（环境工程专业论文）水源热泵的适用性研究分析.pdf

摘要 水源热泵系统近年来在我国的应用发展很快，但部分地区在应用时不考虑本地区的 实际情况，存在一定的盲目现象。本文针对水源热泵系统的特点，对它的原理作了简要 介绍，对其应用条件和系统方式作了分析，以便指导水源热泵技术更好地推广应用。 水源热泵应用中的关键技术问题是地下水的回灌问题。本文针对影响地下水回灌的 各种因素做了详细的分析与论述，提出了解决这一问题的诸多方法。包括抽灌井的布置 型式设计、抽灌井的结构设计。并给出了两个工程实例。 抽灌井的出水量及回灌量是水源热泵在实际应用中的重要影响因素，是水井使用价 值及水源热泵使用年限的主要衡量标准之一。在水源热泵的实际应用中，回灌量是主要 被关注的问题之一。从各回灌井所处的位置、回灌水量、含水层岩性分布、埋深等水文 地质条件来看，单井回灌量的大小除了取决于含水层的颗粒大小、层次、厚度、渗透能 力外，还与钻井冲洗液、洗井和回灌过程等因素有关。 论文通过试点工程的初投资统计和运行能耗实测分别准确地确定地下水源热泵系 统的初投资和年运行费用，然后采用费用年值法，分别与其它供暖空调冷热源方案相比 较，最后确定在不同情况下的最佳冷热源方案。论文最后一部分分析了地下水源热泵系 统对环境影响，并通过实测手段，对地下水源热泵系统的能耗进行了实际考察，从工程 实际角度出发进而确定其节能效益及环境效益。 关键词：地下水源热泵、工程应用、水源系统、回灌、环境影响 a b s t r a c t w a t e rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e m ( w s h p s ) i s w i d e l yu s e di no u rc o u n t r yr e c e n t l y , b u ti t h a sb e e nu s e db l i n d l yi ns o m ea r e a sw i t h o u tt h i n k i n gi t sa c t u a ls t a t u s i no r d e rt og u i d e w s h p sr i g h t l yu s e di nm o r es i t u a t i o n s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e si t sp r i n c i p l eb r i e f l ya n d a n a l y s e si t sa p p l y i n gc o n d i t i o n sa n ds y s t e ms t y l e sa c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r so f w s h p s t h ep r o b l e mo fr e - p o u r i n gg r o u n dw a t e ri sk e yt e c h n o l o g ya n dd i f f i c u l tp o i n ti na p p l y i n g g r o u n dw a t e rs o u r c eh e a tp u m p t h ep r o b l e mi sa n a l y s e ds p e c i f i c a l l ya n dd e t a i l e di nt h i s p a p e r a n dp u t t i n gf o r w a r d al o to f m e t h o dt or e s o l v et h ep r o b l e m b e s i d e s ，t h ep a p e rh a v e i n t r o d u c e do t h e rf a c t o r s a f f e c t i n gr e - p o u r i n gs i m p l e l y i n c l u d i n gt h e c o l l o c a t i o no f d r a w i n g - p o u r i n gw e l l ，a n ds t r u c t u r a ld e s i g no fd r a w i n g - p o u r i n gw e l l t w oe n g i n e e r i n g e x a m p l e sa r eg i v e ni nt h ea r t i c l e s t h eq u a n t i t yd r a w i n g - w a t e ra n dp o u t i n g - w a t e ro fd r a w i n g - p o u r i n gw e l li sa ni m p o r t a n t i n f l u e n c i n gf a c t o ri nt h eu t i l i z a t i o no fs w h p , a n di so n eo fs c a l es t a n d a r d so ft h ew o r t ho f w e l la n dt h ef i x e dn u m b e ro f y e a ro fs w h p i nt h ea c t u a lu t i l i z a t i o no fs w h p , t h eq u a n t i t yo f m - p o u r i n gi so n eo ft h el e a d i n gp r o b l e m s c o n s i d e r i n gi t sl o c a t i o no fr e - p o u r i n gw e l la n d q u a n t i t yo fr e p o u r i n g ，a n da r r a n g e m e n to ft h el i t h o l o g yo ft h eh y d r o u ss t r a t u m ，a n dt h e e m b e d d i n gd e p t h ，t h ea c c o u n to ft h eq u a n t i t yo fr e - p o u r i n go fo n ew e l ll i e so nt h es i z ea n d a r r a n g e m e n to ft h eg r a n u l ei nt h eh y d r o u ss t r a t u m ，a n dt h et h i c k n e s sa n dp e n e t r a b i l i t yo ft h e h y d r o u ss t r a t u m ，a n dd r i l l i n gf l u s hf l u i da n dt h ec o u r s eo ff l u s h i n ga n dr e - p o u r i n g t h r o u g hc o u n t i n gt h ei n v e s t m e n ta n dt e s t i n gt h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h ee n g i n e e r i n g i ns h e ny a n gc i t y , t h et h e s i sd r a w st h ei n v e s t m e n tc o s ta n dt h ea n n u a lr u n n i n gc o s to ft h e g r o u n d w a t e rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e m ，a n dt h e na d o p t st h ea n n u a lc o s tm e t h o da n d c o m p a r e sw i t ho t h e rs c h e m e sa n dd e f i n e st h eb e s ts c h e m eu n d e rd i f f e r e n ts i t u a t i o na tl a s t t h e l a s tp a r to ft h e s i sa n a l y s e st h a tt h ea p p l i c a t i o no ft h eg r o u n d w a t e rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e m p u t si m p a c to nt h ee n v i r o n m e n t t h r o u g ht e s t i n ga n dd e t e r m i n i n gt h ec o n s u m p t i o no ft h e g r o u n d - w a t e rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e m ，t h et h e s i s c o m p a r e sw i t ho t h e r s c h e m e s c o n s u m p t i o na n d d e f i n e si t se n e r g y - e f f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n t a l - e f f i c i e n c ya tl a s t k e y w o r d s ：g r o u n d w a t e rs o u c eh e a r tp u m p ；e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ；r e p o u r i n g ；w a t e r s o u r c es y s t e m ；e n v i r o n m e n t a le f f e c t 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：礴7 鸟翻h 刁年月厂日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者签名：溽鸸羽 铷虢带亳 年多月多日 砷年多月莎日 长安大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 可持续发展与能源问题 在刚刚过去的2 0 世纪，人类在经济、社会、教育、科技等众多领域取得了显著的 成就，但在环境与发展的问题上始终面临着严峻的挑战。2 0 0 2 年8 月2 6 日至9 月4 日 在南非约翰内斯堡召开的可持续发展世界首脑会议，揭开了人类进入2 l 世纪面临和解 决环境与发展问题的序幕。 能源是左右可持续发展进程的关键因素之一。一方面，能源为改善人类生活和促进 经济发展所必需；另一方面，能源问题也可能带来空气污染、地球变暖等健康和环境问 题。目前，世界各国使用的能源主要是煤、石油、天然气等一次能源，占能源总消费量 9 0 左右，现有的能源供应和消费模式显然称不上“可持续。联合国公布的一些数字 说明：目前全球有2 0 亿人用不上电，约占世界人口的三分之一，他们主要生活在贫困 的乡村地区；全球矿物能源消耗量在1 9 9 2 至1 9 9 9 年增加了1 0 ，发达国家是其中的大 户，人均矿物燃料年消耗量达到发展中国家人口的1 0 倍左右；1 9 6 5 至1 9 9 8 年，全球二 氧化碳排放量翻了一番，燃烧矿物燃料产生的温室气体，目前是全球温室气体的最主要 来源，所占份额达到7 5 ，其中占全球人口不到5 的美国所排放的二氧化碳占全球总 排放量的2 5 以上i1 2 ，”。 1 9 9 2 年里约地球首脑会议以来，世界能源消耗量显著增加，据预测在未来2 0 年内 仍将以平均每年2 的速度上升，而且按现在的使用速度，石油只够开采5 0 年，煤炭也 只能开采不到2 0 0 年。如何以可持续发展的方式满足不断增长的能源需求，既是挑战， 也提供了历史性的机遇。这不仅要求国际社会继续采取有效措施，使全球贫困人口能享 受现代能源技术的恩惠，更重要的还将有赖于采用先进的技术提高能源生产的效率，增 加可再生能源的使用等。世界各国比以往更加关注能源、环境与可持续发展的问题。为 了实现经济的可持续发展，无污染的可再生能源便成了当前人类的能源首选。 可再生能源通常是指不污染环境、在自然界中可以循环再生的能源，如风能、太阳 能和地热能等。 瑞典隆德大学工业环境经济国际研究所所长约翰松指出，能源几乎与可持续发展中 的所有领域都有错综复杂的联系，预测表明在不远的将来世界能源消耗仍将大幅上升， 能源问题可能在健康、环境等方面给人类带来挑战，而推广可再生能源是解决这些挑战 1 第一章绪论 的主要途径之一。 约翰松认为，国际社会应就发展可再生能源制订出切实的行动目标和时间表，加大 对可再生能源技术的投资，并将重点放在提高发展中国家在这方面的技术能力上。他指 出，发展可再生能源，并不意味着传统能源一无是处。切实可行的消除贫困战略往往有 赖于二者的结合 4 1 。如果在能源问题上不采取坚决的行动，推广使用清洁的、可再生的 能源，全球将不会有真正的可持续发展。 中国是世界上最大的发展中国家。重视节约能源和提高能源效率是我国一贯的国 策。据统计，我国国内生产总值由1 9 9 2 年的2 6 6 3 8 亿元增长到2 0 0 0 年的8 9 4 0 4 亿元， 而万元g d p 能耗却由1 9 9 0 年的5 3 2 吨标准煤降到2 0 0 0 年的2 7 7 吨标准煤( 1 9 9 0 年不 变价格水平) 。但是随着经济和社会的发展，我国对能源的需求不断增长，2 0 0 0 年能源 消费总量达到1 2 8 亿吨标准煤，比1 9 9 0 年增长了3 0 1 5 1 。由于我国能源结构以煤炭为 主，石油资源短缺，能源发展与环保问题的矛盾日益突出。 1 1 2 水源热泵的现实意义 世界各国的能源消耗中，以热能消耗量为最大。在一次能源变成热能再转换成各种 形式能量的过程中，超过一半的能量以排气、蒸汽、低温热水( 1 0 0 以下) 等排热形 式损失掉。如何利用这些热源成了人们亟待解决的问题。 取暖在我国能源消耗中占非常大的比重。以北京地区为例，冬季有长达4 个月的取 暖期，主要用的是传统能源一煤炭。北京地区全年用煤量约2 7 0 0 万吨标准煤，冬季仅供 暖用煤就达6 0 0 万吨左右标准煤。煤炭消耗如此巨大，且集中在四个月内燃尽，造成北 京地区的大气环境污染相当严重。冬季空气中的二氧化硫与飘尘浓度是非采暖期的六倍 以上，严重超过国家大气质量标准，威胁全市人民的身体健康。同时又排放了数量可观 的温室气体一二氧化碳。而且经调查，即便煤炭消耗如此巨大，供暖质量也还是不尽人 意，冷热不均【6 】。 北京成功申办2 0 0 8 年奥运会，极大地鼓舞了中华儿女，同时，也对日趋恶化的生态 环境问题提出了挑战，改变以燃煤为主的能源结构，实现能源无污染利用成了当前研究 的重点。 以上这些，为水源热泵的应用创造了很好的条件，随着技术的发展和成熟，水源热 泵越来越显示出其在供暖、制冷领域的独特优势。这种高效利用可再生能源的技术正受 到越来越多专家和相关研究人员的关注。 2 长安大学硕t 学位论文 作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低温。如 同采用水泵可以把水从低处提升到高处那样，人们也可以把热量从低温抽吸到高温，这 种机器就是热泵。广义上说，凡是可以在低温环境下吸取热量，并将其能位提高后，向 高温环境输出热量的装置或机械都可以称作“热泵 。所以热泵实质上是一种热量提升 装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高品位进行利用， 而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低，这也是热泵的节能特点。 1 1 3 水源热泵的发展进程 水源热泵技术的发展经历了一个多世纪。1 8 2 4 年卡诺首先提出热力学循环理论； 1 8 5 2 年开尔文具体提出了热泵的设计思想；1 9 1 7 年德国卡赛伊索达制造厂首次把热泵应 用于工业生产上；随后，由于技术和经济上的原因，热泵的发展有所停滞。2 0 世纪5 0 年 代，随着科学技术的飞速发展，电能成本的大幅降低，燃料价格的不断上涨，加上精密 工业和公共建筑的大量需求，国外对热泵又开展了积极的研究，并有了较大的发展。7 0 年代以来，欧洲各国和前苏联、日、美、澳等国均投入了大量的资金致力于更经济、更 先进的新型热泵的开发。我国热泵技术发展较为落后，且最初发展缓慢【7 ，8 】。2 0 世纪5 0 年代，天津大学热能研究所吕灿仁教授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。六、七十年代由于众所周知的原因，热泵的研究也停滞不 前。2 0 世纪8 0 年代初，随着经济发展和人们生活水平的提高，能源问题变得越来越突出。 为了节约能源和有效利用能源，国内部分高校和科研院所如清华大学、北方工业大学、 天津大学、重庆大学、山东建工学院、中国科学院广州能源研究所等对热泵进行了大量 研究，并取得了显著的成果。热泵技术作为一项“绿色技术，能有效缓解中国对煤炭 和石油的依赖程度，从而达到能源资源多元化的目的。 在水源热泵研究中，有许多需要解决的问题，例如制冷压缩机、换热器、水源控制 等不同构件的匹配等。此外，怎样才能高效节能地运行，也是亟待解决的问题。各地区 地质、环境温度、建筑条件等差异也左右着水源热泵的能效发挥。进行水源热泵的优化 设计，是水源热泵工程应用中面临的重要课题。 尽管组成水源热泵的机组部件设备很多在经过数十年发展后，其制造技术己经比较 成熟，但一个水源热泵系统工程的成功运行，除了高性能的机组和满足相应的水源条件 外，还涉及到系统的组合形式、总体设计等方面的问题。这些问题包括水源热泵系统优 化设计方法的研究；能量介质的温差与流量的合理利用；高寒地区应用水源热泵系统的 3 第一章绪论 冬季冻结和机组压力问题等。另外，水源热泵取水方式和耐腐蚀设备的选择等基础技术 研究、住宅水源热泵系统的外网运行费用分担问题等都需要科学地解决 9 , 1 0 】。而这些问 题随着实际环境的变化而变化，不可能一蹴而就，必须结合理论和实践两方面来加以研 究。 1 2 国内外研究现状 作为一项应用技术的研究，水源热泵技术的发展，离不开其应用的广泛性和经济性。 国内外对水源热泵的研究也是通过对水源热泵技术不断进行优化，根据不同的实际应用 环境逐渐改善其技术性能和经济性能。 1 2 1 国外研究现状 在国外，关于水源热泵的研究分属于两种热泵系统：一种为地源热泵，一种为海水 源热泵。其中发展最迅速的当属地源热泵，其真正意义的商业应用只有二十多年的历史。 美国地源热泵工业已经成立了由美国能源环境研究中，t 二, ( e n e r g y & e n v i r o n m e n t a l r e s e a r c hc e n t e r ) 、美国地下水资源联合会( n a t i o n a lg r o u n dw a t e ra s s o c i a t i o n ) ，爱迪生电 力研究所( e d i s o ne l e c t r i ci n s t i t u t e ) 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，该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、 研究和推广工作。美国现在每年安装的4 0 万台地源热泵中，水源热泵占1 5 。美国的 水源热泵的研究和应用偏重于住宅和商业小型系统，多采用水一空气源热泵系统。在大 型建筑方面，美国推行w l h p 系统，即水环热泵系统。 与美国的地源热泵发展有所不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主 要利用浅层地热资源，地下土壤埋盘管( 埋深 4 0 0 米深) 的地源热泵，用于室内地板辐射 供暖及提供生活热水。同时，中、北欧海水源热泵的研究和应用也比较多。 俄罗斯根据自身的具体情况，有两项新技术值得介绍，一是利用天然气输送途中的 减压发电驱动热泵供冷和从城市污水、河水和电厂冷却水中回收废热用于供热；二是利 用水电站下游河水作为低温热源进行热泵供热。例如克拉斯诺雅尔斯克水电站由于是利 用水流落差发电，下游水温升高，甚至在最严寒的天气，表层水温也不低于2 ，深层 水温在4 5 以上。其结果是水电站大坝下游1 5 0 - - 1 8 0 k m 范围内河水不再冻结，使 克拉斯诺雅尔斯克上空整个冬季都是浓雾弥漫，从而使该周边地区的气候状况大大恶 化。该市使用热泵供热后，秒流量为1 7 5 m 3 s 的河水温度可降低到1 ，这样可以使叶 4 长安大学硕十学位论文 尼塞河在该地区河段上形成冰覆盖层，解决敞开水面水分大量蒸发造成的浓雾问题，生 态环境状况可以得到很大改善【1 1 1 。 国外对于水源热泵应用工程的研究，主要集中于地面以上部分，即热泵机组运行效 率分析、循环系统的优化设计及长年运行分析等。对于地下部分，关于水源热泵的深井 回灌问题，在系统设计中应当引起足够的注意。m j h a t t e n 在文献【1 2 】中提及必要的地下 含水层的地质分析，及井的尺寸的合理设计和系统设计，应满足未来增长的负荷需求， 应考虑井的供水和回灌能力在长时间运行后的下降，并对位于美国的某建筑水源热泵系 统的历史运行进行了总结。但没有给出关于前期勘察设计的理论依据。 关于水源热泵应用的可行性条件，美国学者a l s n i j d e r s 在文献【1 3 】中认为，为了避 免回灌水对抽水井井水的影响，应令两井之间保持一定的距离，但距离大小的确定没有 进一步的论证。该文献还提及早在1 9 9 1 年i a e ( i n t e m a t i o n a le n e r g ya g e n c ”己经进行了 推广利用土壤及地下水资源作为蓄热载体的工作。 美国的b r m e l o y 在其论文 f r e ec o o l i n gw o r k sf o rc o w l i t zc o u n t yh a l lo fj u s t i c e ) ) 中对美国某建筑物的水源热泵系统的设计与运行进行了总结，提及系统运行中所遇到的 主要问题如下： ( 1 ) 井壁出现结垢现象，需定期清洗。 ( 2 ) 换热器亦出现结垢，需定期清洗。 ( 3 ) 设计中没有考虑系统运行损耗。 b r m e l o y 的论文中还提及在该工程设计准备阶段，对于井的位置及井水水温的确 定，往往通过咨询资深地质人员并凭借主观经验作出判断。 从1 9 7 6 年到现在的三十年时间里，美国国家专利局受理了一千五百多项热泵方面 的专利，其中水源热泵方面的专利不到一百项，而且大部分是针对水源热泵机组换热与 节能方面的某一构件结构进行设计。 在h e a t i n ga n dc o o l i n gs y s t e mu s i n gg r o u n dw m c r ) ) 专利中，美国发明家h e a v e n e r 阐述了一种使用水源热泵作为主供暖源和辅助制冷源的强制空气加热和制冷系统，通过 自动调温装置以及阀门的切换，控制水的流向，改变水源与一个特殊设计的水盘绕换热 器的热交换，达到不同的制热和制冷效果【1 4 l 。 美国发明家a c e 和r o n a l d s 在他们2 0 0 3 年提交的( ( g e o t h e r m a ls p a c ec o n d i t i o n i n g ) ) 专利中，使用贮水罐为水源热泵机组提供水源，并设计了一个水补给管道和一个可逆的 水表，当通过热泵流通到贮水罐里的水温升高和降低幅度超过初始设定值时，通过水补 5 第一章绪论 给管道使外部水与贮水罐进行水的热交换，为热泵提供一个温度相对稳定的水源【1 5 】。 1 2 2 国内研究现状 最近几年国内对水源热泵的研究也在逐步深入，从各方面做了大量的实践和理论上 的探索。 天津大学的李新国分析了水源热泵机组在建筑物冷热负荷共存时的运行工况，但未 涉及地下土壤流动换热问题。李新国还在多篇论文中分析了利用低温地热的水源热泵经 济与节能方面的情况。 张昆峰等进行了利用土壤中多孔材料竖直埋管提取土壤热量，作为冬季热源的热泵 机组运行的试验研究，得出不同埋管尺寸，不同水循环方式以及各种工况下运行参数对 热泵性能和取热量的影响，并分析了井水流量及温度对热泵机组性能的影响。 张昆峰等随后在其实验数据的基础上，通过理论计算并进行模拟分析，考察井水热 泵运行时，循环水流量、井的直径和深度、运行方式及时间对井水温度和取热量的影响。 其选取的数学模型忽略了土壤中的地下水流动，不考虑抽水井和回灌井之间的相互影 响，以及假设土壤的热物理参数为常数，即不考虑土壤中的水热耦合。 重庆大学的王勇在文献中，对地源热泵进行了技术经济分析，这些分析有很多与 水源热泵相近，可以作为相关参考。 青岛建筑工程学院胡松涛在文献【”1 中，对低温地板辐射供暖系统的传热过程建立了 数学模型，通过数值模拟，用有限元法计算了平板内的温度场，以一个动态仿真程序得 出了不同供、回水温度和排管间距下的地板表面最高温度、室内实感温度、热流密度、 预热期等参数，阐明了系统的舒适和节能特性。 1 3 本课题主要研究内容 正是基于以上原因，本课题将从水源热泵的原理、水源热泵系统所涉及地下水抽取 和回灌部分、系统的运行工况、技术经济分析等方面作一些研究，以指导水源热泵系统 在我国的进一步应用。水源热泵系统所涉及的专业较多，如化工、暖通空调、地质等， 有些问题需要不同专业相互配合来解决。而本课题的主要研究对象是应用于空调中的水 源热泵地下水抽取和回灌部分，旨在为水源热泵系统在我国空调工程中的实际应用提供 一些依据，以此来促进该系统的推广应用。 本课题主要将从如下几方面进行研究： 6 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 通过大量的文献查阅对水源热泵从原理到机组再到系统的应用进行总的概述， 使机组和系统的设计人员以及用户对水源热泵形成一个完整的概念。 ( 2 ) 调查了我国部分地区和城市地下水源的分布状况和水文地质条件，以确定地下 水比较容易抽取和回灌的地区。对水源热泵地下水回灌问题作详细的分析，论述提高回 灌量方法，并指出回灌过程中出现的回灌堵塞的原因和解决办法。 ( 3 ) 选取一水源热泵系统实际工程与该地区目前较多采用的另外几种系统方式，从 初投资到运行费用进行技术经济性分析比较，进一步确定水源热泵系统应用的可行性。 ( 4 ) 分析并讨论使用水源热泵机组对环境造成的影响。 7 第二章水源热泵系统的工作原理及发展前景 第二章水源热泵系统的工作原理及发展前景 以水作为热源和热汇的热泵称为水源热泵。水源热泵系统是利用地球表面浅层水 源，如地下水、河流和湖泊中的水，吸收太阳能和地热能而形成的低温低位能资源，并 采用热泵原理，通过少量的高位能输入，实现低位能向高位能的转移。 2 1 水源热泵系统的工作原理 地球表面浅层水源，如深度在1 0 0 0 m 以内的地下水、地表的河流、湖泊和海洋中的 水，吸收了太阳进入地球的相当辐射能量，使水温升高，并且水温一般都比较稳定。水 源热泵机组的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，而在冬季，则从水源中提取能量，由热泵通过空气或水作为 载冷剂提升温度后送到建筑物中。通常水源热泵消耗l 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如图2 1 所示。水源热泵系统主要由压缩机、蒸发器、冷 凝器以及调节阀等组成。其中压缩机起着把工作工质从低温低压状态压缩和输送到高温 高压状态的作用，是热泵系统的心脏；蒸发器是吸收热量的设备，它的作用是使制冷剂 液体蒸发，以吸收被冷却物体( 如地下水) 的热量；冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器 中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质( 如室内空气) 带 走，达到制热的目的。根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功( 电能) 起到补偿作用， 使工作工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。同样 原理，夏季制冷时，制冷剂液体在蒸发器内蒸发，带走室内热量，制冷剂气体经过压缩 机压缩后，变成高温高压的气体，在冷凝器中凝结，向室外放出热量。 ( a ) 供暖循环( b ) 制冷循环 图2 1 水源热泵系统供暖制冷工作原理示意图 f i g2 1g r a p h i co fw a t e rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e mh e a t i n g r e f r i g e r a t i o no p e r a t i n gp r i n c i p l e 长安大学硕士学位论文 与锅炉( 电、燃料) 和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具有明显的优势。锅炉 供热只能将9 0 - 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，因此水源 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 2 ，其制冷$ u 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。水源热泵的运行费用一般仅为普通 中央空调的5 0 - 6 0 。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，我国的水源热泵 市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为2 1 世纪最有效的供热和供冷空调技术。 在我国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2 0 世纪8 0 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2 0 世纪9 0 年代 以后，对于取暖方式也开始有了新的尝试和探讨，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。由于天然气和石油等都属于不可再生能源，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。 2 2 水源热泵系统的特点 2 2 1 水源热泵系统的优点 水源热泵系统利用地表水或地下水作为空调机组的制冷制热源，其优点如下： ( 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、湖泊以及海洋等地表水。地表土壤 和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 倍还要多( 地下水体是通过土壤间接地接受太阳辐射能量) ，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，并使接受和发散的能量达到 相对均衡，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 9 第二章水源热泵系统的丁作原理及发展前景 水源热泵机组可利用的地下水体温度，常年比较恒定，一般约为1 2 - - - 2 2 。c ，冬季水 体温度比环境空气温度高，所以提高了热泵循环的蒸发温度，也提高了机组的能效比。 而夏季地下水体温度比环境空气温度低，所以降低t n 冷的冷凝温度，使得冷却效果优 于风冷式和冷却塔循环水冷却的冷凝器，提高了机组效率。据美国环保署e p a 估计，设 计安装良好的水源热泵，平均可以节约用户3 0 - 4 0 供热制冷空调的运行费用，c o p 值 可达到3 5 5 5 。 ( 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 水源热泵使用电能，电能本身为一种清洁的能源，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，减少约3 0 以上，与电供暖 相比，减少约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 4 1 0 a 等替代工质。 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、制冷，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替代原来 的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供暖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。水源热泵可广泛地应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建 筑物，小型的水源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。 ( 6 ) 稳定可靠，使用寿命长 水源热泵机组由于工况稳定，系统紧凑，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，一般可达到1 5 年以上。 2 2 2 水源热泵系统的制约条件 当然，像任何事物一样，水源热泵也不是十全十美的，其应用也会受到制约。 ( 1 ) 可利用的水源条件限制 1 0 长安大学硕士学位论文 水源热泵理论上可以利用一切水资源，其实在实际工程中，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可供应用，已经成为水源热泵 能否推广应用的一个关键。能否寻找到合适的水源就成为使用水源热泵的限制条件。水 源还要求必须满足一定的温度、水量和清洁度。 ( 2 ) 水层的地质结构的限制 对于从地下抽水回灌的使用，必须考虑到使用地的地质的结构，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土壤的条件，保证使用后尾水 的回灌可以顺利实现。 ( 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而有所不同。虽然总体来说，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。 2 3 水源热泵系统在我国推广应用中存在的问题 水源热泵作为一种新型的制冷供暖方式，从技术的角度来讲，尤其是从热泵机组本 身的角度上来看应当是相当成熟、没有问题的。但考虑到我国的国情，以及将水源热泵 制冷供暖作为一个整体的系统来推广应用时，还是存在一些问题的。 2 3 1 水源的使用政策 在未来的几年中，我国面临着巨大的能源压力，一方面，我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率， 调整能源结构。 提高能源利用率，鼓励各种节能设备和技术的推广；调整能源结构，从以燃煤为主 转为以燃气，直到以电为主的能源结构形式。水源热泵正是适应市场要求和参加国际化 竞争的产业化产品。但我国目前为了保护有限的水资源，制订了中华人民共和国水法， 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，由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，所以结果可能导致水费偏高，使得水源热泵的运行节能费用不 第二章水源热泵系统的t 作原理及发展前景 足补偿增加的水费，水源热泵的经济性变差。 所以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 考虑，调整水源热泵水源使用的政策，需重新确定水源如何管理和收费，才能促使水源 热泵的大规模发展。 2 3 2 水源的探测开采技术和费用 水源热泵应用的前提之一就是必须了解当地的水源情况，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，对推广水源热泵机组的应用至关重要。 2 3 3 地下水的回灌技术 水源热泵若利用地下水，必须考虑水源的回灌问题。对于回灌技术，必须结合当地 的地质情况来考虑回灌技术方式。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。 2 3 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，若机组提供了较高的水温，但空调系统末端在 设计中未加以相应的考虑，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，需要更多的专业、领域的人员来共同努力、共同 配合，从政府政策、主机设计制造、系统的设计和运行管理等各个方面都来共同参与。 2 4 水源热泵系统应用前景展望 大规模水源热泵规划应用的条件己经成熟，因为其诸多要素己得到了基本解决，如 实行了较为合理的峰谷电价、大规模推行节能建筑、分户供暖、中水利用等。 2 4 1 实行较合理的峰谷电价 根据建筑物冬季供暖的工作负荷分析，每个可相比较的完整工作负荷曲线图中，最 大峰值曲线区间，几乎总是发生在晚2 2 ：0 0 至次日早7 ：0 0 。这区间，又恰是城市供电的 低谷段，利用热泵可谓适逢其时，提高了资源的服务功能和有效利用。我国持续实行电 1 2 长安大学硕士学位论文 力超前发展，2 0 0 0 年总装机和总发电量，分别高达3 1 4 亿k w 和1 3 万亿k w h ，均跃居世 界第2 位，现己形成“买方市场，出现了鼓励大额用电的优惠政策，尤其鼓励充分利用 极为丰富的低谷电资源。2 0 0 0 年我国五大电网( 华东、华北、东北、华中、华南电网) 的 峰谷差，分别高达1 2 3 2 万k w 、1 3 9 1 万k w 、1 4 6 5 万k w 、7 9 4 万k w 、2 1 3 8 万k w 。其中，规 划应用于热泵巨大的关键，是实行比较合理的三段分时电价( 以6 个大城市为例，见表 2 1 ) ，峰谷电价大约在( 2 0 8 5 8 3 ) ：1 之间。 表2 1 我国6 个大城市的分时电价 t a b l e 2 1d i f f e r e n tt i m ee l e c t r o v a l e n c eo fs i xc i t i e si no u rc o u n t r y 峰段 平段 谷段 大城市名称峰谷电价比 ( 元k w h )( 元k w h )( 元k w h ) 上海 0 7 1 80 。5 2 10 3 4 62 0 8 ：l 北京 0 5 3 40 3 1 8o 1 1 84 5 3 ：1 沈阳 0 7 2 90 3 9 90 1 2 55 8 3 ：1 西安 0 5 3 60 3 7 20 2 0 82 5 8 ：1 济南 0 6 4 00 4 2 00 2 1 03 0 5 ：l 天津 0 8 0 00 3 7 90 1 8 04 4 4 ：1 2 4 2 大规模推行住宅节能建筑 自从中华人民共和国行业标准民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) ( j g j 2 6 9 5 ) 颁布实施以来，国家大规模推行住宅节能建筑。据分户热表计量室内采暖 系统设计暂行技术规定( 地区) ：新建节能型商品住宅，耗热量指标( q h ) 不超过2 1 2 w m 2 。 2 4 3 大规模推行分户供暖 分户供暖与常规供暖的区别，主要在于实现了单户循环和分户控制。东北某城市于 1 9 9 9 年在全国率先实施分户供暖示范，2 0 0 0 年大规模应用，供暖面积达1 3 5 0 万平方米， 效果显著，为2 0 0 5 年全面实现分户供暖规划8 0 0 0 万平方米奠定了坚实基础。长期以来的 “大流量、低温差”落后运行方式，在某种程度上使各用户散热器平均温度更趋于接近。 进入小康社会，用户普遍人均1 室，存在冬季使用较少的辅助房间( 厨房、卫生间、走廊、 门厅，储藏室等) 和北卧室、客厅、书房等，双职工型住房在上班和探亲等外出时则基 本无人，节能、省费潜力很大。分户供暖分别采用了可调节户内总供热量的水平单管串 联系统、各组散热器均可调节的水平单管跨越式系统或水平双管并联系统。分户供暖杜 绝了擅自加装散热器现象，按表计费则杜绝了偷水、盗热现象，用户可自主调节供热量 1 3 第二章水源热泵系统的工作原理及发展前景 又使实际耗热量大减，通过千家万户的自主调节，从根本上改变了“大流量、低温差 落后的运行方式，平均节能约达l 3 ，平均流量相应减少，流速降低。由于运行阻力和 水泵轴功率分别与流速和流量呈平方和立方关系，分户供暖热泵的合理选择，效益巨大。 2 4 4 大规模推行污水回用 世界缺水，中国贫水，严重水污染更使上述态势加剧，大规模实施污水回用规划， 问题可迎刃而解。我国城市年排污水总量达6 0 0 亿m 3 ，其中，约8 0 未达标而排入天然 水体，污染严重。贫水使生态恶化，水污染又造成“水质性缺水”，更使贫水状况加剧， 形成恶性循环。重点推行中水系统，加速污水回用可实现城市污水无害化排放。其冬季 水温比集中水池更高，夏季水温则远低于室外空气温度，所含能量经热泵利用低谷电蓄 存循环，用于供热与制冷，效益更佳。 2 5 本章小结 ( 1 ) 水源热泵是以地球表面浅层水源，如地下水、地表河