地源热泵的工作原理及技术经济性分析

一、什么是地源热泵

　　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。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。热泵机组的能量流动是利用其所消耗的能量（如电能）将吸取的全部热能（即电能+吸收的热能）一起排输至高温热源。而其所耗能量的作用是使制冷剂氟里昂压缩至高温高压状态，从而达到吸收低温热源中热能的作用。请参见能流图所示。

　　通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到5kW以上的热量或4kW以上冷量，所以我们将其称为节能型空调系统。
　　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、加拿大及法国、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。
二、地源热泵国内外发展近况

　　地源热泵的历史可以追朔到1912年瑞士的一个专利，欧洲第一台热泵机组是在1938年间制造的。它以河水低温热源，向市政厅供热，输出的热水温度可达60oC。在冬季采用热泵作为采暖需要，在夏季也能用来制冷。1973年能源危机的推动，使热泵的发展形成了一个高潮。目前，欧洲的热泵理论与技术均已高度发达，这种“一举两得”并且环保的设备在法、德、日、美等发达国家业已广泛使用。如美国，截止1985年全国共有14,000台地源热泵，而1997年就安装了45，000台，到目前为止已安装了400，000台，而且每年以10%的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%，其中有新建筑中占30%。美国地源热泵工业已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组成的美国地源热泵协会，该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。美国计划到2001年达到每年安装40万台地源热泵的目标，届时将降低温室气体排放1百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树1百万英亩，年节约能源费用达4.2亿美元，此后，每年节约能源费用再增加1.7亿美元。
　　与美国的地源热泵发展有所不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，地下土壤埋盘管（埋深<400米深）的地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1999年的统计，为家用的供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。
　　我国的地源热泵事业近几年已开始起步，而且发展势头看好。天津大学、清华大学分别与有关企业结成产学研联合体开发出中国品牌的地源热泵系统，已建成数个示范工程，越来越多的中国用户开始熟悉地源热泵，并对其应用产生了浓厚的兴趣，可以预计中国的地源热泵市场前景广阔。之所以对中国的地源热泵市场发展前景持乐观态度，一方面是要节约常规能源、充分利用可再生能源的国内外大趋势；另一方面，我国具有较好的热泵科研与应用的基础，早在50年代，天津大学热能研究所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究，1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。重庆建筑大学、天津商学院等单位对地下埋盘管的地源热泵也进行了多年的研究。在中国科学院广州能源研究所等单位还多次召开全国性的有关热泵技术发展与应用的专题研讨会。
三、地源热泵特点

1.属可再生能源利用技术
　　地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能（Earth Energy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。
2.属经济有效的节能技术 　　地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。
　　据美国环保署EPA估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30～40%的供热制冷空调的运行费用。
3.环境效益显著　　地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量；属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此，制冷剂泄漏机率大为减少。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。
4.一机多用，应用范围广　　地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。
　　此外，机组使用寿命长，均在15年以上；机组紧凑、节省空间；维护费用低；自动控制程度高，可无人值守。
　　当然，象任何事物一样，地源热泵也不是十全十美的，如其应用会受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响；一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同；采用地下水的利用方式，会受到当地地下水资源的制约，实际上地源热泵并不需要开采地下水，所使用的地下水可全部回灌，不会对水质产生污染。
四、工作原理与分类

热泵工作原理 　　作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低温。但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低，这也是热泵的节能特点。

　　热泵与制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的，对蒸汽压缩式热泵（制冷）系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成：
　　压缩机起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏；
　　蒸发器是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的；
　　冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；
　　膨胀阀或节流阀对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。
　　根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。
热泵分类　　热泵是需要冷凝器的热量，蒸发器则从环境中取热，此时从环境取热的对象称为热源；相反制冷是需要蒸发器的冷量，冷凝器则向环境排热，此时向环境排热的对象称为冷源。
　　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。这样热泵或制冷机根据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。
　　利用空气作冷热源的热泵，称之为空气源热泵。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。但由于地区空气温度的差别，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。
　　利用水作冷热源的热泵，称之为水源热泵。水是一种优良的热源，其热容量大，传热性能好，一般水源热泵的制冷供热效率或能力高于空气源热泵，但由于受水源的限制，水源热泵的应用远不及空气源热泵。
地源热泵工作原理及分类 　　地源热泵则是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。




　　地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中水源热泵机主要有两种形式：水—水式或水—空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。
　　地源热泵同空气源热泵相比，有许多优点：（1）全年温度波动小。冬季温度比空气温度高，夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵，一般可高于40%，因此可节能和节省费用40%左右。（2）冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失。（3）地源有较好的蓄能作用。
地源分类 　　地源按照室外换热方式不同可分为三类：
　　1.土壤埋盘管系统，2.地下水系统，3.地表水系统。
　　根据循环水是否为密闭系统，地源又可分为闭环和开环系统。
闭环系统
　　如埋盘管方式 （垂直埋管或 水平埋管），地表水安置换热器方式。
　　开环系统如抽取地下水或地表水方式。
　　此外，还有一种“直接膨胀式”，它不象上述系统那样采用中间介质水来传递热量，而是直接将热泵的一个换热器（蒸发器）埋入地下进行换热。
五、地源热泵应用方式

　　地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类，从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。
家用系统 　　用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应，多用于小型住宅，别墅等户式空调。

集中系统
　　热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。

分散系统　　用中央水泵，采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源，用户单独使用自己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等，此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上，便于计量，适用于目前的独立热计量要求。
混合系统

　　将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。
　　南方地区，冷负荷大，热负荷低，夏季适合联合使用地源和冷却塔，冬季只使用地源。北方地区，热负荷大，冷负荷低，冬季适合联合使用地源和锅炉，夏季只使用地源。这样可减少地源的容量和尺寸，节省投资。
　　分散系统或混合系统实质上是一种水环路热泵空调系统形式。
水环路热泵空调系统

　　冬季运行：全部或大多数机组为供热，供热源（地源或加热源）把热量补充到水环路。水环路热泵空调系统除具有显著节能特点外，还具有以下特点：
　　1 节省占地：不设大的冷冻机房，没有冷却塔系统。
　　2 能源费用单独计量：由各部门、住户或单位独立承担，能源费用计量简单且公平，符合当前的能源费用独立计量方法。
　　3 调节灵活：每台热泵空调机在任何时间可以选择供冷或供热。
　　4 灵活应用：能灵活充份地满足建筑物各个区的需要，并随时可以更改用途。
六、技术经济性

　　地源热泵既能供暖又能空调，既环保又节能，但地源热泵是否具有经济竞争性仍然是一个非常关键的问题。由于涉及的因素很多，不同地区，不同能源结构及价格等都将直接影响地源热泵的经济性，这里仅通过对地源热泵与传统的供暖空调方式进行比较，探讨其经济性。
　　地源热泵供暖经济性可以和传统燃煤、燃油和天然气锅炉进行比较，地源热泵空调经济性可以和单冷空调进行比较，及其供暖空调综合经济性的比较。评价的主要指标有：初投资、成本，及现金流量表相关经济参数的评价。
经济参数　　1 初投资：指供暖空调系统各部分投资之和，包括有：土建费、设备购置费、安装费及其它费用（包括设计费、监理费和不可预见费）。
　　2 年总成本：指系统各部分的运行费，如水费、电费、燃料费；排污费；管理人员工资、管理费；设备折旧费和设备维修、大修费等。
　　3 年经营成本：指年总成本中扣除设备折旧费。
　　4 单位面积经营成本：用年经营成本除以供暖或空调面积来计算。
　　5 单位热（冷）量经营成本：用年经营成本除以供暖累积热负荷或空调累积冷负荷来计算。
　　6 现金流量表：采用现金流量表方法计算投资项目的有关经济性指标，如财务内部收益率，财务净现值（NPV）及投资回收期（Pt）。
　　 对一投资项目，如财务内部收益率大于基准收益率，财务净现值NPV>0，表明项目盈利能力满足了行业最低要求，项目在财务上是可以接受的；如NPV<0，则表示未能达到预定的收益，表示可以不考虑此项目。
　　投资回收期评价方法：如项目的全部投资回收期小于行业基准投资回收期，表明项目投资能按时收回，投资回收期越小，表明经济性越优。
计算条件 　　1 选取天津地区住宅楼为计算对象，供暖热指标取50w/m2，空调冷指标取80w/m2。
　　2 地源热泵冬季供暖制热系数4.00，夏季空调制冷系数4.50，单冷空调制冷系数取3.20。

　　3 经济参数有：地下水资源费（0.04元/吨），电价（0.5元/度），各种燃料的热值及价格（见右表），软化水费，排污费，工人工资，利率，设备使用年限等。
　　4 供暖空调收费标准，国内北方地区有供暖收费标准，如天津地区为18.5元/m2，但空调没有收费标准。将来供暖空调要改为“计量收费”，以热（冷）量为收费单位，如南方某地出台以0.28元/kw.h冷量为收费标准。
分析比较　　1 初投资比较，初投资中包括了从冷热源到管网到室内终端的所有投资项。见图1，热泵的初投资高于锅炉，但从总初投资看，由于地源热泵可供暖供冷，一机两用，一次投资全年使用，节省了冬季供暖的投资，因此地源热泵的初投资要低于锅炉加空调系统的总投资。
　　2 供暖成本比较，见图2，煤锅炉供暖成本最低，其次是地源热泵、天然气锅炉，油锅炉最高。以地源热泵为基准比较各方案供暖成本，煤锅炉比地源热泵低30%左右，而天然气锅炉要高40%左右，油锅炉要高70%左右。
　　3 空调成本比较，地源热泵的空调运行成本要低于单冷空调，低约30%左右。
　　4 从净现值看，收费标准0.28元/kw.h时（图3），各供暖空调方案的净现值均小于0，只有煤锅炉当供暖面积大于一定值时净现值才大于0，说明按0.28元/kw.h的收费标准，只有燃煤锅炉具有一定经济效益。如果加大收费标准，如定为0.4元/kw.h，重新计算各方案的净现值（图4）、收益率（图5）和投资回收期（图6），可以得到燃煤锅炉和地源热泵供暖的净现值均大于0，内部收益率大于基准收益率8%，以及投资回收期小于10年，此时燃煤锅炉和地源热泵供暖经济上是可行的。相比之下，由于单冷空调经济性明显低于地源热泵空调，所以燃煤锅炉供暖加单冷空调方案的经济性要低于地源热泵供暖空调，说明了地源热泵一机两用，既供暖又空调的经济优势。
　　对地源热泵方案与燃煤、燃油和燃气锅炉加单冷空调各方案的综合经济性（净现值均，收益率，投资回收期）进行比较，地源热泵为最优方案，其次依次是燃煤、天然气和油锅炉加单冷空调系统。
　　以上是“单位热（冷）量收费标准”的计算结果，对经营者来说，供应的热（冷）量越多，所收取的费用将越多，并且供暖空调的成本相对越低，因此其经济效益将越高，这类似于电力的供应，电厂供应的电力越多，效益将越高。因此不同建筑物，不同的供热（冷）量，经营者的经济效益将不同，不能照搬本文的计算结果。应针对具体的建筑物类型、用途，当地的气象资料，当地的各种能源价格及供暖空调的收费标准来进行可行性研究，以确定何种供暖空调方式为最经济方案。
　　对传统的“单位面积收费标准”，由于供应的建筑物面积是确定的，向用户收取的采暖空调费用是固定的，因此对经营者来说，供应的热（冷）量越少，其效益就越高。这与“计量收费”的效果正相反，但采用“计量收费”是有利于用户和有利于节能的。







七、工质替代

　　作为空调和热泵的主导工质HCFC22淘汰在即，因难以找到HCFC22 性能相当的单一替代物质，采用混合工质替代方案已成共识。国际上迄今提出的HCFC22替代物主要为R410A和R407C，它们的ODP均为0，已经在不少场合获得应用。然而它们不仅在热力性能上与HCFC22有明显差距而且还因具有较大的温室效应势GWP而受限于京都协议。
　　从温室效应的角度出发，人们又将研究目光放在了来源于自然又可回归自然的自然工质上。自然工质包括碳氢化合物、氨、CO2、空气等，它们的ODP为零、GWP在与CO2相同量级的水平上。有研究认为，氨及碳氢化合物是最有前途的CFC、HCFC和HFC的替代物。但也有观点认为，那些所谓的天然制冷剂，由于不稳定性和存在爆炸的危险，使得它们在空调工业中被限制使用。另外，国内外也已经开始对CO2跨（超）临界循环进行新一轮的研究。
　　ASHRAE给出了一些可长期替代R22的混合工质，见表1。ARI也推荐了一些替代R22的单工质和混合工质，见表2。