摘要：锅炉获取输入能量并将其转化为热量，而热泵则获取输入能量在源和汇之间转移热量。与锅炉和热泵效率相关的重要规范包括国际节能规范、ASHRAE 90.1 和 ASHRAE 15。
热泵系统和基于锅炉的系统可以配置为满足空间调节和工艺负荷的各种需求。
图 3：锅炉和热泵系统的通用能源比较，显示从 1,000 单位天然气能量中提取的建筑热量。由CDM Smith提供
锅炉获取输入能量并将其转化为热量，而热泵则获取输入能量在源和汇之间转移热量。与锅炉和热泵效率相关的重要规范包括国际节能规范、ASHRAE 90.1 和 ASHRAE 15。空间供暖几乎占美国商业建筑总能耗的三分之一。根据气候区、空间分类、通风率和其他作考虑因素，这些建筑物内的供暖负荷通常使用基于锅炉的系统和热泵系统来满足。这些系统用于为美国商业总面积的近一半供暖，锅炉占 30%，热泵占 15%。以下两种系统类型代表了为建筑物供暖的不同方法：
锅炉利用化石燃料燃烧或电阻加热流体在整个建筑物中循环。热泵使用制冷循环将热量从外部源传递到建筑物。通过做出明智的技术选择，用户可以实施正确的系统类型并定制方法，以满足最终用户的一系列目标。
锅炉加热系统通常包括燃烧器、燃烧室和热交换器，用于将产生的热量传递到水或蒸汽中。锅炉加热系统有多种类型，包括使用电加热元件代替燃烧器和燃烧室的电锅炉。为特定应用选择最佳锅炉系统取决于设施的规模和复杂性，以及所需的温度范围。要确定使用哪种系统类型，请考虑不同类型锅炉的工作原理、它们的各种能源、优点、缺点和潜在规范或当地法规要求。
锅炉系统的类型包括：
热水锅炉通过天然气、燃料油、生物质燃料或电力加热水以产生热能。热水锅炉可用于住宅、商业、工业和加工应用。热水锅炉机组主要有直燃式和间接式两种。直燃锅炉直接加热内室，而间接锅炉则将加热的液体通过锅炉内的盘管循环，然后释放到所需区域。冷凝锅炉被认为是高效率的。它们从烟道废气中回收超出传统锅炉能力的额外热量。废气被冷却到水蒸气凝结成液态水的程度。这种冷凝释放出热量，随后被回收并用于预热返回锅炉的水，从而提高效率并降低燃料消耗。一旦产生，热能就会通过热水循环泵系统分配给建筑最终用户。这种类型的系统使用再循环泵将水通过分配管道输送到整个建筑物或设施的散热器、加热盘管和单元加热器。蒸汽锅炉在建筑物中用于各种供暖应用。这些锅炉通过蒸汽轮机提供主要动力来发电。蒸汽锅炉是一种封闭容器，其中流体（通常是水）通过燃烧燃料（例如天然气或燃料油）蒸发。一旦产生，汽化流体（蒸汽）就会离开锅炉并通过分配管道，用于整个建筑物或设施中最终用户的各种过程或加热应用。蒸汽锅炉系统所需的主要部件包括但不限于锅炉本身、燃烧器、燃气装置或燃料油储罐、冷凝水收集系统、除氧器和管道分配系统。与较大的水源热泵系统相比，锅炉相对容易安装。天然气和燃料油锅炉减少了电力需求，并有助于最大限度地减少进墙建筑物的电力服务规模。然而，由于锅炉依赖可燃燃料，因此比其他形式的供暖排放更多的污染物。因此，在为关注空气质量的应用选择锅炉时需要仔细考虑。选择高效冷凝锅炉时的一个关键考虑因素是确保回水温度足够低，以接受烟道中冷凝蒸汽产生的热量。过高的回水温度会减少可以从废气中回收的热量，当需要高供水温度时，这通常会导致效率下降。
图 1：安装在马里兰州实验室的高效天然气锅炉。该装置为空气处理机组和空气阀门中的加热盘管提供热水。由CDM Smith提供
热泵利用能量输入在热源和散热器之间传递热量，将能量从低温侧转移到高温侧，逆着热梯度。这是通过四步蒸汽压缩循环来实现的：
液态制冷剂在蒸发器中吸收热量，在此过程中变成蒸汽。这种蒸汽在压缩机中加压，从而提高制冷剂的饱和温度。这种压缩的蒸汽进入冷凝器并返回液态，从而拒绝蒸发阶段吸收的能量。液态制冷剂通过膨胀阀，将压力降低回初始值，从而允许循环重新开始。施加到压缩机上的一个单位能量可以在热源和散热器之间移动多个单位的能量。能量输入与传输能量的比率是性能系数 （COP）。
在所有热泵系统中，蒸发器位于被冷却的一侧，而冷凝器位于被排热的一侧。在可逆热泵系统中，换向阀用于改变制冷剂流动方向，切换系统的哪一侧是冷凝器，哪一侧是蒸发器。这使得可逆热泵能够通过一台设备同时提供加热和冷却。
热泵由用于热源和水槽的介质定义，分为以下三个主要系统：
空对空系统：冷凝器和蒸发器都与气流交换热量（如窗式空调装置）。水对水系统：冷凝器和蒸发器都位于流体流中，由水或盐水溶液组成。水对水热泵最常见的例子是水冷式冷水机组，其中热量从冷冻水回路中抽出并排斥到冷凝器水回路。水对空气系统：热泵在流体流中放置一个冷凝器或蒸发器，在气流中放置一个冷凝器或蒸发器。这种类型的热泵常见于地热热泵系统中。有几种不同的热泵配置可用于建筑空间调节。成套热泵将整个蒸发器/冷凝器设备包含在单个设备中。根据装置的方向，成套热泵可以是垂直烟囱热泵 （VSHP），它将蒸发器和冷凝器堆叠在一起，水平烟囱热泵 （HSHP），将蒸发器和冷凝器水平放置在一起，或者屋顶装置，其中蒸发器和冷凝器被封装到位于建筑物屋顶上的一个单元中，调节空气被管道输送到空间中在建筑物内。由于占地面积小、高度较高，VSHP 通常安装在专用机柜中，而占地面积更大、高度较短的 HSHP 通常安装在天花板空间中。分体式热泵系统利用一个蒸发器或冷凝器头位于调节空间内，另一个位于空间外，制冷剂管路连接两侧。分体式装置允许压缩机位于调节空间之外，从而实现更安静的运行。可变制冷剂流量系统连接许多不同的冷凝器/蒸发器头，调节每个冷凝剂/蒸发器头的制冷剂流量。
对于大型建筑，主要有两种配置：空气源热泵系统 （ASHP） 和水源热泵系统 （WSHP）。在 ASHP 系统中，热泵从建筑物周围的环境空气中汲取能量并将其能量排斥到建筑物周围的环境空气中。这些系统始终完全由电力驱动。在 WSHP 系统中，冷凝器水的回路在整个建筑物中被输送到水对空气热泵网络，并作为这些热泵的热源和汇。冷凝器水通过锅炉、冷却塔、干式冷却器或地面热交换系统保持在高设定温度和低设定温度之间。WSHP 系统可以是全电动的，也可以是燃料和电动的混合组合。由于 WSHP 系统的冷凝水在温度上往往比环境空气与 ASHP 系统中的调节空气更接近调节空气，因此 WSHP 系统往往表现出更高的 COP。
图 2：纽约布鲁克林一栋多户公寓楼的水源垂直烟囱热泵装置，将为公寓单元提供供暖和制冷。由CDM Smith提供
水对水热泵可用于产生热水或冷冻水，用于建筑空间调节或生活热水生产。在为踢脚线供暖或散热器系统设计水对水热泵改造时要小心，因为在这些系统中经常使用的高水温下，热泵效率通常会降低。
联网热泵系统之所以高效，是因为它们可以在整个建筑物或多座建筑物中协同传递热能。当建筑物的一个部分需要供暖而另一个部分需要制冷时，热泵在制冷时排斥的热量可以传递到供暖时的热泵。为建筑空间提供冷却的水对空气热泵能够将热量传递到水对水热泵，从而同时加热生活热水。联网热泵可以将建筑机械系统的热量输入或排斥减少到供暖和制冷负荷的净值。
热泵系统所需的主要设备包括热泵本身（无论是成套的还是分体式的）和电气基础设施，以满足全电动 HVAC 系统的需求。在 ASHP 系统中，热泵本身是调节所需的唯一东西。除了热分配设备（例如连接蒸发器和冷凝器的制冷剂管道或将空调空气带入空间的管道系统）外，不需要辅助设备。在 WSHP 系统中，所需的辅助设备包括冷凝器水泵（用于循环传热流体）和维持冷凝器水温的设备（锅炉、冷却塔、干式冷却器或地面热交换系统）。WSHP 系统可以是管道式或无管道式。
规范和标准虽然有许多规范和标准来管理锅炉的安装和运行要求，但有一些关键规范和标准特别影响供暖系统的效率要求。除了国际节能规范外，ASHRAE 还提供了许多与供暖系统设计和性能评估相关的资源，包括 ASHRAE 标准 90.1：除低层住宅建筑外的建筑物能源标准。ASHRAE 90.1 除其他指南外，还定义了供暖系统的最低效率和运行要求。
热泵设备的最低效率要求在 ASHRAE 90.1 表 6.8 中列出。一般来说，无论源流体如何，水对空气的效率要求都高于水对水的效率要求。
ASHRAE 90.1 要求燃气锅炉的效率必须至少为 90%，每小时 1 至 1000 万英热单位。这使得冷凝锅炉在需要这种锅炉容量水平的新建项目中更加普遍。对于较大的系统尺寸，或对于需要更高供应温度的系统，需要实施额外的能量回收措施，例如空气预热、给水预热和烟气热回收。
图 3：锅炉和热泵系统的通用能源比较，显示从 1,000 单位天然气能量中提取的建筑热量。由CDM Smith提供
热泵系统的安全受 ASHRAE 标准 15：制冷系统安全标准的约束。本标准第 7 章规定了有关热泵系统中制冷剂量的通风要求，在大容量系统中使用 A2L 制冷剂时，通风要求可能很高。
锅炉和热泵之间的主要区别在于，锅炉吸收输入能量并将其转化为热量，而热泵则吸收输入能量在源和水槽之间转移热量。在热泵系统和锅炉系统之间进行选择时，必须考虑许多因素：
锅炉提供比热泵更高的温度，能够产生蒸汽。这通常可以更快地将空间提高到温度，减小盘管和设备尺寸，并为围绕高温热水或蒸汽设计的改造系统开辟了可能性。热泵技术的最新进展，包括制冷剂的改进、多级热泵的加入以及超临界流体的使用，正在缩小温差。然而，热泵提供的温度升高通常会对效率造成不利影响。锅炉是一个比热泵更成熟的市场，有更多的制造商和服务选项可供选择。热泵系统可以提供加热和冷却，而锅炉系统仅提供加热。热泵可以实现建筑物供暖和制冷的完全电气化。追求电气化需要仔细分析电力成本与燃料成本。在确定电气化的优点时，要考虑场地和源能。锅炉和 ASHP 系统的尺寸可以满足建筑物的峰值供热负荷，而地热热泵系统必须考虑供暖和制冷使用之间的年度净平衡，以防止冷凝器水系统过热或冻结。热泵系统可以利用各种热源和汇，从地面热交换器、下水道热回收或地表水热交换器中汲取能量并拒绝能量。通过联网系统，可以将制冷要求高的用户（例如数据中心或高层建筑）与制热要求高的用户（例如低层住宅楼）连接起来。来源：陈讲运清洁能源
