水源熱泵技術概念特點及其工作原理介紹

    摘要：本文s*先介紹了水源熱泵技術的概念和工作原理，并與鍋爐和空氣源熱泵在能源利用角度作了對比，得出水源熱泵技術是利用可再生能源的一種技術。隨后，詳細地描述了水源熱泵的特點并介紹了國內外關于地源應用的基本情況和中國目前水源熱泵開發(fā)應用的前景，z*后，特別介紹了清華同方水源熱泵的技術特點和中國水源熱泵推廣應用中的一些問題。

    一、水源熱泵技術的概念和工作原理

    水源熱泵技術是利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽能和地熱能而形成的低溫低位熱能資源，并采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。

    地球表面淺層水源如深度在1000米以內的地下水、地表的河流和湖泊和海洋中，吸收了太陽進入地球的相當?shù)妮椛淠芰浚⑶宜吹臏囟纫话愣际址€(wěn)定。水源熱泵機組工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉移到水源中，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，而冬季，則從水源中提取能量，由熱泵原理通過空氣或水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中。通常水源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。

    水源熱泵根據(jù)對水源的利用方式的不同，可以分為閉式系統(tǒng)和開式系統(tǒng)兩種。閉式系統(tǒng)是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垂直埋于地下或湖水海水中，通過與土壤或海水換熱來實現(xiàn)能量轉移。（其中埋于土壤中的系統(tǒng)又稱土壤源熱泵，埋于海水中的系統(tǒng)又稱海水源熱泵）。開式系統(tǒng)是指從地下抽水或地表抽水后經(jīng)過換熱器直接排放的系統(tǒng)。

    與鍋爐（電、燃料）和空氣源熱泵的供熱系統(tǒng)相比，水源熱泵具明顯的優(yōu)勢。鍋爐供熱只能將90％～98％的電能或70～90%的燃料內能轉化為熱量，供用戶使用，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；由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達3.5～4.4，與傳統(tǒng)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50～60％。因此，近十幾年來，尤其是近五年來，水源熱泵空調系統(tǒng)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，中國的水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z*有效的供熱和供冷空調技術。

    在中國的傳統(tǒng)的空調系統(tǒng)概念中，由于國家的經(jīng)濟發(fā)展狀況和政策的影響，在相當長的時期中，北方一般以燃煤鍋爐解決冬季取暖問題，在南方以水冷機組解決夏季制冷問題。在二十世紀八十年代以后，制冷機組的方式開始多樣化，此時，出現(xiàn)了溴化鋰機組、風冷機組，機組的容量也從原有的大中型機組過渡為大中小型機組，在二十世紀九十年代以后，對于取暖方式也開始有新的嘗試和探討，特別是隨著可持續(xù)發(fā)展和公眾環(huán)保意識的提高，世界和中國能源利用的結構都正在轉變，從原有的煤、石油取暖過渡到以天然氣及電等清潔能源。北京作為大氣污染z*為嚴重的城市之一，其治理大氣污染的政策中就包括能源結構的調整，從以煤為主改為天然氣和電力替代能源。但是，替代能源雖然可以部分解決大氣污染的問題，可是天然氣和石油等都屬于不可再生的能源，從可持續(xù)發(fā)展的角度看，必須提高能源利用效率或者尋找可以再生的能源，而水源熱泵機組就是比較理想的一種設備。

    二、水源熱泵的特點

    由于水源熱泵技術利用地表水作為空調機組的制冷制熱的源，所以其具有以下優(yōu)點：

    1、屬可再生能源利用技術

    水源熱泵是利用了地球水體所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統(tǒng)。其中可以利用的水體，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水體不僅是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47％的太陽輻射能量，比人類每年利用能量的500倍還多（地下的水體是通過土壤間接的接受太陽輻射能量），而且是一個巨大的動態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發(fā)散的相對的均衡。這使得利用儲存于其中的近乎無限的太陽能或地能成為可能。所以說，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術。

    2、高效節(jié)能

    水源熱泵機組可利用的水體溫度冬季為12～22℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。而夏季水體為18～35℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風冷式和冷卻塔式，機組效率提高。據(jù)美國環(huán)保署EPA估計，設計安裝良好的水源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30～40％的供熱制冷空調的運行費用。

    3、運行穩(wěn)定可靠

    水體的溫度一年四季相對穩(wěn)定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動。是很好的熱泵熱源和空調冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點問題。

    4、環(huán)境效益顯著

    水源熱泵的使用電能，電能本身為一種清潔的能源，但在發(fā)電時，消耗一次能源并導致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。所以節(jié)能的設備本身的污染就小。設計良好的水源熱泵機組的電力消耗，與空氣源熱泵相比，相當于減少30％以上，與電供暖相比，相當于減少70％以上。水源熱泵技術采用的制冷劑，可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代共質，水源熱泵機組的運行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。