地埋管地源熱泵系統(tǒng)和燃氣鍋爐（燃氣熱水機組） 在北方地區(qū)的冬季使用對比分析
北方地區(qū)大型建筑設計在冬季供熱方式上的選型取決于：1、初投資2、建筑的綠色LEED認證機構認可；3、可靠性；4、穩(wěn)定性；5、運行費用；6、維護容易。
盡管有很多方式可用來提供冬季供熱，但是北方地區(qū)超大建筑一般選擇水源熱泵空調和燃氣鍋爐這兩種供熱模式。
下面就這兩種供熱形式在這幾個方面做出分析。
一、 選型
1、水源熱泵空調
1.1概述
水源熱泵空調基于節(jié)能的理念被設計和使用，其實是夏季能供冷、冬季能供熱的特殊制冷機，主要適用于有自然江河湖泊的溫熱帶地區(qū)，取水口在江河湖泊的深處，受環(huán)境溫度影響小，制冷制冷效果好，實現(xiàn)節(jié)能減排。地埋管熱泵是水源熱泵的拓展使用，分為地埋管地源熱泵，土壤源熱泵、大地耦合式熱泵
①豎直埋管式地源熱泵，
②水平埋管式地源熱泵；
③豎直埋管＋水平埋管式地源熱泵。
1.2工作原理
地下水源熱泵因地下水位不穩(wěn)定、沉降問題以及回灌井問題，越來越被限制使用。而地埋管熱泵越來越得到推廣和使用，其工作原理為：
地埋管熱泵是地下水熱泵在中國地區(qū)使用的一個創(chuàng)新，在許多間距為5～8m，深度約為100m～300m左右的井孔中埋入∮32mm的PE管（豎直埋管式）；PE管與機房中的設備相連接，循環(huán)水經(jīng)PE管系統(tǒng)與地層巖土的熱交換實行夏供冷、冬供熱。理想狀態(tài)下，夏季供冷時，地源水做為熱泵機組的冷卻水進出冷凝器，把冷凝熱帶回地下的PE管換熱器中的循環(huán)水，使之與PE管周圍的土壤進行熱交換，實現(xiàn)冷卻塔的散熱功能。因為不受室外溫濕度影響，夏季制冷效果良好。冬季供熱時，地源水則做為熱泵機組的熱源水進出蒸發(fā)器，由于放出熱量而降低了溫度的地源水又回到地下PE管換熱器中，并使之與PE管周圍的土壤進行熱交換，因受地面環(huán)境溫度影響少，熱泵機組的冷凝器會產(chǎn)出45℃～60℃的熱水進行供熱。
1.3容易出現(xiàn)問題
因地埋管熱泵的環(huán)保性和節(jié)能性，在很多項目上得到推廣和使用。然而，由于地埋管系統(tǒng)采用地耦井鋪設循環(huán)水管路，存在以下工程隱患：
1）施工人員的技術水平與新國標《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》的規(guī)定相差甚遠，基本只是簡單地打壓檢漏。在使用過程中地耦井內的PE管一旦破裂，地層泥沙滲進來，影響系統(tǒng)使用。維修地耦井中的PE管，成本非常高昂。
2）設計方和建設方對于地耦井鋪設區(qū)域地質結構和熱平衡問題缺乏專業(yè)的技術支持，簡單劃片施工，在施工過程中因地質問題地耦井經(jīng)常無法按設計間距施工，地耦井內PE管散熱效果會受到影響。
3）缺乏有效的施工管理措施也決定了地埋管施工是否能夠達到設計標準。
4）在地埋管系統(tǒng)使用過程中，PE管內循環(huán)水厭氧菌和厭光菌的存在會產(chǎn)生管內生物污垢膜，影響換熱效果（肉眼觀察，白色的PE管逐漸變黑）。熱泵使用效果逐年衰減已經(jīng)是不爭的事實。
5）地埋管熱泵系統(tǒng)要求夏季向土壤中散熱與冬季從土壤中吸熱達到平衡，才能不影響土壤的熱平衡。這就要求在熱泵使用過程中，控制冬季和夏季的使用時間基本持平。
6）地埋管熱泵系統(tǒng)對于用戶側循環(huán)水流量要求非常嚴格，任何微量增大或減少都需經(jīng)過生產(chǎn)廠家和設計單位詳細計算才能實行，在天津地區(qū)出現(xiàn)過很多因為用戶末端空調設備改造需要水量調整而水（地）源熱泵廠家不同意的糾紛，越來越多的建設方發(fā)現(xiàn)了地源熱泵的使用限制。
但是因為熱泵生產(chǎn)廠家因為商業(yè)利益驅動采用多種營銷方式進行推廣，所以水地源熱泵在北方地區(qū)還是出現(xiàn)了很多初次使用的用戶。
2、燃氣鍋爐（或燃氣熱水機組）
鍋爐供熱是北方地區(qū)傳統(tǒng)的供熱方式，中小型燃氣鍋爐類型及結構如下：
燃氣熱水鍋爐是指以天然氣，液化氣等可燃性氣體為燃料，全自動供應熱水以滿足人們的采暖、洗浴等生活需要的鍋爐。隨著環(huán)境保護與節(jié)能減排意識在全社會的不斷深入，鍋爐及采暖系統(tǒng)的能源結構也呈現(xiàn)出相應的變化。燃氣熱水鍋爐因其具有的節(jié)能，環(huán)保．安全與自動運行等特點受到了廣泛的關注，目前已逐步取代傳統(tǒng)的燃煤鍋爐，成為了城市的主要供暖方式。
有效利用節(jié)能技術降低鍋爐的運行成本，在安全運行的前提下，盡可能延長其使用壽命，是鍋爐選型的重要內容。
一般說來，燃氣熱水鍋爐的種類很多，如按用途可分為采暖型與洗浴型；按構造可分為常壓式和承壓式；按結構可以為分為立式和臥式等，各種類的燃氣熱水鍋爐雖然在其構造與外形上有一定區(qū)別，但其工作原理和運行模式大體一致，因此其節(jié)能技術也相對具有普遍性。
2.1實現(xiàn)燃氣熱水鍋爐的節(jié)能運行，
首先必須提高鍋爐組(群)的運行效率，組(群) 的運行效率首先是由每臺鍋爐的平均運行 效率決定的，因此應選配比例調節(jié)燃燒機， 并保證其安裝規(guī)范、到位，確保在30％ ～ 100％負荷工況下，鍋爐平均運行效率接近 額定效率。
其次，由于每次鍋爐啟、停都要經(jīng)過吹掃，消耗燃氣；而待機時間內，鍋爐要面臨較大的熱量損失，因此應盡可能減少供暖期內各鍋爐的啟、停次數(shù)和待機時間，以提高群(組)的季節(jié)效率。
此外，還應考慮以下幾方面的問題：燃氣鍋爐的非機械故障搶修相對簡單，因此可不設備用鍋爐； 由于燃氣鍋爐在滿負荷狀態(tài)下具有較高的排煙溫度，因此應避免其在此狀態(tài)下工作， 以減少不必要的熱損失；多臺鍋爐運行時， 應采用集控系統(tǒng)進行統(tǒng)一的監(jiān)測和管理。 在提高管網(wǎng)輸送效率方面，由于外管網(wǎng)的水平失調和室內供暖系統(tǒng)的垂直失調損失的熱量所占比例很大，因此應采用水力平衡系統(tǒng)和室溫調控系統(tǒng)。
2.2選型中的節(jié)能問題
在鍋爐的選型中，應首先對用戶進行實際熱需求量進行調查，并掌握相關地區(qū)的鍋爐排放要求。在熱需求量確定后，按不同型號鍋爐的標準蒸發(fā)量進行選擇，并考慮不同氣源條件下鍋爐的熱值與壓力等參數(shù)。選型環(huán)節(jié)中的節(jié)能關鍵在于：應使鍋爐在組合后具有良好的可變負荷調節(jié)能力并使其負荷與出力相匹配。
2.3運行中的節(jié)能技術
目前較常見的燃氣鍋爐供熱節(jié)能技術常由氣候補償系統(tǒng)、煙氣冷凝熱回收系統(tǒng)、 水力平衡系統(tǒng)、 氣候補償系統(tǒng)是由兩級泵系統(tǒng)和電動三通閥、直供系統(tǒng)混水器、間供系統(tǒng)換熱器以及氣候補償器所組成的。該系統(tǒng)可根據(jù)室外溫度的變化控制和調節(jié)供水溫度，避免用戶室溫過高，能耗增加，并能實現(xiàn)對運行曲線的自動分段調整；根據(jù)每個鍋爐房的設備和圍護結構狀況，隨時調整二次用戶的供水溫度，并使鍋爐在較高的回水溫度下運行，避免冷凝水的出現(xiàn)，防止鍋爐腐蝕。煙氣冷凝熱回收系統(tǒng)則通過煙氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)與煙氣冷凝熱能回收裝置將鍋爐的排煙溫度降至70℃ 以下，數(shù)據(jù)顯示，通過降低煙溫并將水蒸氣冷凝成水，可綜合提高鍋爐效率的3％ ～ 8％，使其熱效率高達95％以上。燃氣鍋爐房供熱集控系統(tǒng)是通過對每臺鍋爐的各種參數(shù)和整個供熱系統(tǒng)參數(shù)的計算，得出理論鍋爐負荷值，并以此為依據(jù)調整鍋爐的實際負荷數(shù)以及開啟鍋爐。通過微機對鍋爐實施集中控制，使鍋爐房內的每臺鍋爐循環(huán)運行，根據(jù)系統(tǒng)的負荷率自動、定時切換運行鍋爐，從而在節(jié)能運行的基礎上，延長鍋爐使用壽命。
綜上所述，有效利用燃氣資源，應首先從認識燃氣鍋爐的工作規(guī)律入手，對其選型、設置、運行等諸多環(huán)節(jié)進行科學合理的規(guī)劃，并采取有針對性的節(jié)能處理方法，增加煙氣流動性，降低設備的腐蝕風險，以減少資源的消耗與大氣的污染。
鍋爐熱水系統(tǒng)因其腐蝕和溶氧問題的存在，造成鍋爐系統(tǒng)壽命降低，國內采用了軟水設備和脫氧設備以及其他水處理設備來延緩腐蝕。
二、初投資
1、地埋管地源熱泵
工程打孔數(shù)量多，孔深度約100-300m，打孔費用每延米約50～80元，地埋管部分前期投入成本較高。 對于大型建筑，如會展中心，規(guī)劃設計2600眼地耦井，按照每眼地耦井100米深，施工成本50米的造價，地埋管部分的工程成本為：2600X100X50=1300萬。
設備采購成本根據(jù)品牌不同而有高低差異，這里不做論述。
2、燃氣鍋爐
燃氣鍋爐房的設計和建造構成了工程成本，但無論在設計、施工及管理方面都很成熟，成本容易控制。
燃氣鍋爐生產(chǎn)廠家很多，選型及采購都比較簡單。進口品牌和國產(chǎn)品牌以及結構、效率不同，價格差距在3～5倍不等。
三、 運行費用
地埋管地源熱泵系統(tǒng)在大型公建項目冬季供熱時與燃氣鍋爐的運行費用，在初期使用時基本持平。五年以后，地源熱泵系統(tǒng)因地埋管側水質形態(tài)發(fā)生變化（水垢、微生物污泥附著在PE管內壁，PE管內循環(huán)水與土壤巖石換熱效率降低，制冷量和制熱量會出現(xiàn)大幅度衰減，運行費用反而出現(xiàn)增高。
所謂的地源熱泵節(jié)能是和其他電制冷取暖形式比較，從原理上應該比較節(jié)能，但因為地源熱泵受機組以外因素影響太多，所以是否能夠實現(xiàn)理論上的節(jié)能還有待于更多工程用戶的反饋信息。
燃氣鍋爐只要有效解決腐蝕和溶氧問題，運行費用不會出現(xiàn)高低起伏。
四、 穩(wěn)定性
地源熱泵系統(tǒng)在多系統(tǒng)運行中，因循環(huán)水流量及地耦井施工質量及壽命等原因容易導致運行不穩(wěn)定；同時，如果不能實現(xiàn)夏季與冬季對土壤巖石的熱平衡相對穩(wěn)定，地埋管熱泵就會出現(xiàn)周圍土壤巖石板結，出現(xiàn)無法實現(xiàn)向土壤巖石換熱的尷尬局面。另外，地耦井施工是很多地面建筑的基礎，出現(xiàn)無法檢修和維護的困境。
燃氣鍋爐或燃氣熱水機組在技術上早就實現(xiàn)了無人值守也能正常運行的瓶頸，不會出現(xiàn)危險及故障，可以穩(wěn)定運行。
五、 可靠性
地埋管熱泵如果能有效保持地耦井純水（很少有用戶愿意采用高成本使用純水）及真空度，同時很好控制冬季和夏季從土壤吸熱和散熱的平衡，是具有非常高可靠性的系統(tǒng)。
燃氣鍋爐或燃氣熱水機組相對來說非?？煽浚\行基本不受外界因素的影響，用戶可以放心使用。
六、 適用范圍
6.1地源熱泵的適用范圍
地源熱泵系統(tǒng)對系統(tǒng)全年冷熱負荷的平衡有一定的要求。在地埋管地源熱泵系統(tǒng)中地下巖土在全年起到蓄熱器的作用，對熱量夏蓄冬供。但在北方嚴寒地區(qū)，冬季供熱的負荷和時間遠大于夏季空調的負荷和時間，系統(tǒng)多年運行以后地下的平均溫度將逐年降低，影響系統(tǒng)的性能甚至使系統(tǒng)失效。在南方則相反，夏季空調負荷占主導地位，地下的平均溫度將逐年升高，同樣影響系統(tǒng)的性能。在冬冷夏熱的華北地區(qū)對供熱和空調都有較高的需求，地埋管換熱器中全年的冷熱負荷比較平衡，具有推廣應用地源熱泵技術的理想氣候條件。對于地下全年冷熱負荷不平衡的情況可采用地源熱泵復合系統(tǒng)。
由于沒有大氣污染物排放，各級政府對應用地源熱泵實行了多種優(yōu)惠政策，進一步提高了地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性。
應用地源熱泵技術的注意事項
由于地埋管地源熱泵技術應用于建筑供熱和空調時具有節(jié)能高效的特點，且對環(huán)境友好，特別是不影響地下水資源，因此近年來得到政府的大力提倡，應用規(guī)模日益擴大。由于這種供熱空調系統(tǒng)在中國還屬于新技術，整個產(chǎn)業(yè)還處于初創(chuàng)期但是又急速膨脹，因此整個地源熱泵產(chǎn)業(yè)的技術力量參差不齊，對技術的把握也有較大的差別。這就造成在地埋管地源熱泵的應用中也出現(xiàn)了一些不成功的案例。例如，有一些項目冬季運行就出現(xiàn)停機保護而失效；也有一些項目的效率逐年下降，3-5年后不能滿足供熱空調的需求而失效。出現(xiàn)這樣的問題不是因為地源熱泵技術本身不成熟，而是這些項目的設計施工和運行管理不到位。一個原因是承包商為了低價競爭，鉆孔埋管的數(shù)量達不到要求；或者埋管施工中偷工減料，致使系統(tǒng)不能正常工作。另一個原因是對地源熱泵系統(tǒng)的特點沒有充分的了解。
地埋管地源熱泵供熱空調系統(tǒng)的工作原理實際上是利用地下巖土作為一個蓄熱器，把夏天空調排出的熱量蓄在地下土壤中，冬季取出熱量給建筑供熱；冬季運行時又把冷量蓄在土壤中，提高了夏季制冷時的效率。這種冬夏兩用的特點本來是地源熱泵系統(tǒng)的一大優(yōu)點，但也成為它的一個限制條件，就是要考慮地下埋管換熱器在全年中冷熱負荷的基本平衡。如果全年中從地下取熱大于向地下的排熱，地下埋管周圍的平均溫度就可能逐年下降，造成系統(tǒng)在冬季工況的效率逐年下降，甚至不能正常工作。反之，在南方氣候溫暖的地區(qū)，如果一年中向地下的排熱大于從地下的取熱，也可能造成地下溫度的逐年升高，影響系統(tǒng)夏季工況的運行。山東省夏天熱、冬天冷，供熱和空調都需要，本來是應用地源熱泵技術的最適合的地區(qū)。但是山東的住宅建筑，特別是在像青島、煙臺等夏季較涼快的地方，建筑冬季供熱所需的熱量還是比夏季空調排出的熱量多很多，有一定的冷熱不平衡的問題。還有一些開發(fā)商希望開發(fā)的房子只解決供熱問題，把供冷的問題留給住戶自己用分體式空調解決。在這樣的建筑中采用地源熱泵系統(tǒng)就會引起的地下全年冷熱負荷嚴重的不平衡。在山東已經(jīng)有一些這樣的系統(tǒng)在運行幾年之后發(fā)現(xiàn)性能下降，甚至失效。因此在單供熱的建筑中采用地源熱泵技術是不經(jīng)濟、不合適的。對地下冷熱負荷不平衡度較大的地源熱泵項目，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了一些技術措施，可以采用例如太陽能或燃氣鍋爐輔助的地源熱泵的復合系統(tǒng)。
總之，采用地源熱泵技術時應對建筑負荷和地埋管換熱器進行正規(guī)的計算和設計，同時應委托有資質和有技術實力的承包商實施地埋管地源熱泵供熱空調工程。
6.2燃氣鍋爐或燃氣熱水機組
擔心的問題是燃氣供應停止，除此以外，適合所有地區(qū)的冬季供熱。
