水源熱泵系統(tǒng)介紹

摘要：本文首先介紹了水源熱泵技術(shù)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(shù)是利用可再生能源的一種技術(shù)。隨后，詳細地描述了水源熱泵的特點并介紹了國內(nèi)外關(guān)于地源應(yīng)用的基本情況和中國目前水源熱泵開發(fā)應(yīng)用的前景，*后，特別介紹了清華同方水源熱泵的技術(shù)特點和中國水源熱泵推廣應(yīng)用中的一些問題。

    一、水源熱泵技術(shù)的概念和工作原理

    水源熱泵技術(shù)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?zé)崮芏纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y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(zhuǎn)移的一種技術(shù)。

    地球表面淺層水源如深度在1000米以內(nèi)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(dāng)?shù)妮椛淠芰?，并且水源的溫度一般都十分穩(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(zhuǎn)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(cè)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(zhuǎn)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(nèi)能轉(zhuǎn)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(diào)的50～60％。因此，近十幾年來，尤其是近五年來，水源熱泵空調(diào)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(yù)計，該項技術(shù)將會成為21世紀(jì)*有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)。

    在中國的傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)概念中，由于國家的經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r和政策的影響，在相當(dāng)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(jì)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(fēng)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(jì)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(jié)構(gòu)都正在轉(zhuǎn)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*為嚴(yán)重的城市之一，其治理大氣污染的政策中就包括能源結(jié)構(gòu)的調(diào)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****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(shè)備。

    二、水源熱泵的特點

    由于水源熱泵技術(shù)利用地表水作為空調(diào)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(shù)

    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(zhuǎn)換的供暖空調(diào)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(shù)。

    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(fēng)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(shè)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(diào)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(diào)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(dǎo)致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。所以節(jié)能的設(shè)備本身的污染就小。設(shè)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(dāng)于減少30％以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70％以上。

    水源熱泵技術(shù)采用的制冷劑，可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代共質(zhì)。

    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(nèi)，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。

    5、一機多用，應(yīng)用范圍廣

    水源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對于同時有供熱和供冷要求的建筑物，水源熱泵有著明顯的優(yōu)點。不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設(shè)備可以同時滿足供熱和供冷的要求，減少了設(shè)備的初投資。水源熱泵可應(yīng)用于賓館、商場、辦公樓、學(xué)校等建筑，小型的水源熱泵更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。

    6、自動運行

    水源熱泵機組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計簡單的系統(tǒng)，部件較少，機組運行簡單可靠，維護費用低；自動控制程度高，使用壽命長可達到15年以上。

    當(dāng)然，象任何事物一樣，水源熱泵也不是十全十美的，其應(yīng)用也會受到制約。

    ⑴、可利用的水源條件限制

    水源熱泵理論上可以利用一切的水資源，其實在實際工程中，不同的水資源利用的成本差異是相當(dāng)大的。所以在不同的地區(qū)是否有合適的水源成為水源熱泵應(yīng)用的一個關(guān)鍵。目前的水源熱泵利用方式中，閉式系統(tǒng)一般成本較高。而開式系統(tǒng)，能否尋找到合適的水源就成為使用水源熱泵的限制條件。對開式系統(tǒng)，水源要求必須滿足一定的溫度、水量和清潔度。
  ⑵、水層的地理結(jié)構(gòu)的限制

    對于從地下抽水回灌的使用，必須考慮到使用地的地質(zhì)的結(jié)構(gòu)，確保可以在經(jīng)濟條件下打井找到合適的水源，同時還應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)和土壤的條件，保證用后尾水的回灌可以實現(xiàn)。

    ⑶、投資的經(jīng)濟性

    由于受到不同地區(qū)、不同用戶及國家能源政策、燃料價格的影響，水源的基本條件的不同；一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同。雖然總體來說，水源熱泵的運行效率較高、費用較低。但與傳統(tǒng)的空調(diào)制冷取暖方式相比，在不同地區(qū)不同需求的條件下，水源熱泵的投資經(jīng)濟性會有所不同。

    三、國內(nèi)外水源熱泵的發(fā)展及特點

    在國外，關(guān)于水源熱泵的研究分屬于兩種熱泵系統(tǒng)：一種為地源熱泵，一種為海水熱泵。其中地源熱泵真正意義的商業(yè)應(yīng)用也只有近十幾年的歷史，但發(fā)展相當(dāng)迅速。如美國，截止1985年國內(nèi)共有14,000臺地源熱泵，而1997年就安裝了45,000臺，到目前為止已安裝了400,000臺，而且每年以10％的速度穩(wěn)步增長。1998年美國商業(yè)建筑中地源熱泵系統(tǒng)已占空調(diào)總保有量的19％，其中新建筑中占30％。美國地源熱泵工業(yè)已經(jīng)成立了由美國能源環(huán)境研究中心（Energy & Environmental Research Center）、美國地下水資源聯(lián)合會（National Ground Water Association）、愛迪生電力研究所（Edison Electric Institute）及眾多地源熱泵制造設(shè)計銷售公司以及政府機構(gòu)和建筑商等146家成員組成的美國地源熱泵協(xié)會，該協(xié)會在近年中將投入一億美元從事開發(fā)、研究和推廣工作。美國計劃到2001年達到每年安裝40萬臺地源熱泵的目標(biāo)，其中，水源熱泵占15％，屆時將降低溫室氣體排放1百萬噸，相當(dāng)于減少50萬輛汽車的污染物排放或種植樹1百萬英畝，年節(jié)約能源費用達4.2億美元，此后，每年節(jié)約能源費用再增加1.7億美元。

    美國水源熱泵的制造廠商有有名的公司有Addison Products Company 、Advanced Geothermal Technology 、 Carrier Corporation 、ClimateMaster Inc.、Econar Energy Systems Corporation、FHP Manufacturing、Mammoth Inc.、The Trane Company、WaterFurnace International等公司。美國的水源熱泵的研究和應(yīng)用更偏重用于住宅和商業(yè)小型系統(tǒng)（20RT以下），多采用水-空氣系統(tǒng)，如大家熟知的TRANE 等推出的產(chǎn)品。在大型建筑方面，美國推行WLHP系統(tǒng)，即水環(huán)熱泵系統(tǒng)。

    與美國的地源熱泵發(fā)展有所不同，中、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用淺層地?zé)豳Y源，地下土壤埋盤管（埋深<400米深）的地源熱泵，用于室內(nèi)地板輻射供暖及提供生活熱水。據(jù)1999年的統(tǒng)計，為家用的供熱裝置中，地源熱泵所占比例，瑞士為96％，奧地利為38％，丹麥為27％。 同時，中、北歐海水源熱泵的研究和應(yīng)用也比較多。

    中國*早在50年代，就曾在上海、天津等地嘗試夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，天津大學(xué)熱能研究所呂燦仁教授就開展了我國熱泵的*早研究，1965年研制成功國內(nèi)**臺水冷式熱泵空調(diào)機。目前，國內(nèi)的清華大學(xué)、天津大學(xué)、重慶建筑大學(xué)、天津商學(xué)院、中國科學(xué)院廣州能源研究所等多家大學(xué)和研究機構(gòu)都在對水源熱泵進行研究。其中清華大學(xué)在多工況水源熱泵經(jīng)過多年的研究已形成產(chǎn)業(yè)化的成果，已建成數(shù)個示范工程。

國內(nèi)的水源熱泵制造廠商中清華同方人工環(huán)境設(shè)備公司、山東海陽富爾達是比較早的水源熱泵制造廠家，但目前也有相當(dāng)多的制冷空調(diào)廠家將其普通的水冷機組改造為水源熱泵。中國的水源熱泵的研究和應(yīng)用才剛剛起步，與國外相比，在熱泵機組的優(yōu)化設(shè)計和工程應(yīng)用上還存在較大差距。

    目前，世界特別看好中國的市場。美國能源部和中國科技部于1997年11月簽署了中美能源效率及可再生能源合作議定書，其中主要內(nèi)容之一是“地源熱泵”，該項目擬在中國的北京、杭州和廣州3個城市各建一座采用地源熱泵供暖空調(diào)的商業(yè)建筑，以推廣運用這種“綠色技術(shù)”，緩解中國對煤炭和石油的依賴程度，從而達到能源資源多元化的目的。據(jù)稱“華亭嘉園”即是此項目的應(yīng)用。2000年6月19至23日在北京由國家科學(xué)技術(shù)部高新技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化司召開了中美地?zé)岜眉夹g(shù)交流會，會議的主題就是“提供運用地?zé)岜眉夹g(shù)為住宅小區(qū)或公用樓宇采暖制冷，大幅降低運行費用的節(jié)能解決方案”的主題。

    在未來的幾年中，中國面臨著巨大的能源壓力。一方面，中國的經(jīng)濟要保持較高速度的增長，另一方面，又必須考慮環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展問題。所以要求提高能源利用效率，要求能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。能源利用效率提高，會鼓勵各種節(jié)能設(shè)備和技術(shù)的推廣，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的方向就是從以煤為主轉(zhuǎn)為以燃氣，直至以電為主。在中國的能源消耗中，建筑耗能的比例相當(dāng)高。為了適應(yīng)市場要求和參加國際競爭，我們必須加快中國品牌的水源熱泵的產(chǎn)業(yè)化研究開發(fā)。

    四、清華同方水源熱泵的技術(shù)特點

    清華同方開發(fā)的水源熱泵機組是針對大中型的建筑開發(fā)的可以實現(xiàn)模塊組合的水-水熱泵機組。可以利用地下水和以及江河湖泊的水源以及地?zé)嵛菜?。對不同的水源，可以通過是否加裝中間換熱器來構(gòu)成閉式或開式系統(tǒng)。機組在工作時的冷熱切換，通過對水系統(tǒng)的管路的切換而實現(xiàn)，氟系統(tǒng)保持穩(wěn)定不變。

    根據(jù)對制冷壓縮機的研究和對市場的預(yù)測，規(guī)劃中的水源熱泵包括4種規(guī)格：GHP300、GHP500、GHP600、GHP1000。其中GHP300和GHP500為基本模塊，分別為2個壓縮機獨立系統(tǒng)和3壓縮機獨立系統(tǒng)，GHP600和GHP100為GHP300和GHP500組合體。GHP300在標(biāo)準(zhǔn)地下水制熱工況熱量為309KW，在標(biāo)準(zhǔn)地下水制冷工況冷量為265KW。

    清華同方的水源在產(chǎn)品的設(shè)計時，采用的技術(shù)路線是：選用R22做制冷劑，采用成熟的熱泵技術(shù)，考慮中國的實際國情，重點放在高出水溫度和寬使用溫度的實現(xiàn)上，選擇并確定壓縮機工作點和工作范圍，本著節(jié)水節(jié)能的思想，設(shè)計大溫差的分段水換熱器。氟系統(tǒng)的設(shè)計采用分系統(tǒng)完全獨立的模塊化思想，系統(tǒng)部件數(shù)量少而品質(zhì)精良?？刂葡到y(tǒng)充分考慮多系統(tǒng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制，并設(shè)置多種的**保護，同時考慮水系統(tǒng)的水泵控制和遠程的操作。

    清華同方的水源熱泵機組除了具有傳統(tǒng)的水源熱泵的所有的特點以外，作為針對中國國情設(shè)計的系統(tǒng)，其值得注意的特點有：

    1、供熱出水溫度高

    我們提供的水源熱泵在標(biāo)準(zhǔn)的工況下，可以保證出水溫度穩(wěn)定在52℃，在測試和用戶實際使用中，曾做過56℃的運行實驗。提供高的出水溫度，可以提高效率，減小室內(nèi)側(cè)設(shè)備的選型容量，并保證室內(nèi)的熱舒適性。

    2、水源側(cè)進出水溫差大，節(jié)約水資源

  在機組工作時，水源側(cè)在冬季的進出水溫差為7℃，而夏季的進出水溫差為10℃。區(qū)別于傳統(tǒng)的5℃的溫差設(shè)計，可以省水20％-50％，并相應(yīng)地減少了取水（如打井和水泵運行）的費用。該思想彥啟森先生曾在1997年的《我國制冷空調(diào)業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及前景》中論證過。

    3、系統(tǒng)優(yōu)化簡潔，部件精良可靠

    通過對系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和獨立模塊的組合，*終的機組系統(tǒng)相當(dāng)?shù)暮唵慰煽?，但制冷部件選擇均為行業(yè)中品質(zhì)精良的品牌，保證機組可靠運行。

    4、機組容量大，適用范圍廣

    機組設(shè)計的單機*小的容量為150KW的熱量，可以采用開式系統(tǒng)或閉式系統(tǒng)，可以通過打井回灌利用地下水，也可以增加中間換熱器利用河水湖水甚至海水。甚至可以利用地?zé)岬奈菜?/p>

    5、運行簡單、寧靜

    由于采用的智能自動控制，機組的運行相當(dāng)簡單，由于采用了高效的防護消聲措施，機組的運行噪音不再難以接受。

    五、目前中國水源熱泵推廣應(yīng)用中存在的問題

    水源熱泵作為一種新型的制冷供暖方式，從技術(shù)的角度，尤其是熱泵機組的角度上看應(yīng)當(dāng)是相當(dāng)成熟、沒有問題的。但考慮到中國的國情，以及將水源熱泵制冷供暖作為一個整體的系統(tǒng)來推廣應(yīng)用時，還是存在一些問題：

    1、水源的使用政策

    我國目前為了保護有限的水資源，制訂了《中華人民共和國水法》，各個城市也紛紛制訂了自己的《城市用水管理條理》。這些政策均強調(diào)用水審批，用水收費。而審批的標(biāo)準(zhǔn)中對類似水源熱泵技術(shù)的要求沒有規(guī)定，所以水源熱泵很容易被用水指標(biāo)所限制。即使通過了用水審批，由于有些地方將水源的抽取和排放兩次受費，受費的標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)又不統(tǒng)一，所以結(jié)果可能導(dǎo)致水費偏高，使得水源熱泵的運行節(jié)能費用不足增加的水費，水源熱泵的經(jīng)濟性變查。

    所以水源熱泵的推廣需要政府從可持續(xù)發(fā)展的角度，綜合能源環(huán)保和資源各個方面的考慮，調(diào)整水源熱泵水源使用的政策，需重新確定水源如何管理和收費，才能促使其大規(guī)模的發(fā)展。

    2、水源的探測開采技術(shù)和費用

    在中國，目前對水源，尤其是城市水源的的探測開采技術(shù)應(yīng)當(dāng)提高，水源熱泵的應(yīng)用的前提之一就是必須了解當(dāng)?shù)氐乃吹那闆r，在水源熱泵使用的前期，必須實地對水源的狀況進行調(diào)查，地下水量是否有水、水量是否會足夠，場地是否適合打井和回灌。而探測開采的技術(shù)的提高和費用的降低，會推動水源熱泵機組的更好應(yīng)用。

    3、地下水的回灌技術(shù)

    水源熱泵若利用地下水，必須考慮水源的回灌，對于回灌技術(shù)，必須結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況來考慮，來考慮回灌技術(shù)方式。我們對不同地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)了解的還不多，這也制約了水源熱泵機組的推廣使用。

    4、整體系統(tǒng)的設(shè)計

    水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能作為一個系統(tǒng)，必須從各個方面考慮，如果水源熱泵機組可以做到利用較小的水流量提供更多的能量，但系統(tǒng)設(shè)計對水泵等耗能設(shè)備選型不當(dāng)或控制不當(dāng)，也會降低系統(tǒng)的節(jié)能效果。同樣，若機組提供了高的水溫，但設(shè)計的空調(diào)系統(tǒng)的末端未加以相應(yīng)的考慮，也可能會使整個系統(tǒng)的效果變差，或者使得整個系統(tǒng)的初投資增加。所以，水源熱泵的推廣應(yīng)用，需要更多的各個專業(yè)各個領(lǐng)域的人來共同努力共同配合，從政府政策、主機設(shè)計制造、系統(tǒng)的設(shè)計和運行管理等各個方面都來共同參與。