（环境工程专业论文）地温热泵的研究与应用.pdf

地温热泵的研究与应用 摘要 随着经济的飞速发展，能源的消耗量和需求量也在逐年增加，能源紧缺直接 制约着经济的快速发展。同时燃料的消耗量增加摊放大量的污染物，从而导致甥： 境污染的加重。当环境污染和能源危机逐步成为威胁人类生存的头等大事时，人 类为解决这一问题，寻求一种可再生的、清洁的能源就显得尤为重要。以环保和 节能为主要特征的绿色建筑及相应的空调系统也就应运而生，面热泵系统正是满 足这些要求的新兴中央空调。 热泵系统是一种高效、节能、节资、冷暖两用、运行灵活且无污染的新型中 央空调系统。它利用空气、地表水、地下水、工业废水及地下常温土壤资源，借 助压缩机系统，完成制冷( 制热) 。它无须任何人工资源，彻底取代了锅炉或市 政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。它不向外界排放任何废气、废水、废 渣，使人们远离粉尘、废气和霉菌，是种理想的“绿色技术”。 对水源热泵中央空调系统的应用现状进行调查、分析，对水源热泵中央空调 系统的技术原理、组成进行研究，对水源热泵使用的受限制情况、经济效益和环 境效益、设计中应该注意的问题等进行深入地研究。在水源热泵应用实例中，与 其他中央空调系统就环境效益、初投资情况、运行费用等进行系统的比较，充分 体现出水源热泵系统的优越性。分析了海水源热泵的特点，结合青岛市的实际情 况和对青岛海水源热泵的应用实例进行分析，为推广使用海水源热泵提供理论依 据。 通过系统的研究和实例分析，使我们充分认识到热泵系统在实际应用中的 可行性和优越性，为下一步大力推广热泵这一“绿色环保技术”，有效地进行大 气污染防治，改善大气环境质量提供理论指导和技术支持。 关键词：地温热泵水源热泵海水源热泵研究应用 t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fg r o u n dr e s o u r c eh e a tp u m p a b s t r a c t a se c o n o m i cd e v e l o pq u i c k l y , t h ec o n s u m p t i o na n dr e q u i r e m e n to fe n e r g y s o u r c e se x p a n de v e r yy e a r s ot h ea b s e n c eo fe n e r g ys o u r c e sw i l lr e s t r i c tt h e e c o n o m i cd e v e l o p m e n t a n di nt h em e a nt i m et h eh u g eq u a n t i t yp o l l u t a n tw h i c hi s e x h a u s t e df r o mt h ef u e l sc o n s u m p t i o nl e a dm o r ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n w h e n e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dt h ea b s e n c eo fe n e r g ys o u r c e st h r e a t e nt oh u m a n s e x i s t e n c e ，t h er e u s e da n dc l e a ne n e r g ys o u r c e sb e c o m eak e yt os o l v et h i sp r o b l e m s o e n v i r o n m e n t a la n de n e r g ys a v i n gg r e e na r c h i t e c t u r ea n da i r - c o n d i t i o ns y s t e me m e r g e a st h et i m e sr e q u i r e ，e s p e c i a l l yt h eh e a t i n gp u m pa i r - c o n d i t i o ns y s t e m ， t h eh e a t i n gp u m pa i r - c o n d i t i o ns y s t e mi sh i g he f f i c i e n c y , s a v i n ge n e r g yr e s o u r c e ， e c o n o m i c a l ，e n v i r o n m e n t a la n dt h en e ws y s t e mc a l lp r o d u c tb o t hh e a t i n ga n dc o o l i n g ， i tc a nu s ea i r , s u r f a c ew a t e r , g r o u n dw a t e r , i n d u s t r yw a s t ew a t e ra n de v e nt h e u n d e r g r o u n dn o r m a lt e m p e r a t u r es o i la st h es y s t e m sr e s o u r c et op r o d u c th e a t i n gm a d c o o l i n gt h r o u g ht h ec o m p r e s s o rs y s t e m t h eh e a tp u m ps y s t e md o e sn o tn e e da n y a r t i f i c i a lr e s o u r c e ，i tc a nr e p l a c et h et r a d i t i o n a lh e a t i n ga n dc o o l i n gw a ys u c ha sc o a l b o i l e r , c i t yh e a t i n gn e ta n dc e n t r a l i t ya i r - c o n d i t i o ns y s t e m a n di t d o e sn o tl e ta n y e x h a u s tg a s ，w a s t ew a t e ra n dw a s t er e s i d u e t h es y s t e mi sag r e e nt e c h n o l o g ya n di t b r i n gp e o p l ef a ra w a yf r o mp o w d e ra n db a de n v i r o n m e n t w er e s e a r c ha n da n a l y s et h ew a t e rr e s o u r c ea i r - c o n d i t i o nh e a tp u m ps y s t e m s t e c h n i q u ep r i n c i p l e ，c o n s t i t u t e s ，c o n d i t i o n a l i t y , e c o n o m i c a lb e n e f i t ，e n v i r o n m e n t a l b e n e f i ta n da p p l i c a t i o n w ef o u n dt h a tc o m p a r ew i t ht h et r a d i t i o n a lc e n t r a l i t y a i r - c o n d i t i o ns y s t e mt h eh e a t i n gp u m ps y s t e mi se x c e l l e n c ei ni n v e s t m e n t ，t h e o p e r a t i o nf e ea n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t o u rr e s e a r c hi sb a s eo nq i n g d a o ss i t u a t i o na n dt h ee x a m p l eo fu s i n gs e aw a t e r r e s o u r c eh e a t i n gp u m pi nq i n g d a o ，i tc a l lp r o v i d et h et h e o r ys u p p o r tt oe x t e n dt h e g r e e ne n v i r o n m e n t a lt e c h n o l o g y , p r e v e n tt h ea t m o s p h e r ep o l l u t i o na n di m p r o v et h e a t m o s p h e r ee n v i r o n m e n t a lq u a t i t y k e yw o r d s ：g r o u n dr e s o u r c eh e a tp u m p ： w a t e rr e s o u r c eh e a tp u m p s e aw a t e rr e s o u r c eh e a tp u m p ；r e s e a r o h ；a p p ii e a t i o n 地温热泵的研究与应用 1 绪论 1 1 地温热泵中央空调的概念、原理 热泵是一萃4 嗜从自然界的空气、水或壤获取低品位热经过电力做功输 出能利用的高品位热的设备。地温热泵中央空调系统是利用地f 浅层地热资源既 可制冷又可制热，还可以提供生活热水的新空调技术。它不需要锅炉和冷却塔， 但要求有一定数量的百米深的水井，提供一定温度的地下水。，抽瞅的地下水通过 一个完全密闭的金属管路系统和热泵机组进行热交换，将水中的热能提取后又将 水原样回灌到地下，这样不消耗水资源，也不污染水环境。地温热泵和其它类型 的中央空调相比有非常明显的节能效果。所以，地温热泵中央空调被誉为是世界 上最节能的环保型空调新技术。地温热泵中央空调技术近二十年来在欧荚发达国 家得到了大力的推广。近年来，我国北方地区推广地温热泵中央空调也有了长足 的发展。仅北京市就有数百个地温热泵中央空调系统投入运行，取得了很好的经 济效益和社会效益。 1 2 地温热泵中央空调的分类 地温热泵中央空调系统可分为三种类型：1 地下水系统；2 地表水系统；3 地埋管系统。水源热泵是地下水热泵系统和地表水热泵系统的统称，海水源热泵 系统是地表水热泵系统的特例。 1 2 1 地下水系统 地下水系统是目前推广的主要类型。即通过打井的方式利用深层地下水资源 来满足制冷和供热的需要。它是指抽取地下5 0 一i 0 0 米深的地下水作为冷热源， 回水可以采取单井回灌和一抽多灌两种形式。在地下水层较好的地区可采用单井 回灌技术，在地下水层较差的地区可采用一抽多灌技术。 i 2 2 地表水系统 地表水系统适用于地表水资源丰富或者人工水景需水量较大的地方。利用地 地温热泵的讲究与应用 表河、湖、海洋或人工水景的水通过热泵空调机组来制冷或制热，不仅可以节约 利用地表水作为泠热源，而且还能促进地表水的流动，使死水变成活水，从而减 轻地表水受到污染。北方地区地表水冬天制热时温度太低，必须增加辅助加热设 备或者抽取地下水。 1 2 3 地理管系统 地埋管系统无需打井，而是将水循环的管路埋入5 0 1 0 0 米深的地下。通过 管内水的循环与地下土壤进行热量交换来满足热泵机组制冷制热的需要。地埋管 系统的热效率稍低于抽耿地下水，但它不受环境变化和水资源政策变化的影响， 有着广阔的发展前景。美国有2 0 万m 的大型建筑群使用地埋管技术。北京也有 5 万m z 的大型项目使用该技术。特别是小型建筑物更适合采用地埋管技术。 1 3 地温热泵中央空调与其它空调系统的不同 1 3 1 地温热泵中央空调系统利用的是可再生能源 地球是一个巨大的太阳能收集点。它大约将4 7 的太阳能储存在地球浅表 层。以河南地区( 北纬3 4 。) 为例，地下一百米深的地下水一年四季恒温在 1 8 1 9 。c ，利用这样的温度制冷、制热都是非常有利的。地温热泵机组夏季制冷 时向地下回灌的水温在3 0 左右，一个季节的回灌能够使地下水温提高2 3 ， 到了冬季地下水中储存的能量f 好有利于制热取暖。推广地温热泵中央空调，不 仅符合国家的能源产业政策，而且也符合城市环保和节约用水政策。 1 3 2 地温热泵中央空调系统经济有效，节约运行成本 低温热泵中央空调系统利用的是地下一定深度的水源，该水源一年四季温度 相对稳定，冬天水温高于环境温度，夏天水温低于环境温度，是很好的空调冷热 源。加之地温热泵机组的特殊换热结构，使其能效比达到4 5 ，普通电制冷空 调能效比为2 5 左右，直燃机能效比为1 2 左右。也就是说，利用地温热泵机组 制冷、制热时每投入1 千瓦的电能可以得到4 - 5 倍的冷量或者热量。因此，地温 地温热泵的研究与应用 表河、湖、海洋或人工水景的水通过热泵空调机组来制冷或制热，不仅可姒节约 利用地表水作为泠热源，而且还能促进地表水的流动，使死水变成活水，从而减 轻地表水受到污染。北方地区地表水冬天制热时温度a 低，必须增加辅助加热设 备或者抽取地下水。 1 2 3 地埋管系统 地埋管系统无需打井，而是将水循环的管路埋入5 01 0 0 来深的地下。通过 管内水的循环与地下土壤进行热量交换味满足热泵机组制冷制热的需要。地埋管 系统的热效率稍低于抽取地下水，但它不受环境变化和水资源政策变化的影响， 有着广阔的发展前景。美国有2 0 万m 2 的大型建筑群使用地埋管技术。北京也有 5 万时的大型项目使用该技术。特别是小型建筑物更适合采用地埋管披术。 1 3 地温热泵中央空调与其它空调系统的不同 1 3 1 地温热泵中央空调系统利用的是可再生能源 地球是一个巨大的太阳能收集点。它大约将4 7 的太阳能储存在地球浅表 层。以河南地区( 北纬3 4 。) 为例，地下一百米深的地f 水一年四季恒温在 1 8 1 9 ，利用这样的温度制冷、制热都是非常有利的。地温热泵机组夏季制冷 时向地下回灌的水温在3 0 左布，个季节的回灌能够使地下水温提高23 ， 到了冬季地f 水中储存的能量正好有利于制热取暖。推广地温热泵中央空凋，不 仅符合幽家的能源产业政策，而且也符台城市环保和节约用水政策。 1 3 2 地温热泵中央空调系统经济有效，节约运行成本 低温热泵中央空调系统利用的是地下一定深度的水游，该水源年四季温度 相对稳定，冬天水温高于环境温度，夏天水温低于环境温度，是很好的空调玲热 源。加之地温热泵机组的特殊换热结构，健其能教比达到4 5 ，营通电制冷空 调能教比为25 左右，直燃机能效比为1 2 左右。也就是说，利用地温热泵机绍 制冷、制热时每投八1 千瓦的电能可以得到4 - 5 倍的冷量或者热量。因此地温 制冷、制热时每投入】千瓦的电能可以得到4 - 5 倍的冷量或者热量。因此。地温 2 地温热泵的讲究与应用 表河、湖、海洋或人工水景的水通过热泵空调机组来制冷或制热，不仅可以节约 利用地表水作为泠热源，而且还能促进地表水的流动，使死水变成活水，从而减 轻地表水受到污染。北方地区地表水冬天制热时温度太低，必须增加辅助加热设 备或者抽取地下水。 1 2 3 地理管系统 地埋管系统无需打井，而是将水循环的管路埋入5 0 1 0 0 米深的地下。通过 管内水的循环与地下土壤进行热量交换来满足热泵机组制冷制热的需要。地埋管 系统的热效率稍低于抽耿地下水，但它不受环境变化和水资源政策变化的影响， 有着广阔的发展前景。美国有2 0 万m 的大型建筑群使用地埋管技术。北京也有 5 万m z 的大型项目使用该技术。特别是小型建筑物更适合采用地埋管技术。 1 3 地温热泵中央空调与其它空调系统的不同 1 3 1 地温热泵中央空调系统利用的是可再生能源 地球是一个巨大的太阳能收集点。它大约将4 7 的太阳能储存在地球浅表 层。以河南地区( 北纬3 4 。) 为例，地下一百米深的地下水一年四季恒温在 1 8 1 9 。c ，利用这样的温度制冷、制热都是非常有利的。地温热泵机组夏季制冷 时向地下回灌的水温在3 0 左右，一个季节的回灌能够使地下水温提高2 3 ， 到了冬季地下水中储存的能量f 好有利于制热取暖。推广地温热泵中央空调，不 仅符合国家的能源产业政策，而且也符合城市环保和节约用水政策。 1 3 2 地温热泵中央空调系统经济有效，节约运行成本 低温热泵中央空调系统利用的是地下一定深度的水源，该水源一年四季温度 相对稳定，冬天水温高于环境温度，夏天水温低于环境温度，是很好的空调冷热 源。加之地温热泵机组的特殊换热结构，使其能效比达到4 5 ，普通电制冷空 调能效比为2 5 左右，直燃机能效比为1 2 左右。也就是说，利用地温热泵机组 制冷、制热时每投入1 千瓦的电能可以得到4 - 5 倍的冷量或者热量。因此，地温 地温热泵的研究与应用 热泵中央空调和传统中央空调相比，节约运行成本在5 0 左右。 1 3 3 地温热泵中央空调系统减少污染，环境效益显著 地温热泵中央空调取消了锅炉系统，没有燃烧、排烟以及燃料存放的污染， 也不需要燃料储存场地，没有污染物排放。地温热泵中央空调系统所利用的地下 水是密封循环的，避免了冷却塔的水污染现象，并实现了水的零消耗。此外，地 温热泵机组结构特殊，制冷剂的充注量减少了2 5 。 1 3 4 地温热泵中央空调系统与其他空调系统在结构和初投资上的差异 地温热泵中央空调系统和传统中央空调一样是由机房和术端组成。不同点在 于：传统电制冷中央空调系统机房是由单冷水冷机组、冷却塔、水循环系统以及 锅炉或集中供热系统所组成；地温热泵中央空调系统是出机房和供水井、回水系 统组成。二者末端及室内风机盘管大同小异，不同点是地温热泵中央空调系统要 求风机盘管选型要大一些，但热泵机组价格高于冷水机组。 将二者比较一下即可看出，地温热泵中央空调系统增加了供水井、回水系统， 风机盘管稍大些，主机稍贵些，但减少了冷却塔、锅炉或集中供热的热交换设备。 因此，二者的初投资基本相当，有可能地温热泵中央空调还稍低些。 地温热泵中央空调与溴化锂直燃机空调相比，初投资基本相当或者稍低些。 常见的几种中央空调系统初投资都差不多，最诱人的是地温中央空调系统比任何 一种中央空调都节能。 1 4 地温热泵中央空调国内外研究和应用现状 热泵的历史可以追朔到1 9 1 2 年瑞士的一个专利，而热泵真正意义的商业应 用也只有近二十年的历史。在国外，关于热泵的研究分属于两种热泵系统：一_ 干十 为地源热泵，种为海水热泵。美国地源热泵工业已经成立了由美国能源环境研 究中心( e 嘲斟b i 谛锄d h 埘r 躐d l c 酋时) 、美国地下水资源联合会( n a l i c l 、日a s 甄碰m ) 、爱迪生电力研究所( e d i s o a e l e c t r i c 妣) 及众多地源热泵制造设 计销售公司以及政府机构和建筑商等1 4 6 家成员组成的美国地源热泵协会。美国 截止1 9 8 5 年全国共有1 4 ，0 0 0 台地源热泵，而1 9 9 7 年就安装了4 5 ，0 0 0 台，到 地温热泵的研究与应用 2 0 0 2 为止已安装了4 0 0 ，0 0 0 台，而且每年以1 0 的速度稳步增长。1 9 9 8 年美 国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的1 9 ，其中有新建筑中占3 0 。 美国在2 0 0 1 年安装了4 0 万台热泵，降低温室气体排放1 百万吨，相当于减少 5 0 万辆汽车的污染物排放或种植树1 百万英亩，年节约能源费用达4 2 亿美元。 美国水源热泵的制造厂商有著名的公司有a d d i s o n 陬山曲c x m a p a n y 、a d v a n c e d 玎吐瞰词t e d 姆、c a l i e r ( h p 。蒯m 、l - l h a g e m , 3 难ri n c , 、e o a n a re n e m ys y , a m a s c o l p o r a f i o n 、r m m 矾商如崦、m 茁r m 曲k 、聪髓嘴c c 删、w 蛔凡h n 躲h 飘删 等公司。美国的水源热泵的研究和应用更偏重用于住宅和商业小型系统( 2 0 r t 以下) ，多采用水。空气系统，在大型建筑方面，美国推行w l h p 系统，即水环 热泵系统。在中、北欧，如瑞典、瑞士、奥地利、月麦等国家，热泵的研究与应 用比较多，据1 9 9 9 年的统计，在民用住宅的供热装胃中，热泵所占比例瑞士为 9 6 ，奥地利为3 8 ，丹麦为2 7 ，瑞典在利用海水源热泵集中供热供冷方面 尤其发达。位于瑞典斯德哥尔摩市苏伦图那的集中供热供冷系统是目前世界上最 大的集中供热供冷系统，其制热制冷能力为1 5 0 m w ，可满足斯德哥尔摩市6 0 9 0 的制冷制热需求。该工程建于八十年代中期，位于波罗的海海边，是利用海水制 热制冷的典范，近几年瑞典利用海水集中供热供冷发展非常迅速，预计在未来十 年中将突破5 0 0 g w h 的能力。 中国最早在5 0 年代，就曾在上海、天津等地尝试夏取冬灌的方式抽取地f 水制 冷，天津大学热能研究所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究，1 9 6 5 年研 制成功国内第一台水冷式热泵空调机。目前，国内的清华大学、天津大学、重庆 建筑大学、天津商学院、中国科学院广州能源研究所等多家大学和研究机构都在 对水源热泵进行研究。其中清华大学在多工况水源热泵经过多年的研究已形成产 业化的成果，已建成数个示范二 程。 国内的水源热泵制造厂商中清华圊方人工环境设备公司、山东海阳富尔达公 司是比较早的水源热泵制造厂家，但目前也有相当多的制冷空调厂家将其普通的 水冷机组改造为水源热泵。中国的水源热泵的研究和应用才刚刚起步，与国外相 比，在热泵机组的优化设计和工程应用上还存在较大差距。 目前，世界特别看好中国的市场。美国能源部和中国科技部于1 9 9 7 年1 】月 签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书，其中主要内容之一是“地源热 泵”，该项目拟在中国的北京、杭州和广州3 个城市各建座采用地源热泵供暖 地温热泵的研究与应用 空调的商业建筑，以推广运用这种“绿色技术”，缓解中国对煤炭和石油的依赖程 度，从而达到能源资源多元化的目的。2 0 0 0 年6 月l9 至23 嗣在北京由鄹家 科学技术部高新技术丌发与产业化司召丌了中荚地热泵技术交流会，会议的t 题 就是“提供运用地热泵技术为住宅小区或公用楼宇采暖制冷，大幅降低运行费用 的节能解决方案”的主题。 在未来的几年中，中国面临着巨大的能源压力。一方面，中国的经济要保持 较高速度的增长，另一方面，又必须考虑环保和可持续发展问题。所以要求提高 能源利用效率，要求能源结构调整。能源利用效率提高，会鼓励各种节能设备和 技术的推广，能源结构调整的方向就是从以煤为主转为以燃气，直至以电为主。 在中国的能源消耗中，建筑耗能的比例相当高。为了适应市场要求和参加国际竞 争，我们必须加快中国品牌的水源热泵的产业化研究开发。 1 5 选题的目的和意义 一直以来我国的能源结构是以煤为主，在煤炭的燃烧过程中排放大量的二氧 化硫、烟尘、氮氧化物等大气污染物，煤炭的运输和储存过程产生大量的扬尘， 加重了对大气环境的污染，而且煤炭的储存还占用大量的土地，造成土地资源的 浪费。随着经济的发展，能源的消耗量在逐年增加，能源的供应显得非常紧缺， 能源紧缺也正在成为制约经济发展的重要因素，此时，寻求一种无污染或者污染 少，可再生的能源显得非常急切。通过对地温热泵的研究，充分认识地温热泵这 种新的“绿色环保技术”，为推广使用地温热泵技术奠定基础，从而使有效改善 大气环境质量和经济快速健康发展相结合成为可能。 地温热蔡的研究与应用 2 水源热泵中央空调 水源热泵( w a t e rs o u r c eh e a tp u m p ，w s i p ) 是以水为热源，可进行制冷 制热循环的一种热泵型水一空气空调装置。这是近年来发展的一种节能、清洁的 采暖空调一一体化新型空调装置。 2 1 水源热泵简介 目盼利用较多的水源热泵，就是以水作为冷热“源体”，在冬季利用热泵吸 收其热量向建筑物供暖，在夏季热泵将吸收到的热量向其排放、实现对建筑物供 冷。传统的暖通空调系统需要很多辅助系统或设备来完成一个完整的暖通空调功 能，如冷却塔。而水源热泵系统只是通过与地下水的热交换柬完成制冷或制热的 效果。只应用一个硬件系统，通过在不同季节进行冷凝器和蒸发器的转换，就可 以完成制冷与制热功能的转换。 2 2 水源热泵技术原理 在制冷模式时，高压高温的制冷剂气体从压缩机出来后进入水制冷剂的冷 凝器，向水中排放热量而冷却成高压液体，并使水温升高。到热膨胀阀进行节流 膨胀成低压液体后进入蒸发器蒸发成低压蒸汽，同时吸收空气( 水) 的热量。低 压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体，如此循环不己。此时，制冷环境需 要的冷冻水在蒸发器中获得。 在供热模式时，高压高温制冷剂气体从压缩机压出后进入冷凝器同时排放热 量而冷却成高压液体，到热膨胀阀进行节流膨胀成低压液体进入蒸发器蒸发成低 压蒸汽，蒸发过程中吸收水中的热量将水冷却。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机胍 缩成高压气体，如此循环不已。此时，供热环境需要的热水在冷凝器中获得。 地温播泵的研究与应用 2 。3 水源热泵中央空调系统的组成 水源热泵中央空调系统是由末端( 室内空气处理未端等) 系统，水源中央空 调主机( 又称为水源热泵) 系统和水源水系统三部分组成。为用户供热时，水源 中央空调系统从水源中提取低品位热能，通过电能驱动的水源中央空调主机( 热 泵) ”泵”送到高温热源，以满足用户供热需求。为用户供冷时，水源中央空调将 用户室内的余热通过水源中央空调主机( 制冷) 转移到水源中，以满足用户制冷 需求。 2 3 1 系统原理图：以制热工况为例 广 墼1 i l 霸 爨 索 蕊 紫 基 蠖 2 3 2 用户( 室内末端等) 系统由用户侧水管系统，循环水泵，水过滤器 静电水处理仪，各种末端空气处理设备，膨胀定压设备及相关阀门配件组成。 7 才连争央：h溪 水添孪藁境 地温热泵的研究与应用 2 3 3 水源中央空调主机系统由压缩机，蒸发器，冷凝器，膨胀阀，各种制 冷管道配件和电器控制系统等组成。 2 3 4 水源水系统由水源取水装置，取水泵，水处理设备，输水管网和阀门 配件等组成。 2 ：3 5 制冷工况可通过阀门切换来实现，即使水源水进冷凝器，蒸发器的冷 冻循环水接用户系统。( 反之则为制热：亡况) 2 4 国产有代表性的某水源热泵产品简介 国产有代表性的针对大中型建筑开发的某水源热泵机组是可以实现模块组 合的水一水热泵机组。可以利用地下水、江河湖泊的水源以及地热尾水。对不同 的水源，可以通过是否加装中间换热器来构成闭式或开式系统。机组在工作时的 冷热切换，通过对水系统的管路的切换而实现，氟系统保持稳定不变。 2 4 1 该水源热泵机组的特点 2 4 1 1 供热出水温度高 我们提供的水源热泵在标准的工况下，可以保证出水温度稳定在5 2 。c ，在 测试和用户实际使用中，曾做过5 6 。c 的运行实验。提供高的出水温度，可以提 高效率，减小室内侧设备的选型容量，并保证室内的热舒适性。 2 4 1 。2 水源侧进出水温差大，节约水资源 在机组工作时，水源侧在冬季的进出水温差为7 ，而夏季的进出水温差为 i o 。c 。与传统的5 温差设计，可以省水2 0 一5 0 ，并相应地减少了取水( 如打 井和水泵运行) 的费用。该思想彦启森先生曾在1 9 9 7 年的我国制冷空调业技 术发展现状及前景中论证过。 2 4 1 3 系统优化简洁，部件精良可靠 通过对系统的优化设计和独立模块的组合，最终的机组系统相当的简单可 地温热泵的研究与应用 靠，但制冷部件选择均为行业中品质精良的品牌，保证机组可靠运行。 2 4 1 4 机组容量大，适用范围广 机组设计的单机最小的容量为1 5 0 k w 的热量，可以采用，r 式系统或闭式系 统，可以通过打井回灌利用地下水，也可以增加中间换热器利用河水湖水甚至海 水。甚至可以利用地热的尾水。 2 4 1 5 运行简单、宁静 出于采用的智能自动控制，机组的运行相当简单，同时出于采用了商效的防 护消声措施，机组的运行噪音不再难以接受。 9 地温热泵的研究与应用 3 水源热泵系统分析 3 1 水源热泵技术分析 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i 殴收了太阳 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。通常水源热泵消 耗1 k w 的能量，用户可以得到4 k w 以上的热量或冷量。 水源热泵机组工作的原理示图如下： 匿豫鼍鹱藩锃 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 埋于湖水或海水中，通过与湖水或海水换热来实现能量转移。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9 0 一9 8 的电能或7 0 9 0 的燃料内能转化为热量，供用户使 用，而水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1 0 2 5 。c ， 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4 0 左右， 其运行费用为普通中央空调的5 0 6 0 。 l o 地温热泵的研究与应用 3 2 水源热泵的特点分析 由于水源热泵技术利用水体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 的空调系统。其中可以利用的水体，包括地下水或地表的部分河流、湖泊以及海 洋。地表水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了4 7 的太阳辐射能量， 比人类每年利用能量的5 0 0 倍还多( 地下的水体是通过土壤问接的接受太阳辐射 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1 22 2 。c ，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1 8 3 5 。c ，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。掘美国环保署估计，设计安装良好的水源热泵，平 均来说可以节约用户3 0 4 0 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稳定、可 靠，也保证了系统的高效性和经济性。 4 环境效益显著 水源热泵使用电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗一次性 能源并导致污染物和二氧化碳温室气体的排放。所以采用节能的设备本身就是减 少污染。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 3 0 以上，与电供暖相比，相当于减少7 0 以上。 水源热泵技术采用的制冷剂，可以是r 2 2 或r 1 3 4 a 、r 4 0 7 c 和r 4i o a 等替代 介质。 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，没香 地温热泵韵礤究与应用 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，4 机多用，一套系统可以替 换原束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1 5 年以卜。 3 3 水源热泵受限制情况分析 3 3 1 可利用的水源条件限制 水源热泵理论上可以利用一切的水资源，其实在实际：e 程中，不同的水资源 利用的成本差异是相当大的。所以在不同的地区是否有合适的水源成为水源热泵 应用的一个关键。目前的水源热泵利用方式中，闭式系统一一般成本较高。而丌式 系统，能否寻找到合适的水源就成为使用水源热泵的限制条件。对) t 式系统，水 源要求必须满足一定的温度、水量和清洁度。 3 3 + 2 水层的地理结构的限制 对于从地下抽水回灌的使用，必须考虑到使用地的地质结构，确保可以在经 济条件下打井找到合适的水源，同时还应当考虑当地的地质和士壤的条件，保证 用后尾水的回灌可以实现。 3 3 3 投资的经济性 由于受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响，水源的基 本条件的不同；一次性投资及运行费用会随着用户的不同丽有所不同。虽然总体 来蜕，水源热泵的运行效率较高、费用较低。但与传统的空调制冷取暖方式相比， 在不同地区不同需求的条件下，水源热泵的投资经济性会有所不同。 3 4 目前中国水源热泵推广应用中存在的问题分析 地温热泵的研究与应用 水源热泵作为一种新型的制冷供暖方式，从技术的角度，尤其是热泵机组的 角度上看应当是相当成熟、没有问题的。但考虑到中国的国情，以及将水源热泵 制冷供暖作为一个整体的系统柬推广应用时，还是存在一些问题。 3 4 1 水源的使用政策 我国目前为了保护有限的水资源，制订了中华人民共和困水法。各个城 市也纷纷制订了自己的城市用水管理条例。这些政策均强调用水审批，用水 收费。而审批的标准中对类似水源热泵技术的要求没有规定，所以水源热泵很容 易被用水指标所限制。即使通过了用水审批，出于有些地方将水源的抽取和排放 两次收费，收费的标准全国又不统一，结果可能导致水费偏高，使得水源热泵的 运行节能的费用不足弥补增加的水费，水源热泵的经济性变差。 因此水源热泵的推广需要政府从可持续发展的角度，综合能源、环保和资源 各个方面的考虑，调整水源热泵水源使用的政策，需重新确定水源的管理和收费 标准，才能促使其大规模的发展。 3 4 2 水源的探测开采技术和费用 在中国目前状况下对水源，尤其是城市水源的探测开采技术应当提高，水源 热泵应用的前提之一就是必须了解当地的水源情况，在水源热泵使用的前期，必 须实地对水源的状况进行调查，地下是否有水、水量是否足够、场地是否适合打 井和回灌。而探测开采技术的提高和费用的降低，必将推动水源热泵机组的更好 应用。 3 。4 3 地下水的园灌技术 水源热泵若利用地下水，必须考虑水源的回灌，对于回灌技术，必须结合当 地的地质情况来考虑，考虑回灌技术方式。我们对不同地区的地质结构了解的还 不多，这也制约了水源热泵机组的推广使用。 3 4 4 整体系统的设计 水源热泵系统的节能作为一个系统。必须从各个方面考虑，如果水源热泵机 组可以做到利用较小的水流量提供更多的能量，但系统设计对水泵等耗能设备选 型不当或控制不当，也会降低系统的节能效果。同样，若机组提供了高的水温， 但设计的空调系统的末端未加以相应的考虑，也可能会使整个系统的效果变差， 或者使得整个系统的初投资增加。所以，水源热泵的推广应用，需要更多的各个 专业各个领域的人来共同努力共同配合，从政府政策、主机设计制造、系统的设 地温热泵的研究与威用 计和运行管理等各个方面都来共同参与 3 5 水源热泵效益分析 水源热泵是种介于中央空调和分散空调之间的优化空调能源方式，它具有 中央空调合理利用能源，设备能效系数高，运行成本低和安全、可靠等优点。 3 5 1 水源热泵系统的节能性 以采暖运行为例，目前采暖方式有集中锅炉房供热方式、热电厂供热方式、 分户燃气采暖方式，水源热泵方式有利用井水、江、河、湖泊水及工业余热的形 式；也有利用自来水的冬季要辅助加热的方式。它们的耗能量见袁1 。 表1 耗能量的比较 现有住宅建筑 节能建筑 采暖方式 + 磊磊釜“”薪孬主磊灌蒹”_ ”“”磊；运“”薪孬主蒜灌蒜 集中锅炉房2 5 0 8 k g m 2 年2 5 0 8 k g m 2 年1 2 4 1 k g m 2 年 1 2 4 1 k g m ：! 年 热电厂 13 9 6 k g m 2 年13 9 6 k g m 7 年 9 0 3 k g m 2 年 9 0 3 k g m 2 年 分叫裂硼 10 6 n m 3 m 2 年13 0 2 k i n 。m 2 年6 8 6 n m 3 m ! 年8 4 3 k g m ：年 爿搿、：2 2 4 6 k w h m 2 年9 1 6 k g m 2 年1 4 5 4 k w h m 2 年5 9 3 k g m 2 年 蠕瓣瞒2 4 2 4 6 k w h m 2 1 3 弧艏，年| 1 4 3 4 k g m ： 28 5 1 4 k g m ? 8 7 4 啊m ! 年 砖蝶阑 4 年 “+ 2 年 “ 表1 的计算依据： 住宅建筑以北京市某多层住宅为例，现有建筑耗热量指标q h 为3 1 8 2 w m ：， 设计热负荷指标q 为4 3 8 2 w m 2 ；节能建筑耗热量指标q i 为2 0 6 w m 2 ，设计热负 荷指标q 为2 8 3 7 w m 2 。采暖全年需热量：现有建筑为9 5 4 6 k w h m - 年- ，节能建筑 为6 1 8 0 k w h m 2 年。 集中锅炉房：现有供热系统热网输配效率n1 为0 8 5 ，锅炉效率n 2 为 0 5 5 ；节能供热系统r i l 为0 9 ，n2 为0 6 8 。 热电厂供电标准煤耗为0 4 0 8 k g k w h ，供热标准煤耗为4 0 7 k g g j 。 4 地温热泵的研究与应用 水源热泵采暖性能系数( c o e f f i c i e n to fp e r i o r m g n c e ，c o p ) ，即在额定 工况和额定条件下，空调器热泵制热时，制热量与有效输入功率之比，c o p = 4 2 5 。 从表l 可知，水源热泵采暖方式全年耗能量均低于集中锅炉房、热电厂和分 户燃气采暖，节能效益比较明显。 利用井水、江、河水或工业余热为热源的水源热泵的节能性十分明显，当水 源热泵的能效系数为4 0 时，与热电联产供热方式比，采暖的节能性率约为q o 。 当采用辅助加热热源时，水源热泵的节能性是有条件的，主要的影响因素是：水 源热泵的能效系数：辅助热源的加热容量。 l 、水源热泵能效系数的影响( 见表2 ) 表2 制热容量为4 k w 时的能耗丰 辅助n 嘣k l 鳍毛 能魄标帮 压缩机耗能， ( k g 标煤) 合计 c o p = 4c o p = 4 5节能率( ) 3 x 8 6 0 7 0 0 0 0 9 = 0 4 0 9 3 8 6 0 7 0 0 0 0 9 = 0 4 0 9 1 0 4 0 8 ：0 4 0 8 0 8 8 0 4 0 8 = 0 3 6 3 术辅助加热容量为总供热量的7 5 。 从表2 可知，c o p 从4 提高到4 5 后，节能率约为5 6 ，相当于减少加热容 量0 3 2 9 6 k w ，即约相当于减少热负荷1 0 。 辅助加热器加热容量的影响( 见表3 ) | 表3 制热容量为4 k w 时的能耗 辅助加热量耗能 ( k g 标煤) 压缩机耗能 ( k g 标煤) 合计 辅助加热容量总供热量辅助加热容量总供热量 为0 7 5为0 5 0 4 0 92 x 酬7 0 。o x o 9 ：n2 7 3 0 4 0 8l 0 4 0 8 = 0 4 0 8 0 8 1 70 6 8 1 节能率( ) 地温热泵的研究与应用 * c o p = 4 从表3 可知，当辅助加热容量为总供热量的比从0 7 5 降到0 5 时，节能率 约为1 6 6 。 节能的条件 制热容量为4 k w 的热电联产的能耗为 ( 4 8 6 0 ) ( 7 0 0 0 0 8 3 x 0 8 5 ) = o 6 9 7 k g 4 k w h 当c o p = 4 0 ，辅助加热容量为总供热量的0 5 时，与热电联产供热方式比， 它的节能率约为2 。 当c o p = 4 5 ，辅助加热容量为总供热量的0 5 时，与热电联产供热方式比， 水源热泵的节能率约为8 但当c o p = 4 0 ，辅助加热容量为0 7 5 总供热量时，热电联产将比水源热泵 节能，节能效率约为1 5 。当c o p = 4 5 时，其节能率约为1 0 。 节能的主要因素如下：水源热泵机组直接安放在户内，热网输配损失可忽 略不计。 水源热泵机组采暖能效系数c o p 大于4 ，部分负荷时，c o p 值仍很稳定e 以井水，江、河、湖水及工业余