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浅谈水源热泵
摘要:本文通过概念剖析、图示举例简明扼要的介绍了水源热泵的概念和工作原理,并与锅炉和空气源热泵在能源利用角度作了对比,得出水源热泵技术是利用可再生能源的一种技术。同时着重剖析水源热泵的技术特点,应用现状,发展状况,从而得出结论,此项技术符合我国节能环保政策,具有推广价值。
关键词:水源热泵 闭式系统 开式系统 冷凝器 蒸发器 可再生能源
1. 水源热泵技术的概念
水源热泵技术是利用地球表面浅层水源如地下水、河流或湖泊水中吸收的地热和能太阳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。
地球表面浅层水源如地下水、地表的河流、湖泊和海洋中吸收了太阳辐射能量,并且水源的温度一般都比较稳定。水源热泵机组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,而冬季,则从水源中提取能量,由热泵原理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1kW的能量,用户可以得到4kW以上的热量或冷量。
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地下或湖水海水中,通过与土壤或海水换热来实现能量转移。（其中埋于土壤中的系统又称土壤源热泵,埋于海水中的系统又称海水源热泵）。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10～25℃,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40%左右,其运行费用为普通中央空调的50%～60%。因此,近十几年来,水源热泵空调系统在北美及中、北欧等国家取得了较快的发展,尤其是近五年来,中国的水源热泵市场也日趋活跃,使该项技术得到了相当广泛的应用,成为一种有效的供热和供冷空调技术。
中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,在相当长的时期内,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。在二十世纪八十年代以后,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,在二十世纪九十年代以后,对于取暖方式也开始有新的尝试和探讨,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的结构都正在转变,从原有的煤、石油取暖过渡到以天然气及电等清洁能源。中国的很多城市大气污染都比较严重,政府治理大气污染的政策中也包括能源结构的调整,从以煤为主改为天然气和电力替代能源。但是,替代能源虽然可以部分解决大气污染的问题,可是天然气和石油等都属于不可再生的能源,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一种比较理想的设备。
2. 水源热泵系统的组成和工作原理
水源中央空调系统的是由末端（室内空气处理末端等）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。
2.1 系统原理图:制热工况为例（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）,系统原理见下图:
2.2 分类: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地下或湖水海水中,通过与土壤或海水换热来实现能量转移。
开式系统也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。通过建造抽水井群将地下水抽出,通过二次换热或直接送至水源热泵机组,经提取热量或释放热量后,由回灌井群回地下。
2.3 水源热泵原理图:
深井回灌开式环路
地下水平式封闭环路3. 水源热泵的特点
由于水源热泵技术利用地表水作为空调机组的制冷制热的源,所以其具有以下特点:
3.1 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热能成为可能。所以,水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。
3.2 高效节能
水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12-22℃,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18-35℃,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。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30～40%的供热制冷空调的运行费用。
3.3 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。
3.4 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。水源热泵技术采用的制冷剂,可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代共质。
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。
3.5 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,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统,大大减少初投资费用。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。
3.6 制约因素
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15年以上。当然,象任何事物一样,水源热泵也不是十全十美的,其应用也会受到制约。
可利用的水源条件的限制,水源热泵理论上可以利用一切的水资源,然而在实际工程中,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,闭式系统一般成本较高。而开式系统,能否寻找到合适的水源就成为使用水源热泵的限制条件。对开式系统,水源要求必须满足一定的温度、水量和清洁度。
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,保证用后尾水的回灌可以实现。
3.7 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,水源热泵的出投资会偏高,所以在投资工程项目前要做好技术经济分析。
4. 水源热泵的发展前景
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,一种为海水热泵。其中地源热泵真正意义的商业应用也只有近十几年的历史,但发展相当迅速。如美国,截止1985年全国共有14,000台地源热泵,而1997年就安装了45,000台,到目前为止已安装了400,000台,而且每年以10%的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%,其中新建筑中占30%。
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,响应国家节约能源的号召,应加快中国水源热泵的产业化发展。