水源热泵技术在供热空调工程中的应用

[摘要] 随着社会的不断发展与进步，我们越来越重视水源热泵技术的应用及其推广，水源热泵技术在供热空调中的应用具有非常重要的意义。本文首先简单讨论水源热泵技术的原理、特点。然后重点探讨水源热泵在供热空调工程中的应用。

[关键词] 水源 热泵 供热 空调 工程 应用

引言

随着我国经济建设的迅猛发展，城市建设日益增多，水源热泵技术也不断进步发展。水源热泵是以水为介质来提取能量实现制热和制冷的一个或一组系统。针对水源热泵机组，就是通过消耗少量高品位能量，将地表水中不可直接利用的低品位热量提取出来，变成可以直接利用的高品位能源的装置。水源热泵是利用太阳能和地热能来制冷、供热，应该说其属热泵中“地源热泵”的一种。经过严格测试及不同地区热泵的应用实例测算，水源热泵制热的性能系数在3.3―4.4之间，制冷的性能系数在4.1―5.8之间。

1．热泵技术的由来与发展

当今社会环境污染和能源危机已成为全人类面对并要加以解决的重大课题，在这种背景下，以环保和节能为主要特征的绿色建筑及相应的供热空调系统应运而生，而热泵技术正是满足这些要求的薪兴供热空调技术。据资料记载，热泵的历史可以追溯到1912年瑞士的一个专利，而在欧美等一些发达国家地区，热泵真正意义的商业应用也只有lO年的历史。我国热泵事业近几年已开始起步，而且发展势头看好，国内的几所知名高校与有关企业在充分学习借鉴国外先进技术和运行经验的基础上，已联合开发出了中国品牌的热泵系统，并已建成了数个示范工程，越来越多的中国用户开始熟悉热泵，并对其产生了浓厚的兴趣。可以预计，通过中国科学界与企业界的携手共进，我们完全有能力依靠自己的力量在短期内开拓出具有中国特色的热泵产业。

2.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。

3.水源热泵在供热空调中应用应具备的条件

(1)可靠的水源

对于水源热泵而言，其水源可为地表水、江河水、湖水、海水及地下水，但目前应用较多的水源热泵均采用地下水，地下水作为国家的重要资源之一，政府对开采与使用有各种限制政策和法规，要获取地下水，须通过政府有关主管部门的批准方可，并应有可靠的技术措施确保地下水的回灌。

(2)充足的水源水量

水源水量是影响水源热泵系统的重要因素，其水量的多少与建筑物负荷大小及空调设计方案等有关，在确定方案之前，应根据水文地质资料合理确定水量，必要时可先打井做抽水实验，看看在规定的连续抽水时间内地下水的水位降是否符合要求，并根据确定的水量来选定取水井与回灌井的数量。据资料介绍，一般要求地下水的取水量为每kW制冷量为0．04―0．06kg／s。

(3)合适的水源水温

水源的温度也是影响水源热泵的重要因素，同样的机组，由于水温不同其提供的冷量和热量也不同。一般来讲，水源热泵对水源温度要求的范围是：制冷情况下，进蒸发器水温为10～22℃；制热情况下，进冷凝器的水温为18―40℃。建议国内的热泵生产厂家，应将同一型号机组在不同水温下提供的不同冷热量列出明细，以便设计人员参考选定。另外取水井与回灌井之间应有一定的距离，以保证地下水经过水源热泵机组产生的温度变化经回灌后，在含水层中流动至取水井时温度得以恢复，避免地下水产生冷量或热量的积累，目前实际应用运行良好的工程中，取水井与回灌井之间的间距均在40m以上。(4)良好的水质水源热泵机组对水源的水质有一定的要求，如果水质达不到要求，会对阀门、主机及其附件构成危害，尤其对多数热泵厂家采用的板式换热器产生的危害更为严重，从而影响系统的运行，但通常可以采取一些处理手段如设置除污器，电子除垢仪，或在取水井内多设几层过滤装置以减小井水中所含沙尘颗粒直径，从而满足机组对水质的要求。一般来说，水源水质不是影响水源热泵机组应用的主要因素。

4.供热空调工程中水源热泵技术的特点

(1)高效节能，运行费用低

我们在评价热泵机组和制冷机组的性能时常用到“功效比”一词，用COP表示，它的定义是系统输出的功率与所消耗的功率之比。风冷热泵其COP值一般在2．0―3．O之间，而水源热泵，国内产品在供热时COP值可达3．5――4．0，供冷时活塞式机组为5．0～5．2，螺杆式机组可达6．0，从这一点上看，水源热泵可以被称作高效节能的供冷供热设备。水源热泵在制热时所需的地下水即相当于锅炉燃烧的煤或油，而且地下水占热泵所供热量的70％～75％，这些热量所消耗的代价仅为廉价的地下水，其成本要大大低于燃油和燃煤。以我市的水源热泵运行状况来看，冬季供暖的运行费用为15元每平方米左右，而热网供暖为24元每平方米。燃油供暖为35元每平方米左右，因此运行费用低是水源热泵的一个显著特点。

(2)一机两用，环保洁净，初投资小

由于水源热泵冬季可向建筑物供暖。夏季可向建筑物供冷，真正做到了一机两用，提高了设备的利用率。从初投资来看，现在国内主要热泵生产厂家的热泵机组价格大致在0．9――1．0元／w之间，而同样具备一机两用的溴化锂直燃机的价格在1．4――1．5元／W，而且水源热泵机组无需设置冷却塔及烟气排放系统，省去了高成本的自来水，避免了向大气排放烟尘及有害气体，因此水源热泵可称其为低成本的绿色空调产品。

(3)机房面积小，灵活安全，用途广泛

由于热泵机组兼有供冷供热的功能，机组本身体积较小，因而使机房面积大大减小，机组可灵活地安装在任何地方，没有储煤、储油罐等卫生及安全隐患，机组采用智能化微电脑控制系统，并有备用手动操作系统，无需专业人员操控，完善的电脑控制和多重保护，使整机运行安全可靠。水源热泵机组从严寒地区至热带地区均适用，机组适用的水源温度从8℃到35℃均可，既可以提供7℃或50℃的空调用水，也可以提供同样温度的生活热水；既可以作为城市区域供热的热源使用，也可以为办公楼、宾馆、别墅、居民小区等提供中央空调系统。随着居民生活水平的普遍提高，设有中央空调系统的住宅小区逐渐增多，而对于这样的小区而言，地下水水源热泵无疑是较为理想的冷热源，与采用集中供热的住宅小区相比，初投资虽然偏高，但能耗费用低，设有空调系统小区内的住户冬暖夏凉，生活品质得到改善，住户可以接受，而且其初投资高出的部分不出数年已为能耗费用的节省所抵消。随着住宅分户供暖方式在全国的推广，一些热泵生产厂又推出了用于每户使用的户式水源热泵机组，具体应用方式为水源热泵分户设置，地下水统一供给，电费按每户的电表计量收取，水费按每户水表的计量收取，给物业管理部门的收费工作提供了方便。

结束语

总之，水源热泵技术有着多种优点，也有相应的限制条件，对具体的供热空调工程来说，本着环保节能的原则，水源热泵应是空调系统的优先方案，随着水源热泵技术的不断成熟，这一技术在供热空调工程中将会得到更好的发展和应用。

参考文献

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