泵的技技术障碍碍

8、，且效效率大大大提高。此外，冬季季通过热热泵把大大地中的的热量升升高温度度后对建建筑供热热，同时时使大地地中的温温度降低低，即蓄蓄存了冷冷量，可可供夏季季使用；夏季通通过热泵泵把建筑筑物中的的热量传传输给大大地，对对建筑物物降温，同同时在大大地中蓄蓄存热量量以供冬冬季使用用。这样样在地源源热泵系系统中大大地起到到了蓄能能器的作作用，进进一步提提高了空空调系统统全年的的能源利利用效率率。但由由于受水水文地质质的限制制，水源源热泵的的应用远远不及空空气源热热泵。3 地源热热泵常见见形式地表土壤和和水体是是一个巨巨大的太太阳能集集热器，收收集近447%的的太阳辐辐射能量量，比人人类每年年利用能能量的

9、5500 倍还多多。地下下的水体体通过土土壤间接接地接受受太阳辐辐射能量量，而且且是一个个巨大的的动态能能量平衡衡系统，地地表的土土壤和水水体 HYPERLINK 自然然地保持持能量接接受和发发散相对对的均衡衡，这使使得利用用储存于于其中的的似乎无无限的太太阳能（或或称地能能）成为为可能，所所以说地地源热泵泵是利用用可再生生能源的的一种有有效途径径。与锅炉（电电、燃料料）供热热系统相相比，锅锅炉供热热只能将将90%以上的的电能或或7090%的燃料料内能转转化为热热量，供供用户使使用，因因此地源源热泵要要比电锅锅炉加热热节省三三分之二二以上的的电能，比比燃料锅锅炉节省省二分之之一以上上的能量量；

10、由于于地源热热泵的热热源温度度全年较较为稳定定，一般般为100255，其制制冷、制制热系数数可达33.54.44，与传传统的空空气源热热泵相比比，要高高出400%左右右，其运运行费用用为普通通中央空空调的550660。因因此，近近十几年年来，尤尤其是近近五年来来，地源源热泵空空调系统统在北美美如美国国、加拿拿大及中中、北欧欧如瑞士士、瑞典典等国家家取得了了较快的的发展， HYPERLINK 中国的地源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。 地源热泵根根据对低低温热源源的利用用方式的的不同，可可以分为为闭式系系统和开开式系统统两种。闭式系统 指在水水侧

11、为一一组闭式式循环的的换热套套管，该该组套管管一般水水平或垂垂直埋于于地下或或地表水水域中，通通过与土土壤或地地表水域域水换热热来实现现能量转转移（其其中埋于于土壤中中的系统统又称土土壤源热热泵，埋埋于海水水中的系系统又称称海水源源热泵），见见图2。开式系统 指从地地下抽水水或地表表抽水后后经过换换热器直直接排放放的系统统（地下下水热泵泵系统和和地表水水热泵系系统一般般又称为为水源热热泵系统统），见见图3。图4，图55为一国国外品牌牌热泵水水系统流流程图，分分别表示示出地源源热泵夏夏季、冬冬季运转转时管路路切换情情况。4 地源热热泵系统统在应用用中存在在的问题题 虽然几年来来地源热热泵系统统在

12、我国国得到了了发展，但但是，应应用这种种地源热热泵系统统也受到到许多限限制。使用地下水水的热泵泵系统（开开式系统统） 这种系统需需要有丰丰富和稳稳定的地地下水资资源作为为先决条条件。因因此在决决定采用用地下水水热泵系系统之前前，一定定要做详详细的水水文地质质调查，并并先打勘勘测井，以以获取地地下温度度、地下下水深度度、水质质和出水水量等数数据。地地下水热热泵系统统的 HYPERLINK 经济济性与地地下水层层的深度度有很大大的关系系。如果果地下水水位较低低，不仅仅成井的的费用增增加，运运行中水水泵的耗耗电将大大大降低低系统的的效率。此此外，虽虽然理论论上抽取取的地下下水将回回灌到地地下水层层，

13、但目目前国内内地下水水回灌技技术还不不成熟，在在很多地地质条件件下回灌灌的速度度大大低低于抽水水的速度度，从地地下抽出出来的水水经过换换热器后后很难再再被全部部回灌到到含水层层内，造造成地下下水资源源的流失失。 使用地表水水的热泵泵系统（开开式系统统） 地表水热泵泵系统的的热源是是池塘、湖湖泊或河河溪中的的地表水水。在靠靠近江河河湖海等等大体量量自然水水体的地地方利用用这些自自然水体体作为热热泵的低低温热源源是值得得考虑的的一种空空调热泵泵的型式式。当然然，这种种地表水水热泵系系统也受受到自然然条件的的限制。此此外，由由于地表表水温度度受气候候的 HYPERLINK 影响响较大，与与空气源源热

14、泵类类似，当当环境温温度越低低时热泵泵的供热热量越小小，而且且热泵的的性能系系数也会会降低。一一定的地地表水体体能够承承担的冷冷热负荷荷与其面面积、深深度和温温度等多多种因数数有关，需需要根据据具体情情况进行行 HYPERLINK 计算。这这种热泵泵的换热热对水体体中生态态环境的的影响有有时也需需要预先先加以考考虑。 使用土壤热热源热泵泵（闭式式系统） 土壤埋管式式热泵系系统在冬冬季供热热过程中中，栽热热介质从从地下收收集热量量，再通通过系统统把热量量带到室室内。夏夏季制冷冷时系统统逆向运运行，即即从室内内带走热热量，再再通过系系统将热热量送到到地下岩岩土中。因因此，土土壤埋管管式热泵泵系统保

15、保持了地地下水热热泵利用用大地作作为冷热热源的优优点，同同时又不不需要抽抽取地下下水作为为传热的的介质。它它是一种种可持续续发展的的建筑节节能新技技术。但但这种地地源热泵泵系统对对土壤换换热器的的材质及及地质结结构的要要求比较较高，同同时埋设设换热器器需要较较大的场场地，系系统投资资也较其其它方式式要高，所所以这种种系统一一般应用用于面积积比较小小的居住住类单体体建筑，在在大型工工程中应应用相对对困难。在国外，地地源热泵泵的主要要研究和和应用对对象还是是土壤源源热泵系系统，国国内理论论研究和和实验研研究的重重点也是是如此。然然而，土土壤源热热泵系统统远比地地下水热热泵系统统和地表表水热泵泵系统

16、复复杂，一一次投资资相对较较高。5 地源热热泵对锅锅炉的替替代5.1 地地源热泵泵对锅炉炉替代的的可行性性北方（如北北京、天天津等）一一些大中中型城市市政府出出于减少少污染，保保护环境境的目的的，相继继出台了了进行燃燃煤锅炉炉改造的的政策。地地源热泵泵由于具具有一体体解决供供冷、供供暖、洁洁净、环环保节能能和运行行稳定可可靠的优优点，运运行费用用仅与燃燃煤锅炉炉相当，远远远低于于一般燃燃气、燃燃油锅炉炉和溴化化锂吸收收机组，成成为燃煤煤锅炉替替代的一一个很好好的选择择，在旧旧有锅炉炉供暖系系统改造造中受到到人们的的青睐。表表2为几几种供热热方式的的对比。在旧有锅炉炉供暖系系统改造造计划中中，人

17、们们非常希希望新采采用的地地源热泵泵机组能能够最好好直接取取代锅炉炉，仍利利用暖气气片热水水式循环环进行供供暖，这这样涉及及到的采采暖改造造就仅仅仅是锅炉炉房内的的改造，旧旧有的室室内暖气气片供暖暖系统不不做丝毫毫改变，这这将会大大大降低低改造工工程量和和改造费费用。然而这种采采用地源源热泵直直接替代代锅炉在在实际工工程 HYPERLINK 应用用中是有有以下条条件限制制的：旧有的暖气气系统的的供/回回水温度度一般是是90/75 这要求求替代用用的高温温热泵的的出水温温度要尽尽可能与与其保持持一致或或相近，事事实上地地源热泵泵的安全全出水温温度达不不到这一一点，即即使采用用高温冷冷媒R1134

18、aa ，其其安全经经济的出出水温度度也仅在在55700 之间，因因此需要要加大热热水流量量来补偿偿传热温温差的减减小。 旧有的暖气气系统必必须是相相对较新新的暖气气系统，结结垢较少少才能保保证传热热效果好好。 旧有的暖气气系统必必须是两两管制系系统，保保证各房房间供暖暖一致，避避免单管管系统尾尾部暖气气片供水水温度过过低。 加大供水量量是受到到一定限限制的，必必须保证证系统的的水力条条件在可可行的范范围内，避避免由于于水量过过大造成成的系统统水力失失调，导导致暖气气系统噪噪音和振振动增大大。 只有满足以以上条件件，采用用高温水水源热泵泵机组直直接替代代锅炉进进行操作作才是可可行的，否否则室内内

19、暖气系系统必须须加以改改造，可可以通过过加大暖暖气面积积、改为为双管制制增大供供水管路路实现。当当然，也也可以将将暖气系系统改造造为中央央空调末末端系统统，同时时解决夏夏天供冷冷需要。5.2 热热泵机组组的供水水温度问问题热泵机组的的热水供供水温度度由于受受到制冷冷剂、润润滑油和和压缩机机的工作作范围（包包括排气气温度、排排气压力力、回气气温度和和回气压压力）的的限制，其其温度不不可能太太高。高温型的水水源热泵泵机组通通常选用用R1334a作作制冷剂剂，在同同样的饱饱和温度度下，RR1344a比RR22有有更低的的饱和压压力，这这也就意意味着在在压缩机机和换热热器中同同样的设设计压力力，可以以

20、确保采采用R1134aa的机组组有更高高的冷凝凝温度，可可以向更更高温度度的热水水里排放放冷凝热热，比起起采用RR22制制冷剂的的热泵机机组，出出水温度度可以得得到一定定的提高高，但其其对应的的冷凝温温度和蒸蒸发温度度还是有有限制的的。R134aa 又名名四氟乙乙烷，分分子式为为C2H2F4 ，分分子量1102.0，标标准沸点点-266.2，凝固固温度-1011.1， 临临界温度度1011.1， 临临界压力力4.006MPPa， ODPP=0 ，GWWP=113000。同样样的冷凝凝压力220baar，RR1344a机组组的冷凝凝温度达达67.5， 而而R222机组的的冷凝温温度只有有51.5

21、。然而而，R1134aa制冷剂剂单位容容积制冷冷量比RR22约约低300% ，也也就意味味着同样样的机组组采用RR1344a，制制冷剂制制冷量要要比采用用R222制冷剂剂的机组组制冷量量低255300%，另另外，采采用R1134aa作制冷冷剂，由由于R1134aa与矿物物油的互互溶性比比较差，需需要采用用聚酯类类油作润润滑油，才才有较好好的互溶溶性，这这种润滑滑油就是是通常所所说的PPOE油油，然而而POEE有一个个显著的的特性：粘性系系数随温温度的升升高显著著降低，例例如：MMobiilEAL 222 在在40 时粘性性系数可可达233cStt，当温温度达到到1000 时粘性性系数降降低到4

22、4.7ccSt，粘粘性系数数的降低低会导致致其润滑滑性能显显著降低低，也就就是说当当压缩机机的排气气温度太太高时，润润滑油的的润滑性性能变差差，不能能保证压压缩机的的充分润润滑。各压缩机生生产厂家家对压缩缩机的工工作范围围都有一一个限定定，规定定压缩机机的排气气温度和和排气饱饱和温度度（近似似为冷凝凝温度）如如： Copellandd规定其其排气温温度最高高上限为为1100，排气气饱和温温度为：涡旋压压缩机660 ，全封封活塞压压缩机为为60，半封封活塞压压缩机为为60， 最最先进的的Diccus压压缩机也也为600 。Bitzeer规定定其排气气温度为为：半封封活塞和和螺杆压压缩机的的安全排

23、排气饱和和温度为为70，采用用喷液冷冷却的压压缩机安安全排气气饱和温温度为775，即使使采用机机外油冷冷却喷喷液冷却却的开启启式压缩缩机的安安全排气气饱和温温度为880 ，当然然，此时时经济性性效率已已经很差差了。为Carrrie和和Traane提提供压缩缩机的CCarllylee的066D/EE压缩机机的安全全排气温温度1005， 安安全的排排气温度度与排气气饱和温温度温差差为300 ，即安安全排气气饱和温温度只不不过755，专业业制造专专用压缩缩机的FFrassColld的压压缩机在在这方面面也没有有什么突突破。综观以上著著名压缩缩机厂家家的压缩缩机，安安全经济济的排气气饱和温温度最高高也就在在75，就算算假定系系统设计计效率非非常高，排排气没有有压力损损失（一一般要有有1的压力力损失），最最大的冷冷凝器的的冷凝压压力也只只能达到到75 ，要保保持一个个