水源热泵技术在供热空调工程中的应用

水源热泵技术在供热空调工程中的应用

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新兴供热空调技术。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10 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 热泵的工作原理及种类

(1) 根据热力学第二定律，热可以自发地由高温物体传向低温物体，而由低温物体传向高温物体则必须作功，正如水能够通过水泵从低处向高处流动一样，热泵系统实现了把能量由低温物体向高温物体的传递，它是以花费一部分高质能（耗电） 为代价，从自然环境中获取能量，并连同所花费的高质能一起向用户供热，也就是说热泵的供热量永远大于所消耗的功量，所以是综合利用能源的一种很有价值的措施。热泵的硬件组成和制冷系统大致相同，也是由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀等主要部件组成。只是制冷是从制冷房间吸热到冷凝器散发给冷却介质，热泵是制冷工况的逆过程，即把热量从冷凝器的介质吸收过来散发到制热房间中。

(2) 热泵技术按所需热源的不同大体可分为气源热泵、地源热泵及水源热泵。气源热泵即通常所说的风冷热泵，是以室外空气作为热源，是目前应用最为广泛的热泵系统，现已成为市场上的主导产品，但这种热泵的应用有其局限性，在我国北方寒冷的冬季，随着室外温度的降低，热泵效率大大降低，而且蒸发器极易结冰，需消耗电能解冻，很不经济，因此这种热泵仅适用于我国黄河以南，冬季室外气温较高的地区使用。

(3) 地源热泵是将换热盘管深埋于地下，吸收土壤中的低温热量进行供热，由于全年土壤温度波动较小，地源热泵的季节工况较为恒定，但地源热泵因深埋于地下的换热管技术较为复杂，且投资较大，目前仅在欧美一些发达国家有所应用，在我国广泛推广有一定的困难。

(4) 水源热泵是目前我国应用较多的热泵形式，它是以水（包括江、河、湖泊、地下水等）作为冷热源体，在冬季利用热泵吸收其热量向建筑供暖，在夏季热泵将吸收到的热量向其排放，实现对建筑物的供冷。在水源热泵的应用当中，又以利用地下水的地下水水源热泵应用较为广泛。其工作原理大都是通过外部管道及阀门的切换来实现冬夏工况的转换，夏季空调供回水走蒸发器，地下水走冷凝器，冬季空调供回水走冷凝器，地下水走蒸发器。

节能

3 地下水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. 0 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P– 左右,而热网供暖为24 元P– 。燃油供暖为35 元P–左右，因此运行费用低是水源热泵的一个显着特点。

(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019～110 元PW 之间，而同样具备一机两用的溴化锂直燃机的价格在114～115元PW，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。

4 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。

节能

(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0104～0106kgPs。

(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：制冷工况下，进蒸发器水温为10～22 ℃;制热工况下，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。

5 水源热泵应用中有待探讨的问题

(1) 就目前我市实际运行的水源热泵机组来看，夏季制冷工况较为良好，而在冬季供热时却普遍存在大流量，小温差，热水出水温度低的问题，一方面可能是由于冬季地下水温度偏低引起的；另一方面说明机组的性能还有待于提高。

(2) 对于采用水源热泵机组的中央空调系统末端来说，末端采用风机盘管无疑是比较理想的，但对于末端采用大风量的新风机组或空调机组时应加以注意，尤其在寒冷的北方地区，多数水源热泵厂家提供的50～55 ℃的热水温度还是有些偏低。因而建议在必要的时候应对大风量的末端设备辅以额外的加热措施或将大风量的末端设备分解成若干个小风量的末端设备，以确保冬季送风参数的要求。

(3) 地下水水源热泵的应用必然带来地下水的开采问题，能否在一个城市或一个地区大量使用，如何解决取水井与回灌井的水位平衡问题，以及由于回灌井的回流速度问题能否给周围的建筑物造成安全及质量上的问题等都要进一步从理论上和实践上加以研究，并根据不同城市，不同地区，因地制宜制定相关政策。政府的职能部门应制定一套相关的优惠政策，加快水源热泵技术的开发研制及应用进度，使相关的问题得到尽快解决。

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6 结论语

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。