浅析水源热泵

浅析水源热泵摘要：水源热泵是一种利用地下浅层地热能量(包括地下水、土壤或地表水等) 为冷、热源，进行转换的空调技术。由于技术具有独特的优势， 国内外进行了大量的研究。近几年在国内外取得了迅速的发展，但应用推广时也受到了一些限制。关键词：水源热泵 现状 1水源热泵的概念海水源热泵是一种利用海水资源的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。水源热泵根据水来源不同(如:地热水、地下水、地表水、河川水、海水等) ,可分为:地热水水源热泵,地下水水源热泵,地表水水源热泵,河川水水源热泵,海水水源热泵等。2水源热泵的原理水源热泵技术的工作原理就是：通过输入少量高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在夏季将建筑物中的热量“取”出来，释放到水体中去；而冬季，则是通过水源热泵机组，从水源中“提取”热能，送到建筑物中采暖。 其具体工作原理如下：在制冷模式时，高温高压的制冷剂气体从压缩机出来进入冷凝器，制冷剂向冷却水（地下水）中放出热量,形成高温高压液体，并使冷却水水温升高。制冷剂再经过膨胀阀膨胀成低温低压液体，进入蒸发器吸收冷冻水（建筑制冷用水）中的热量，蒸发成低压蒸汽，并使冷冻水水温降低。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温高压气体，如此循环在蒸发器中获得冷冻水。在制热模式时，高温高压的制冷剂气体从压缩机出来进入冷凝器，制冷剂向供热水（建筑供暖用水）中放出热量而冷却成高压液体，并使供热水水温升高。制冷剂再经过膨胀阀膨胀成低温低压液体，进入蒸发器吸收低温热源水（地下水）中的热量，蒸发成低压蒸汽，并使低温热源水水温降低。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温高压气体，如此循环在冷凝器中获得供热水1。3水源热泵的优点（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四季为16-20，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。投入1KW的电能可得到4KW-6KW的制冷或供热的能量，运行费用与常规方式相比可节约1/21/3。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3060的供热制冷空调的运行费用2。（3）运行稳定可靠水体的温度一年四季相对稳定，几乎不受天气及环境温度的影响，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。?机组主要零部件少，维护简单，主机运行寿命可达15年以上。 （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。 水源热泵机组利用地下浅水做冷热源，省去了燃煤，燃气，燃油带来的污染，运行没有任何污染；省去了锅炉房和冷却塔，节约占地，同是也避免了冷却塔的噪声和霉菌污染，符合环保要求；可以建造在居民区内，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。（5）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20年以上。地温中央空调不受室外空气的影响，即使在室外环境温度-30时也能进行正常制热运转。并达到室内温度要求。温度的检测应在系统连续安全运行24小时后测定。（6）符合国家政策，获得政策性支持国家十分重视可再生能源开发利用工作，中华人民共和国可再生能源法已于2006年1月1日起实施；同时，在国家中长期科学和技术发展规划纲要中，又把大力发展和规模化应用新能源和可再生能源作为能源领域的优先发展主题。从国家立法和发展战略的高度，对可再生能源的发展应用予以强力推动。 根据国家建设部政策规定，凡采用水源热泵空调技术的建筑物，通过向当地建委申报，可获得政府的政策性支持，减免建筑配套费用140200元/m2。 与锅炉（电、燃料）和空气源热泵的供热系统相比的优势体现在： 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1025，其制冷、制热系数可达3.54.4，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，近五年来，地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，我国地源热泵市场也正在日趋活跃3。 4水源热泵的问题4.1 水源的不稳定性（1）需提前测量水源的充足度及检测水质的可靠、可信度。（2）绝对禁止在水源的上游存在相同的使用源，否则机组将无法正常工作。4.2 冬季采暖效果不理想（1）比正常空调的采暖温度低5-6。（2）需配置辅助加热设备。4.3水源系统要配膨胀水箱水源系统要配膨胀水箱，循环水一定要清洁干净，否则很快结垢影响使用效果且运行时一定要保持足够的水流量，否则也会造成热水器冻裂，更频繁的是要清洗水过滤器，给使用带来不便。水源热泵在使用中要停机进行维修保养。5水源热泵国内外研究进展 目前美国和国内的科研机构对于深井水源热泵（GWHP）应用工程的研究，多集中于地面以上部分，即热泵机组运行效率分析，和循环系统的优化设计及长年运行分析等。 M.J.Hatten在其论文GroundwaterHeatPumping:LessonsLearnedin43YearsatoneBuilding.（ASHRAETransactions,92-11-5.）中，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。提出关于深井回灌水源热泵系统设计中应当注意的方面，其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。但没有给出关于前期勘察设计的理论依据。A.L.Snijders提出了水源热泵应用的可行性条件，认为为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述。该文献还提及早在1991年AE已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.Meloy在其论文FreeCoolingWorksforCowlitzCountyHallofJustice.中对美国某建筑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问题： 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。（没有将井水和机组水隔离，本文作者按。） 3设计中没有考虑系统运行损耗。 B.R.Meloy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及主观作出判断。 天津大学地热研究培训中心的LiXinguo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，未涉及地下土壤流动换热问题。 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结果基础上,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4。 6水源热泵国内外应用现状6.1国外应用部分美国以及加拿大等北美国家主要关注地源热泵中埋管方式地源热泵应用，更偏重用于住宅和小型商用系统（20冷吨以下）的地源热泵方式，多采用水空气系统，而在大型建筑方面，美国推行WLHP（Waterloopheatpump）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和地下季节性蓄能应用。对于埋管式土壤源热泵的应用，据1999年的统计，为家用的供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士为96，奥地利为38，丹麦为27。 6.2国内应用部分 中国最早在50年代，就曾在上海、天津等地尝试夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，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，1965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，已建成数个示范工程。以水源(地源)热泵产品切人家用与大中型中央空调市场，不仅为前几年的实践所证明是十分有效的措施，也是许多生产厂之未来打算。国内的水源热泵制造厂商中清华同方人工环境设备公司、山东海阳富尔达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。通过利用地下水这一大地耦合方式，采用抽水回灌方式节约能源。山东际高以蒸发冷凝方式，引进瑞典专利技术，生产小型水冷冷水机组，在北方市场销路良好。广州中宇开发水环路分离式水源(地源)热泵空调系统，在两广与浙江地区得到广泛应用。美国能源部和中国科技部于1997年11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个城市各建一座采用地源热泵供暖空调的商业建筑，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。据称“华亭嘉园”即是此项目的应用。2000年6月19至23日在北京由国家科学技术部高新技术开发与产业化司召开了中美地热泵技术交流会，会议的主题就是“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。从水源热泵的市场应用看,我国南方的深圳,广州到过渡地区的上海,南京直到北方采暖地区的北京,大连等城市的公共建筑(办公楼,商住楼,商场等),而且住宅建筑上得到了广泛的应用. 北京奥运村利用再生水水源热泵空调系统,不需要冷却塔,锅炉房,其能源消耗量是传统电锅炉的1/4,更重要的是,它不会排放任何污染物. 作为建设部第一批(2006年)可再生能源建筑应用示范项目,全国最大规模的水源热泵住宅区,海信地产开发的麦岛金岸投资4亿元人民币,采用了国际先进的海水/污水源热泵,节约了能源,减少了污染.建成后采暖每年可减少燃煤20206余吨,每年减少向大气排放二氧化碳54050余吨.运用海水中央空调,比传统空调系统运行效率高出40%,节省运行费用40%左右5. 有业内人士分析,水源热泵技术目前除了被广泛应用于各类民用建筑,公用建筑,军事建筑等所有需要供冷供暖供应洗浴热水的中央空调系统,还涉及到工业领域中冷冻,冷藏,冷却的工艺系统,成为节能减排的重要技术之 7 水源热泵的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，尤其是热泵机组的角度上看应当是相当成熟、没有问题的。象任何事物一样，水源热泵也不是十全十美的，更不是万能的。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来推广应用时，还是存在一些问题： （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国水法，各个城市也纷纷制订了自己的城市用水管理条理。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受费，受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足增加的水费，水源热泵的经济性变查。 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的考虑，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，才能促使其大规模的发展。 （2）水源的探测开采技术和费用 在中国，目前对水源，尤其是城市水源的的探测开采技术应当提高，水源热泵的应用的前提之一就是必须了解当地的水源的情况，在水源热泵使用的前期，必须实地对水源的状况进行调查，地下水量是否有水、水量是否会足够，场地是否适合打井和回灌。而探测开采的技术的提高和费用的降低，会推动水源热泵机组的更好应用。 （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，对于回灌技术，必须结合当地的地质情况来考虑，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。 （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