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

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（Air Source Heat Pump， ASHP）和地源热泵（Ground Source Heat Pump， 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。

此外，冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这样在地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。但由于受水文地质的限制，水源热泵的应用远不及空气源热泵。

3 地源热泵常见形式

地表土壤和水体是一个巨大的太阳能集热器，收集近47%的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500 倍还多。地下的水体通过土壤间接地接受太阳辐射能量，而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散相对的均衡，这使得利用储存于其中的似乎无限的太阳能（或称地能）成为可能，所以说地源热泵是利用可再生能源的一种有效途径。

与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50～60％。因此，近十几年来，尤其是近五年来，地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，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。

地源热泵根据对低温热源的利用方式的不同，可以分为闭式系统和开式系统两种。

闭式系统指在水侧为一组闭式循环的换热套管，该组套管一般水平或垂直埋于地下或地表水域中，通过与土壤或地表水域水换热来实现能量转移（其中埋于土壤中的系统又称土壤源热泵，埋于海水中的系统又称海水源热泵），见图2。

开式系统指从地下抽水或地表抽水后经过换热器直接排放的系统（地下水热泵系统和地表水热泵系统一般又称为水源热泵系统），见图3。

图4，图5为一国外品牌热泵水系统流程图，分别表示出地源热泵夏季、冬季运转时管路切换情况。

图2 闭式系统

图3 开式系统

图4 地源热泵夏季运转

图4 地源热泵冬季的运转

4 地源热泵系统在应用中存在的问题

虽然几年来地源热泵系统在我国得到了发展，但是，应用这种地源热泵系统也受到许多限制。

·使用地下水的热泵系统（开式系统）

这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。因此在决定采用地下水热泵系统之前，一定要做详细的水文地质调查，并先打勘测井，以获取地下温度、地下水深度、水质和出水量等数据。地下水热泵系统的经济性与地下水层的深度有很大的关系。如果地下水位较低，不仅成井的费用增加，运行中水泵的耗电将大大降低系统的效率。此外，虽然理论上抽取的地下水将回灌到地下水层，但目前国内地下水回灌技术还不成熟，在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度，从地下抽出来的水经过换热器后很难再被全部回灌到含水层内，造成地下水资源的流失。

·使用地表水的热泵系统（开式系统）

地表水热泵系统的热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大体量自然水体的地方利用这些自然水体作为热泵的低温热源是值得考虑的一种空调热泵的型式。当然，这种地表水热泵系统也受到自然条件的限制。此外，由于地表水温度