地源熱泵及其對鍋爐的替代

1、地源熱泵及其對鍋爐的替代1 引言 隨著全球能源的日趨緊張，節(jié)能降耗要求日益緊迫。表1為地球可利用能源數量及使用年限的列表，可見人類能源節(jié)約是關系到人類可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素。節(jié)能降耗，不能只是停留在政府政府宣傳和倡導上，政策和法規(guī)或許是解決該問題的最好辦法。表1 地球可用能源統計種類項目煤石油天然氣備注總儲量7691.80億t105.2億t301000億m3截止96年12月可開采量3100億t53億t181000億m3估計值已開采量約120億t約15.13億t約5100億m3不準確數據人均余量212（t/p）2.7 （t/p）12929 m3/p人均年耗量0.67 （t/p.y）0.063 （t

2、/p.y）18 m3/p.y96年耗12.6億噸標準煤可用年數316（y）43 （y）718 （y）可延至年份2312年2039年2714年 樓宇系統日常運行能耗中，空調、取暖系統占有半壁江山。如何減少能源消耗，降低樓宇運營成本，是國家和工程設計人員的主要工作和任務之一。目前主要從兩個方面著手解決樓宇節(jié)能降耗的問題： 開發(fā)和使用隔熱性能好的新型建筑材料，減少維護結構傳熱，如：隔熱門窗結構，環(huán)保隔熱墻體等，這是我國建設部極力支持和推廣的建筑節(jié)能方法之一。 提高能源綜合利用效率、加強能量回收利用（充分利用廢熱、廢冷，提高機組效率等）技術的發(fā)展，是節(jié)能降耗的重要突破環(huán)節(jié)。 地源熱泵是一種利用地下淺層

3、地熱資源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調系統。地源熱泵利用地能一年四季溫度穩(wěn)定的特性，冬季把地能作為熱泵供暖的熱源，夏季把地能作為空調的冷源；即在冬季把高于環(huán)境溫度的地能中的熱能取出來供給室內采暖，夏季把室內的熱能取出來釋放到低于環(huán)境溫度的地能中。 通常地源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW左右的熱量或冷量。在節(jié)能環(huán)保要求日益提高的今天，地源熱泵空調系統正以其不可替代的優(yōu)勢，越來越受到人們的重視。2 地源熱泵的基本原理 根據熱工學理論，熱泵系統能夠將低溫熱量提升至高溫熱量。圖1為常見的空調機組系統原理示意圖，制冷主要是利用蒸發(fā)器吸收熱量，熱泵是利用

4、冷凝器散發(fā)熱量，當然，系統運轉的同時需外部能量的輸入。蒸發(fā)器從環(huán)境中取熱，此時從環(huán)境取熱的對象稱為熱源；冷凝器則向環(huán)境排熱，此時向環(huán)境排熱的對象稱為冷源。圖1 制冷、熱泵示意圖蒸發(fā)器、冷凝器根據循環(huán)工質與環(huán)境換熱介質的不同，主要分為空氣換熱和水換熱兩種形式。根據熱泵（或制冷機）與環(huán)境換熱介質的不同，可分為水水式，水空氣式，空氣水式，和空氣空氣式共四類。 我們將具有熱泵功能的制冷系統常常稱為熱泵，以突出其產生可利用熱能的功能。若按照其冷熱源的性質來分，國外的文獻通常把它們分為空氣源熱泵（Air Source Heat Pump， ASHP） 和地源熱泵（Ground Source Heat Pu

5、mp， GSHP）兩大類。 空氣源熱泵利用空氣作冷熱源的熱泵，稱之為空氣源熱泵。在供熱工況下將室外空氣作為低溫熱源，從室外空氣中吸收熱量，經熱泵提高溫度送入室內供暖?？諝庠礋岜糜兄凭玫臍v史，而且其安裝和使用都很方便，應用較廣泛。 空氣源熱泵的主要缺點是在夏季高溫和冬季寒冷天氣時熱泵的效率大大降低。而且，其制熱量隨室外空氣溫度降低而減少，這與建筑熱負荷需求趨勢正好相反。此外，在供熱工況下空氣源熱泵的蒸發(fā)器上會結霜，需要定期除霜，這也消耗大量的能量。在寒冷地區(qū)和高濕度地區(qū)熱泵蒸發(fā)器的結霜可成為較大的技術障礙。在夏季高溫天氣，由于其制冷量隨室外空氣溫度升高而降低，同樣可能導致系統不能正常工作。 空

6、氣源熱泵不適用于寒冷地區(qū)，在我國典型應用范圍是長江以南地區(qū)。在華北地區(qū)，冬季平均氣溫低于零攝氏度，空氣源熱泵不僅運行條件惡劣，穩(wěn)定性差，而且因為存在結霜問題，效率低下。 地源熱泵利用大地（土壤、地表水、地下水）作為熱源的熱泵，稱之為“地源熱泵”。由于較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度，因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術障礙，且效率大大提高。 此外，冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對建筑供熱，同時使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣

7、在地源熱泵系統中大地起到了蓄能器的作用，進一步提高了空調系統全年的能源利用效率。但由于受水文地質的限制，水源熱泵的應用遠不及空氣源熱泵。3 地源熱泵常見形式 地表土壤和水體是一個巨大的太陽能集熱器，收集近47%的太陽輻射能量，比人類每年利用能量的500 倍還多。地下的水體通過土壤間接地接受太陽輻射能量，而且是一個巨大的動態(tài)能量平衡系統，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發(fā)散相對的均衡，這使得利用儲存于其中的似乎無限的太陽能（或稱地能）成為可能，所以說地源熱泵是利用可再生能源的一種有效途徑。 與鍋爐（電、燃料）供熱系統相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或7090%的燃料內能轉化為熱量，供用戶

8、使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量；由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為1025，其制冷、制熱系數可達3.54.4，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的5060。因此，近十幾年來，尤其是近五年來，地源熱泵空調系統在北美如美國、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發(fā)展，中國的地源熱泵市場也日趨活躍，可以預計，該項技術將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調技術。 地源熱泵根據對低溫熱源的利用方式的不同，可以分為閉式系統和開式系統兩種。 閉式系統 指在水側為一組閉式循環(huán)的換熱套管，該組套管一般水平或

9、垂直埋于地下或地表水域中，通過與土壤或地表水域水換熱來實現能量轉移（其中埋于土壤中的系統又稱土壤源熱泵，埋于海水中的系統又稱海水源熱泵），見圖2。 開式系統 指從地下抽水或地表抽水后經過換熱器直接排放的系統（地下水熱泵系統和地表水熱泵系統一般又稱為水源熱泵系統），見圖3。 圖4，圖5為一國外品牌熱泵水系統流程圖，分別表示出地源熱泵夏季、冬季運轉時管路切換情況。圖2 閉式系統圖3 開式系統圖4 地源熱泵夏季運轉圖4 地源熱泵冬季的運轉4 地源熱泵系統在應用中存在的問題 雖然幾年來地源熱泵系統在我國得到了發(fā)展，但是，應用這種地源熱泵系統也受到許多限制。 使用地下水的熱泵系統（開式系統） 這種系統需

10、要有豐富和穩(wěn)定的地下水資源作為先決條件。因此在決定采用地下水熱泵系統之前，一定要做詳細的水文地質調查，并先打勘測井，以獲取地下溫度、地下水深度、水質和出水量等數據。地下水熱泵系統的經濟性與地下水層的深度有很大的關系。如果地下水位較低，不僅成井的費用增加，運行中水泵的耗電將大大降低系統的效率。此外，雖然理論上抽取的地下水將回灌到地下水層，但目前國內地下水回灌技術還不成熟，在很多地質條件下回灌的速度大大低于抽水的速度，從地下抽出來的水經過換熱器后很難再被全部回灌到含水層內，造成地下水資源的流失。 使用地表水的熱泵系統（開式系統） 地表水熱泵系統的熱源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大

11、體量自然水體的地方利用這些自然水體作為熱泵的低溫熱源是值得考慮的一種空調熱泵的型式。當然，這種地表水熱泵系統也受到自然條件的限制。此外，由于地表水溫度受氣候的影響較大，與空氣源熱泵類似，當環(huán)境溫度越低時熱泵的供熱量越小，而且熱泵的性能系數也會降低。一定的地表水體能夠承擔的冷熱負荷與其面積、深度和溫度等多種因數有關，需要根據具體情況進行計算。這種熱泵的換熱對水體中生態(tài)環(huán)境的影響有時也需要預先加以考慮。 使用土壤熱源熱泵（閉式系統） 土壤埋管式熱泵系統在冬季供熱過程中，栽熱介質從地下收集熱量，再通過系統把熱量帶到室內。夏季制冷時系統逆向運行，即從室內帶走熱量，再通過系統將熱量送到地下巖土中。因此，

12、土壤埋管式熱泵系統保持了地下水熱泵利用大地作為冷熱源的優(yōu)點，同時又不需要抽取地下水作為傳熱的介質。它是一種可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能新技術。但這種地源熱泵系統對土壤換熱器的材質及地質結構的要求比較高，同時埋設換熱器需要較大的場地，系統投資也較其它方式要高，所以這種系統一般應用于面積比較小的居住類單體建筑，在大型工程中應用相對困難。 在國外，地源熱泵的主要研究和應用對象還是土壤源熱泵系統，國內理論研究和實驗研究的重點也是如此。然而，土壤源熱泵系統遠比地下水熱泵系統和地表水熱泵系統復雜，一次投資相對較高5 地源熱泵對鍋爐的替代5.1 地源熱泵對鍋爐替代的可行性 北方（如北京、天津等）一些大中型城市政府出

13、于減少污染，保護環(huán)境的目的，相繼出臺了進行燃煤鍋爐改造的政策。地源熱泵由于具有一體解決供冷、供暖、潔凈、環(huán)保節(jié)能和運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，運行費用僅與燃煤鍋爐相當，遠遠低于一般燃氣、燃油鍋爐和溴化鋰吸收機組，成為燃煤鍋爐替代的一個很好的選擇，在舊有鍋爐供暖系統改造中受到人們的青睞。表2為幾種供熱方式的對比。表2 幾種供熱方式對比供熱方式一次能效率E存在問題電熱0.33效率低、不經濟燃煤鍋爐0.6污染、效率低燃油（氣）鍋爐0.8污染、不安全太陽能/成本高、可靠性差、熱值低風冷熱泵（電動）0.99可靠性差、成本高地熱直供/利用率、浪費地源熱泵1.3 在舊有鍋爐供暖系統改造計劃中，人們非常希望新采用的地

14、源熱泵機組能夠最好直接取代鍋爐，仍利用暖氣片熱水式循環(huán)進行供暖，這樣涉及到的采暖改造就僅僅是鍋爐房內的改造，舊有的室內暖氣片供暖系統不做絲毫改變，這將會大大降低改造工程量和改造費用。 然而這種采用地源熱泵直接替代鍋爐在實際工程應用中是有以下條件限制的： 舊有的暖氣系統的供/回水溫度一般是90/75 這要求替代用的高溫熱泵的出水溫度要盡可能與其保持一致或相近，事實上地源熱泵的安全出水溫度達不到這一點，即使采用高溫冷媒R134a ，其安全經濟的出水溫度也僅在5570 之間，因此需要加大熱水流量來補償傳熱溫差的減小。 舊有的暖氣系統必須是相對較新的暖氣系統，結垢較少才能保證傳熱效果好。 舊有的暖氣系

15、統必須是兩管制系統，保證各房間供暖一致，避免單管系統尾部暖氣片供水溫度過低。 加大供水量是受到一定限制的，必須保證系統的水力條件在可行的范圍內，避免由于水量過大造成的系統水力失調，導致暖氣系統噪音和振動增大。 只有滿足以上條件，采用高溫水源熱泵機組直接替代鍋爐進行操作才是可行的，否則室內暖氣系統必須加以改造，可以通過加大暖氣面積、改為雙管制增大供水管路實現。當然，也可以將暖氣系統改造為中央空調末端系統，同時解決夏天供冷需要。5.2 熱泵機組的供水溫度問題 熱泵機組的熱水供水溫度由于受到制冷劑、潤滑油和壓縮機的工作范圍（包括排氣溫度、排氣壓力、回氣溫度和回氣壓力）的限制，其溫度不可能太高。 高溫

16、型的水源熱泵機組通常選用R134a作制冷劑，在同樣的飽和溫度下，R134a比R22有更低的飽和壓力，這也就意味著在壓縮機和換熱器中同樣的設計壓力，可以確保采用R134a的機組有更高的冷凝溫度，可以向更高溫度的熱水里排放冷凝熱，比起采用R22制冷劑的熱泵機組，出水溫度可以得到一定的提高，但其對應的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度還是有限制的。 R134a 又名四氟乙烷，分子式為C2H2F4 ，分子量102.0，標準沸點-26.2，凝固溫度-101.1， 臨界溫度101.1， 臨界壓力4.06MPa， ODP=0 ，GWP=1300。同樣的冷凝壓力20bar，R134a機組的冷凝溫度達67.5， 而R22機組的

17、冷凝溫度只有51.5。然而，R134a制冷劑單位容積制冷量比R22約低30% ，也就意味著同樣的機組采用R134a，制冷劑制冷量要比采用R22制冷劑的機組制冷量低2530%，另外，采用R134a作制冷劑，由于R134a與礦物油的互溶性比較差，需要采用聚酯類油作潤滑油，才有較好的互溶性，這種潤滑油就是通常所說的POE油，然而POE有一個顯著的特性：粘性系數隨溫度的升高顯著降低，例如：Mobil EAL 22 在40 時粘性系數可達23cSt，當溫度達到100 時粘性系數降低到4.7cSt，粘性系數的降低會導致其潤滑性能顯著降低，也就是說當壓縮機的排氣溫度太高時，潤滑油的潤滑性能變差，不能保證壓縮

18、機的充分潤滑。 各壓縮機生產廠家對壓縮機的工作范圍都有一個限定，規(guī)定壓縮機的排氣溫度和排氣飽和溫度（近似為冷凝溫度）如： Copeland規(guī)定其排氣溫度最高上限為110，排氣飽和溫度為：渦旋壓縮機60 ，全封活塞壓縮機為60，半封活塞壓縮機為60， 最先進的Dicus壓縮機也為60 。Bitzer規(guī)定其排氣溫度為：半封活塞和螺桿壓縮機的安全排氣飽和溫度為70，采用噴液冷卻的壓縮機安全排氣飽和溫度為75，即使采用機外油冷卻噴液冷卻的開啟式壓縮機的安全排氣飽和溫度為80 ，當然，此時經濟性效率已經很差了。 為Carrie和Trane提供壓縮機的Carlyle的06D/E壓縮機的安全排氣溫度105， 安全的排氣溫度與排氣飽和溫度溫差為30 ，即安全排氣飽和溫度只不過75，專業(yè)制造專用壓縮機的FrasCold的壓縮機在這方面也沒有什么突破。 綜觀以上著名壓縮機廠家的壓縮機，安全經濟的排氣飽和溫度最高也就在75，就算