水源热泵技术.doc

水源热泵技术的概念、特点及其工作原理

一、水源热泵技术的概念和工作原理
水源热泵技术是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。 
地球表面浅层水源如深度在1000米以内的地下水、地表的河流和湖泊和海洋中，吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且水源的温度一般都十分稳定。水源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，而冬季，则从水源中提取能量，由热泵原理通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中。通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。
水源热泵根据对水源的利用方式的不同，可以分为闭式系统和开式系统两种。闭式系统是指在水侧为一组闭式循环的换热套管，该组套管一般水平或垂直埋于地下或湖水海水中，通过与土壤或海水换热来实现能量转移。（其中埋于土壤中的系统又称土壤源热泵，埋于海水中的系统又称海水源热泵）。开式系统是指从地下抽水或地表抽水后经过换热器直接排放的系统。 
与锅炉（电、燃料）和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具明显的优势。锅炉供热只能将90％～98％的电能或70～90%的燃料内能转化为热量，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；由于水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，水源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，中国的水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。 
在中国的传统的空调系统概念中，由于国家的经济发展状况和政策的影响，在相当长的时期中，北方一般以燃煤锅炉解决冬季取暖问题，在南方以水冷机组解决夏季制冷问题。在二十世纪八十年代以后，制冷机组的方式开始多样化，此时，出现了溴化锂机组、风冷机组，机组的容量也从原有的大中型机组过渡为大中小型机组，在二十世纪九十年代以后，对于取暖方式也开始有新的尝试和探讨，特别是随着可持续发展和公众环保意识的提高，世界和中国能源利用的结构都正在转变，从原有的煤、石油取暖过渡到以天然气及电等清洁能源。北京作为大气污染最为严重的城市之一，其治理大气污染的政策中就包括能源结构的调整，从以煤为主改为天然气和电力替代能源。但是，替代能源虽然可以部分解决大气污染的问题，可是天然气和石油等都属于不可再生的能源，从可持续发展的角度看，必须提高能源利用效率或者寻找可以再生的能源，而水源热泵机组就是比较理想的一种设备。
二、水源热泵的特点 
由于水源热泵技术利用地表水作为空调机组的制冷制热的源，所以其具有以下优点： 
1、属可再生能源利用技术 
水源热泵是利用了地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。其中可以利用的水体，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对的均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可能。所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。
2、高效节能 
水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12～22℃，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体为18～35℃，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。据美国环保署EPA估计，设计安装良好的水源热泵，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、运行稳定可靠 
水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，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。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。
4、环境效益显著 
水源热泵的使用电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗一次能源并导致污染物和二氧化碳温室气体的排放。所以节能的设备本身的污染就小。设计良好的水源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比，相当于减少30％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上。水源热泵技术采用的制冷剂，可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代共质，水源热泵机组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。 
5、一机多用，应用范围广 
 水源热泵系统可供暖、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。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，小型的水源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。 
6、自动运行 
水源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，使用寿命长可达到15年以上。当然，象任何事物一样，水源热泵也不是十全十美的，其应用也会受到制约。 
三、 
水源热泵
机 组

末端
用户
出 水 井
回 水 井
机组输入电能Q2
被利用能Q1
可利用能Q3
夏季：制冷量 Q3=Q1-Q2 Q3≥5Q2
冬季：制热量 Q3=Q1+Q2 Q3≥4Q2
Q2: 机组耗功
Q1: 地 能
水源热泵中央空调系统的工作原理图

四、水源热泵的市场前景
1. 水源热泵是一种利用低位能源（空气、土地、水、太阳能、工业废热等）代替一部分高位能源（煤、石油、电能等）以实现节能目的的高新技术，由于其所具备的高热能转换效率（1：4），无污染，运行成本低，便于物业管理，系统使用寿命长等特点，备受世界能源、环保组织和发达国家推崇，并被市场广泛接受，自八十年代以来，年增长率一直保持在20%以上。如美国，85年只有14000台水源热泵，99年末统计，已安装了400000台。水源热泵系统已占空调总保有量的20%，其中新建筑中占30%，这样将降低温室气体1百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放，年节约能源费用达4.2亿美元，美国的水源热泵研究和应用偏重于住宅和商业小型系统（60KW以下），而中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家则偏重于大型机组。据99年统计，水源热泵在新建房屋中的利用率，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。
2. 在未来的几年中，中国面临着巨大的能源压力。中国经济在保持较高速度增长的同时,必须考虑环保和可持续发展问题。所以要求提高能源利用率，要求能源结构调整。调整能源结构的方向就是从以煤为主转为以燃气、电为主。中国政府已于一九九七年与美国政府签订热泵技术引进协议；国家建设部1999年提出在10年内建筑节能效率要在现有基础上提高50%；北京市政府已明令在四环以内，撤掉所有燃煤锅炉，在三年内改造1000万平方米建筑取暖方式，使用清洁能源，并在财政上予以扶持。
3．据调查统计，我国住宅空调安装率迅速增长。上海居民住宅空调拥有率已超过60%，北京34%，城镇居民拥有率20%，空调很可能成为冰箱、彩电后普及的又一种家电。这样，对于黄河、长江中下游地区的城市，住宅环境就不再仅仅是采暖问题，而是要满足统一考虑采暖和空调需求的综合性问题。为此，采用具有诸多优势的水源热泵方式将成为这种需求最具竞争力的住宅供热空调方式。
4．自95年以来，经过5年的市场导入和近200个完工项目的示范效应，中国建筑热泵市场已经开始启动，据专家估计，该市场成长期的市场总值每年可实现50-100亿元，成熟期则可望达到500亿-800亿元。
5．目前全国十几个省市有近20家企业在着手开发水源热泵项目，但有产品和示范工程的企业只有7-8家。外国公司在中国的推广才刚刚开始，目前只有一些象征性的示范工程。
五、利用水源热泵应注意的问题
　　合理利用地下水资源进行热泵空调，在设计和使用上有两个问题应予以关注。
（1）地下水源的选择 采用地下水源热泵时，选择水源的原则应为：水量充足，水温适当，水质良好，供水稳定。就某项工程来说，应根据当地实际情况，判断是否具备可资利用的地下水源，一项工程所需水量，主要取决于该项工程的冷热负荷和地下水温度，适用的地下水源条件是，水文地质特征为砂、卵石、砾石地层以及裂隙地带；含水层厚度大于5m，冬季地下水温度不低于10℃。 此外，还要注意水质情况，包括含砂量与浑浊度，以及水的化学性质。含砂量与浑浊度高造成机组和管阀磨损，回灌时会造成含水层堵塞，因此，地下水源含砂量应小于20万分之一，向地下含水层回灌水的浑浊度应小于20毫克/升；总矿化度小于3克/升，希望水中Cl小于100毫克/升，SO4 2-小于200毫克/升，Fe2-小于1毫克/升，H2S小于0.5毫克/升，地下水腐蚀性条件达不到要求时，水源热泵系统应考虑防腐措施。
（2）人工回灌 我国水资源非常缺乏，主管部门对开采地下水有严格管理，并且规定，除非有较大需水用户进行二资利用，否则必须进行回灌。当然，为了保证地下水源热泵空调系统长期正常运行，以补充地下水源，调节水位，维持储量平衡。为了避免在热泵装置中冷却或加热后回灌到地下的水，因短路而又被抽回，回灌井与取水井之间的距离应尽可能远一些。目前，虽然还没有回灌水质的国家标准，但回灌水质至少应等于原地下水水质，以保证回灌后不会引起区域性地下水水质污染。
因此，应遵守以下条款：　
①地下水应在封闭系统中输送；
②热泵空调系统中与地下水接触的部件应采用耐腐蚀材料制造；
③取水管路上和回灌水管路上应装有水表和采集水样用的旋塞阀；
④定期对地下水进行化验，并将化验结果报送有关部门备案；
⑤如发现地下井水异常，特别是水中出现化学物质或其它无关物质时，应及时与有关部门联系，并采取措施。地下水回灌的方法有三种，即：真空回灌、重力（自流）回灌和压力回灌。 真空回灌：真空回灌是利用存颇低的静水位（低于地面10m）形成真空进行回灌。含水层渗透性要良好。由于回灌时，对井的滤水层冲击力不强，所以很适用于老井。采用真空回灌，对于细颗粒含水层，回灌量一般为取水量的1/3-1/2；对于粗颗粒含水层，回灌量可达取水量的1/2-2/3。 重力回灌：依靠自然重力进行回灌也适用于低水位和渗透性良好的含水层，此法的优点是系统简单。对于砂卵石含水层，其回灌量一般为取水量的50％；对于渗透性好的砾卵石层来说，回灌量可达取水量的75-90℃。 压力回灌：压力回灌用于高水位和低渗透性的含水层，其缺点是回灌时，对井的滤水层和含水砂层的冲击力强。上海曾广泛采用此法进行回灌。 为了预防井管堵管，及时清除堵塞含水层和井管的杂质，在进行回灌以后，经常开泵，排除回灌井水中的过堵塞物，即进行回场。回灌井的回扬次数和回扬持续时间，主要取决于含水层颗粒大小和渗透性。在岩溶裂隙含水层中的回灌井，长期不回扬，回灌能力仍能维持不变，在松散粗大颗粒含水层中的回灌井，每周回扬1-2次，在中、细颗粒含水层中的回灌井，回扬间隔应进一步缩短，而对于细颗粒含水层中的回灌井来说，经常回场尤为重要。
　　因此，系统调试完成并正常运行之后，为了预防井管堵管，及时清除堵塞含水层和井管的杂质，保证系统的可靠运行，需每年对回灌井和抽水井进行清理一次，费用为每眼井5000元左右。