地源热泵及其对锅炉的替代

地源热泵及其对锅炉的替代1引言

随着全球能源的日趋紧张，节能降耗要求日益紧迫。表1为地球可利用能源数量及使用年限的列表，可见人类能源节约是关系到人类可持续发展的关键因素。节能降耗，不能只是停留在政府政府宣传和倡导上，政策和法规或许是解决该问题的最好办法。表1地球可用能源统计敞种类项目宰煤灭石油映天然气僻备注式总储量之7691杨.8衔0苗亿漂t陵105.尺2捉亿嘉t补3010洞0壳0晋亿单m红3笛截乐止弱9稳6翁年与1有2贱月处可开采量愁310迎0茎亿削t境5沃3砖亿绑t珠1810捕0歪0忧亿碧m坦3敬估计值飞已开采量芽约活12趴0统亿杜t劲约粉15.1存3碍亿冠t遍约挤510手0疏亿节m烂3徐不准确数笔据绵人均余量榜21抚2促（据t/准p描）榴2.7湿助（奉t/你p缸）营1292牺9m却3盏/p记

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楼宇系统日常运行能耗中，空调、取暖系统占有半壁江山。如何减少能源消耗，降低楼宇运营成本，是国家和工程设计人员的主要工作和任务之一。目前主要从两个方面着手解决楼宇节能降耗的问题：·

开发和使用隔热性能好的新型建筑材料，减少维护结构传热，如：隔热门窗结构，环保隔热墙体等，这是我国建设部极力支持和推广的建筑节能方法之一。·

提高能源综合利用效率、加强能量回收利用（充分利用废热、废冷，提高机组效率等）技术的发展，是节能降耗的重要突破环节。

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵利用地能一年四季温度稳定的特性，冬季把地能作为热泵供暖的热源，夏季把地能作为空调的冷源；即在冬季把高于环境温度的地能中的热能取出来供给室内采暖，夏季把室内的热能取出来释放到低于环境温度的地能中。

通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW左右的热量或冷量。在节能环保要求日益提高的今天，地源热泵空调系统正以其不可替代的优势，越来越受到人们的重视。2地源热泵的基本原理

根据热工学理论，热泵系统能够将低温热量提升至高温热量。图1为常见的空调机组系统原理示意图，制冷主要是利用蒸发器吸收热量，热泵是利用冷凝器散发热量，当然，系统运转的同时需外部能量的输入。蒸发器从环境中取热，此时从环境取热的对象称为热源；冷凝器则向环境排热，此时向环境排热的对象称为冷源。图1制冷、热泵示意图蒸发器、冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同，主要分为空气换热和水换热两种形式。根据热泵（或制冷机）与环境换热介质的不同，可分为水—水式，水—空气式，空气—水式，和空气—空气式共四类。

我们将具有热泵功能的制冷系统常常称为热泵，以突出其产生可利用热能的功能。若按照其冷热源的性质来分，国外的文献通常把它们分为空气源热泵（AirSourceHeatPump，ASHP）和地源热泵（GroundSourceHeatPump，GSHP）两大类。

空气源热泵利用空气作冷热源的热泵，称之为空气源热泵。在供热工况下将室外空气作为低温热源，从室外空气中吸收热量，经热泵提高温度送入室内供暖。空气源热泵有着悠久的历史，而且其安装和使用都很方便，应用较广泛。

空气源热泵的主要缺点是在夏季高温和冬季寒冷天气时热泵的效率大大降低。而且，其制热量随室外空气温度降低而减少，这与建筑热负荷需求趋势正好相反。此外，在供热工况下空气源热泵的蒸发器上会结霜，需要定期除霜，这也消耗大量的能量。在寒冷地区和高湿度地区热泵蒸发器的结霜可成为较大的技术障碍。在夏季高温天气，由于其制冷量随室外空气温度升高而降低，同样可能导致系统不能正常工作。

空气源热泵不适用于寒冷地区，在我国典型应用范围是长江以南地区。在华北地区，冬季平均气温低于零摄氏度，空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳定性差，而且因为存在结霜问题，效率低下。

地源热泵利用大地（土壤、地表水、地下水）作为热源的热泵，称之为“地源热泵”。由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，且效率大大提高。短

名笛此外，冬芽季通过热帽泵把大地谁中的热量躲升高温度袭后对建筑肉供热，同幸时使大地王中的温度配降低，即凝蓄存了冷滚量，可供猫夏季使用瞎；夏季通搬过热泵把它建筑物中泪的热量传转输给大地焰，对建筑曲物降温，助同时在大贩地中蓄存疲热量以供燃冬季使用准。这样在箭地源热泵校系统中大韵地起到了薪蓄能器的就作用，进昏一步提高睬了空调系江统全年的割能源利用愤效率。但键由于受水晃文地质的马限制，水绸源热泵的洪应用远不宅及空气源霜热泵。筹3僻纪地源热泵域常见形式未

渴奸地表土壤驱和水体是计一个巨大显的太阳能于集热器，必收集桐近孩47乓%期的太阳辐萌射能量，谱比人类每川年利用能限量坟的挺500尖岂倍还多。枪地下的水去体通过土烦壤间接地怖接受太阳亦辐射能量遵，而且是石一个巨大签的动态能添量平衡系羞统，地表锁的土壤和蜓水体解自然地保灶持能量接记受和发散锤相对的均不衡，这使复得利用储秤存于其中宝的似乎无爽限的太阳斤能（或称添地能）成点为可能，细所以说地纤源热泵是坛利用可再硬生能源的撑一种有效姓途径。勉

歼欲与锅炉（直电、燃料顾）供热系矛统相比，加锅炉供热搜只能黄将喂90命%镜以上的电菜能辞或讨7摸0秘～愤90木%盲的燃料内织能转化为材热量，供肉用户使用施，因此地很源热泵要垂比电锅炉同加热节省漏三分之二舞以上的电蓝能，比燃评料锅炉节矮省二分之洽一以上的州能量；由触于地源热谊泵的热源上温度全年铺较为稳定迁，一般若为发1壮0匀～刘2慎5骑℃恳，其制冷膊、制热系慈数可稼达晒3.瓦5舅～她4.荒4卷，与传统静的空气源馆热泵相比夹，要高悼出按40芬%播左右，其断运行费用辩为普通中弟央空调族的帖5策0下～筛6批0输％。因此誓，近十几晓年来，尤愁其是近五桨年来，地劝源热泵空钉调系统在旁北美如美纠国、加拿顾大及中、全北欧如瑞鄙士、瑞典鸭等国家取迎得了较快企的发展，犹中国的地诵源热泵市野场也日趋陪活跃，可惩以预计，习该项技术五将会成助为犁2予1掠世纪最有步效的供热休和供冷空沫调技术硬。差舍

秀陆地源热泵森根据对低蝶温热源的内利用方式粘的不同，旋可以分为才闭式系统袖和开式系余统两种。服

市吸闭式系牌统盟冬指在水侧天为一组闭减式循环的似换热套管衔，该组套摘管一般水喇平或垂直朵埋于地下搂或地表水车域中，通装过与土壤丢或地表水合域水换热种来实现能泉量转移（垒其中埋于秋土壤中的川系统又称耕土壤源热年泵，埋于讲海水中的拣系统又称妙海水源热笼泵），见淹图储2支。叼

烂寄开式系协统锣捎指从地下园抽水或地皇表抽水后训经过换热搁器直接排皇放的系统娘（地下水捉热泵系统尘和地表水系热泵系统稀一般又称剂为水源热太泵系统）鉴，见斯图于3偶。共

诊袋图信4愉，穴图嫁5宝为一国外析品牌热泵表水系统流均程图，分闲别表示出避地源热泵挨夏季、冬句季运转时加管路切换株情况。尤图顺2孝参闭式系统饰图坊3否块开式系统端图忌4塌亲地源热泵徐夏季运转窄图宜4桨鹊地源热泵斩冬季的运女转馋4认炼地源热泵性系统在应革用中存在斯的问题计

互活虽然几年辆来地源热谎泵系统在岛我国得到迷了发展，三但是，应含用这种地祥源热泵系殊统也受到伸许多限制两。门·

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固州使用地下歇水的热泵歇系统（开咐式系统）鱼

悼蜡这种系统稼需要有丰怖富和稳定臭的地下水含资源作为犬先决条件般。因此在详决定采用渠地下水热电泵系统之坟前，一定藏要做详细毛的水文地旱质调查，寸并先打勘树测井，以足获取地下数温度、地供下水深度摸、水质和础出水量等谣数据。地掠下水热泵旧系统的惯经济性与省地下水层模的深度有末很大的关详系。如果中地下水位禁较低，不渡仅成井的筐费用增加萝，运行中越水泵的耗为电将大大身降低系统滥的效率。厨此外，虽认然理论上耽抽取的地馋下水将回筒灌到地下现水层，但衣目前国内区地下水回坡灌技术还姿不成熟，味在很多地悉质条件下颂回灌的速雕度大大低穗于抽水的欢速度，从挠地下抽出勒来的水经已过换热器桑后很难再施被全部回计灌到含水央层内，造纤成地下水足资源的流绑失废。闹系·

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完陈使用地表逐水的热泵矛系统（开肉式系统）烤

蠢辽地表水热面泵系统的伴热源是池饰塘、湖泊勿或河溪中殿的地表水型。在靠近曲江河湖海浴等大体量符自然水体肆的地方利陈用这些自忌然水体作板为热泵的浓低温热源耕是值得考匆虑的一种郊空调热泵撇的型式。缺当然，这潮种地表水迫热泵系统码也受到自滤然条件的汗限制。此搅外，由于茧地表水温幼度受气唱候的妄影响较大准，与空气铜源热泵类乔似，当环涂境温度越葱低时热泵抛的供热量砖越小，而窗且热泵的弊性能系数盒也会降低诸。一定的过地表水体羽能够承担傻的冷热负持荷与其面三积、深度快和温度等落多种因数透有关，需装要根据具消体情况进叛行匀计算。这赔种热泵的浩换热对水腹体中生态授环境的影彩响有时也求需要预先劈加以考虑胳。兰筛·

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贷纠使用土壤削热源热泵微（闭式系杰统）荒

丝弓土壤埋管旱式热泵系丛统在冬季军供热过程绑中，栽热袜介质从地粱下收集热王量，再通悲过系统把植热量带到堡室内。夏姥季制冷时凳系统逆向懂运行，即界从室内带晶走热量，兼再通过系冤统将热量棋送到地下败岩土中。烘因此，土叛壤埋管式斥热泵系统爸保持了地藏下水热泵普利用大地杂作为冷热纽源的优点看，同时又惠不需要抽川取地下水仁作为传热挤的介质。航它是一种胜可持续发埋展的建筑稼节能新技额术。但这彻种地源热蜂泵系统对准土壤换热敞器的材质鸽及地质结袄构的要求捧比较高，统同时埋设前换热器需磁要较大的蓄场地，系肆统投资也些较其它方挡式要高，排所以这种满系统一般渐应用于面阁积比较小筑的居住类订单体建筑任，在大型鲁工程中应语用相对困恰难。蹲

劫壳在国外，腿地源热泵排的主要研恰究和应用用对象还是似土壤源热顶泵系统，致国内理论匆研究和实狂验研究的吐重点也是防如此。然茫而，土壤词源热泵系挨统远比地救下水热泵婆系统和地诱表水热泵岸系统复杂珠，一次投驼资相对较竞高晴5肠逃地源热泵泳对锅炉的点替代划5.1截炮地源热泵狮对锅炉替魂代的可行没性舞

鸡漆北方（如葱北京、天逐津等）一券些大中型塑城市政府堂出于减少蔑污染，保帮护环境的抹目的，相血继出台了馅进行燃煤连锅炉改造咏的政策。踩地源热泵咐由于具有透一体解决职供冷、供晌暖、洁净亿、环保节椒能和运行限稳定可靠旱的优点，列运行费用触仅与燃煤盐锅炉相当麦，远远低询于一般燃骄气、燃油帮锅炉和溴趴化锂吸收曲机组，成貌为燃煤锅零炉替代的篇一个很好捕的选择，胶在旧有锅跳炉供暖系套统改造中其受到人们疫的青睐。镜表呀2坊为几种供膀热方式的绍对比号。束

些表瓜2少悬几种供热咐方式对比贤供热方式瓶一次能效页率泰E吩存在慕问题孤电热蒙0.33粪效率低、例不慰经济熔燃煤锅炉共0.6怖污染、效把率低颜燃油（气讽）锅炉筹0.8用污染、不毁安全牌太阳能螺/迟成本高、环可靠性差榨、热值低用风冷热泵堂（电动）然0.99阳可靠性差话、成本高敏地热直供山/宏利用率、寻浪费雾地源热泵碌>1.3值

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粮烧在旧有锅勤炉供暖系式统改造计陆划中，人易们非常希层望新采用企的地源热纵泵机组能第够最好直阅接取代锅三炉，仍利优用暖气片燃热水式循阳环进行供脆暖，这样晕涉及到的敌采暖改造肠就仅仅是伶锅炉房内誉的改造，脱旧有的室狮内暖气片讽供暖系统奥不做丝毫糖改变，这辉将会大大室降低改造狡工程量和犬改造费用偷。兆

农盘然而这种债采用地源板热泵直接供替代锅炉宅在实际工够程茄应用中是辰有以下条乞件限制的音：模·

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撞肿旧有的暖笋气系统的求供局/姓回水温度落一般杂是骨90/7给5治℃邀登这要求替糊代用的高展温热泵的师出水温度美要尽可能颗与其保持受一致或相释近，事实缺上地源热千泵的安全滥出水温度妥达不到这侦一点，即住使采用高着温冷员媒焰R134献a林盛，其安全桑经济的出贯水温度也呈仅枣在第5土5晚℃瓜～暗70斜华℃识之间，因啦此需要加拌大热水流胖量来补偿苗传热温差顺的减小。唱·

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舌府旧有的暖型气系统必橡须是相对吨较新的暖原气系统，吵结垢较少板才能保证若传热效果肥好。邪·

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临宽旧有的暖凭气系统必搂须是两管沟制系统，聋保证各房核间供暖一卵致，避免谊单管系统逝尾部暖气虹片供水温棚度过低。屠·

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脸心加大供水英量是受到向一定限制器的，必须木保证系统哨的水力条佩件在可行届的范围内铺，避免由寻于水量过测大造成的轻系统水力仿失调，导屑致暖气系以统噪音和急振动增大涉。哭

仍铁只有满足纽以上条件陪，采用高缴温水源热满泵机组直足接替代锅揭炉进行操判作才是可别行的，否吴则室内暖微气系统必赵须加以改令造，可以键通过加大棕暖气面积等、改为双灿管制增大辛供水管路葡实现。当预然，也可瞎以将暖气透系统改造翁为中央空靠调末端系肯统，同时陶解决夏天符供冷需要仆。造5.2爸指热泵机组套的供水温兽度问题身

昨惰热泵机组秘的热水供辰水温度由冶于受到制守冷剂、润拒滑油和压抹缩机的工令作范围（阅包括排气朴温度、排否气压力、遭回气温度愉和回气压欢力）的限者制，其温肿度不可能遇太高。丙

则秋高温型的炮水源热泵孙机组通常尸选植用胃R134法a铁作制冷剂斗，在同样拦的饱和温嘉度下阀，榨R134题a乘比招R2丧2碧有更低的决饱和压力矛，这也就塞意味着在穗压缩机和链换热器中拦同样的设圾计压力，威可以确保袍采黑用哨R134凉a从的机组有茎更高的冷炎凝温度，培可以向更吉高温度的跃热水里排另放冷凝热名，比起采线用寒R2职2水制冷剂的布热泵机组境，出水温巾度可以得责到一定的汪提高，但制其对应的斯冷凝温度览和蒸发温龟度还是有眨限制的。投

躬R134杰a汪敏又名四氟检乙烷，分驰子式胜为绞C披2响H孝2著F否4咸轮，分子屑量巩102.妖0床，标准沸洽点争-26.惧2豪℃污，凝固温仗度喝-101事.凝1足℃栗，承较临界温篇度添101.恋1兄℃震，废焦临界压用力抛4.06圆MP以a杆，步ODP捏=0姑坏，窄GWP=惯130感0姥。同样的暗冷凝压设力僵20ba每r居，来R134孕a蚀机组的冷迟凝温度脱达合67.股5银℃柱，伶袜而陵R2凡2屈机组的冷辫凝温度只蓬有先51.脱5夹℃千。然而果，陕R134级a青制冷剂单站位容积制啄冷量学比篮R2成2为约块低泡30%忍印，也就意质味着同样肿的机组采验用吵R134撞a淹，制冷剂扔制冷量要核比采袖用联R2添2塌制冷剂的刮机组制冷全量裕低萄2膜5房～供30艳%迹，另外，值采鬼用农R134退a能作制冷剂截，由枯于即R134扬a牛与矿物油沿的互溶性迷比较差，径需要采用础聚酯类油曾作润滑油孩，才有较田好的互溶吓性，这种狮润滑油就埋是通常所愚说仅的啦PO胆E军油，然采而坡PO终E毒有一个显次著的特性低：粘性系集数随温度温的升高显昨著降低，懂例如抢：克Mobi苹lEA瓜L22钉唐在柿4唱0哈℃吹介时粘性系寇数可科达饮23cS权t讯，当温度球达宅到净10攀0样℃您隶时粘性系错数降低堤到行4.7c句S隐t滑，粘性系姿数的降低悦会导致其捏润滑性能厌显著降低叫，也就是礼说当压缩域机的排气论温度太高腔时，润滑盛油的润滑燕性能变差碗，不能保胳证压缩机限的充分润鲜滑。册

仙摆各压缩机南生产厂家奋对压缩机焰的工作范赢围都有一甩个限定，轰规定压缩来机的排气预温度和排翼气饱和温数度（近似膊为冷凝温颗度）如淘：烤Cop陡elan里d隆规定其排技气温度最巧高上限触为桂11世0发℃姑，排气饱析和温度为堡：涡旋压所缩星机闯60眯朱℃永，全封活音塞压缩机鹿为技6艇0尸℃池，半封活慎塞压缩机踩为笼6荐0哭℃大，挡羊最先进周的禽Dicu在s女压缩机也羊为向60麦敌℃辱。袖Bitz舟e隔r冲规定其排蠢气温度为阻：半封活暴塞和螺杆芒压缩机的殊安全排气滔饱和温度使为宁7夸0削℃掀，采用喷佣液冷却的谱压缩机安依全排气饱删和温度律为旨7鹿5辛℃岛，即使采贸用机外油傲冷却＋喷教液冷却的艰开启式压驳缩机的安灵全排气饱火和温度咱为途80龄掉℃须，当然，言此时经济权性效率已应经很差了克。赖

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浙膝综观以上勿著名压缩浊机厂家的爽压缩机，爽安全经济泼的排气饱撇和温度最活高也就庙在恳7恰5毁℃竿，就算假损定系统设拘计效率非喷常高，排眨气没有压申力损失（蚀一般要指有凤1纸℃槐的压力损船失），最械大的冷凝洽器的冷凝惠压力也只担能达热到奥75梳乱℃吹役，要保持姜一个经济筝的冷凝