本文首先介紹了水源熱泵技術(shù)的概念和工作原理,并與鍋爐和空氣源熱泵在能源利用角度作了對(duì)比,得出水源熱泵技術(shù)是利用可再生能源的一種技術(shù)。隨后,詳細(xì)地描述了水源熱泵的特點(diǎn)并介紹了國(guó)內(nèi)外關(guān)于地源應(yīng)用的基本情況和中國(guó)目前水源熱泵開發(fā)應(yīng)用的前景。 一、水源熱泵技術(shù)的概念和工作原理 水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽能和地?zé)崮芏纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源,并采用熱泵原理,通過少量的高位電能輸入,實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。 地球表面淺層水源如深度在1000米以內(nèi)的地下水、地表的河流和湖泊和海洋中,吸收了太陽進(jìn)入地球的相當(dāng)?shù)妮椛淠芰浚⑶宜吹臏囟纫话愣际址€(wěn)定。水源熱泵機(jī)組工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中,由于水源溫度低,所以可以高效地帶走熱量,而冬季,則從水源中提取能量,由熱泵原理通過空氣或水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中。通常水源熱泵消耗1kW的能量,用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。 水源熱泵機(jī)組工作的原理: 水源熱泵根據(jù)對(duì)水源的利用方式的不同,可以分為閉式系統(tǒng)和開式系統(tǒng)兩種。閉式系統(tǒng)是指在水側(cè)為一組閉式循環(huán)的換熱套管,該組套管一般水平或垂直埋于地下或湖水海水中,通過與土壤或海水換熱來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。(其中埋于土壤中的系統(tǒng)又稱土壤源熱泵,埋于海水中的系統(tǒng)又稱海水源熱泵)。開式系統(tǒng)是指從地下抽水或地表抽水后經(jīng)過換熱器直接排放的系統(tǒng)。 與鍋爐(電、燃料)和空氣源熱泵的供熱系統(tǒng)相比,水源熱泵具明顯的優(yōu)勢(shì)。鍋爐供熱只能將90%~98%的電能或70~90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量,供用戶使用,因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能,比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量;由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定,一般為10~25℃,其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.5~4.4,與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比,要高出40%左右,其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的50~60%。因此,近十幾年來,尤其是近五年來,水源熱泵節(jié)能裝備在北美如美國(guó)、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國(guó)家取得了較快的發(fā)展,中國(guó)的水源熱泵市場(chǎng)也日趨活躍,可以預(yù)計(jì),該項(xiàng)技術(shù)將會(huì)成為21世紀(jì)最有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)?! ≡谥袊?guó)的傳統(tǒng)的節(jié)能裝備概念中,由于國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和政策的影響,在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期中,北方一般以燃煤鍋爐解決冬季取暖問題,在南方以水冷機(jī)組解決夏季制冷問題。在二十世紀(jì)八十年代以后,制冷機(jī)組的方式開始多樣化,此時(shí),出現(xiàn)了溴化鋰機(jī)組、風(fēng)冷機(jī)組,機(jī)組的容量也從原有的大中型機(jī)組過渡為大中小型機(jī)組,在二十世紀(jì)九十年代以后,對(duì)于取暖方式也開始有新的嘗試和探討,特別是隨著可持續(xù)發(fā)展和公眾環(huán)保意識(shí)的提高,世界和中國(guó)能源利用的結(jié)構(gòu)都正在轉(zhuǎn)變,從原有的煤、石油取暖過渡到以天然氣及電等清潔能源。北京作為大氣污染最為嚴(yán)重的城市之一,其治理大氣污染的政策中就包括能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整,從以煤為主改為天然氣和電力替代能源。但是,替代能源雖然可以部分解決大氣污染的問題,可是天然氣和石油等都屬于不可再生的能源,從可持續(xù)發(fā)展的角度看,必須提高能源利用效率或者尋找可以再生的能源,而水源熱泵機(jī)組就是比較理想的一種設(shè)備。二、水源熱泵的特點(diǎn) 由于水源熱泵技術(shù)利用地表水作為空調(diào)機(jī)組的制冷制熱的源,所以其具有以下優(yōu)點(diǎn):1. 屬可再生能源利用技術(shù) 水源熱泵是利用了地球水體所儲(chǔ)藏的太陽能資源作為冷熱源,進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖節(jié)能裝備。其中可以利用的水體,包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水體不僅是一個(gè)巨大的太陽能集熱器,收集了47%的太陽輻射能量,比人類每年利用能量的500倍還多(地下的水體是通過土壤間接的接受太陽輻射能量),而且是一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)能量平衡系統(tǒng),地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發(fā)散的相對(duì)的均衡。這使得利用儲(chǔ)存于其中的近乎無限的太陽能或地能成為可能。所以說,水源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術(shù)。2. 高效節(jié)能 水源熱泵機(jī)組可利用的水體溫度冬季為12-22℃,水體溫度比環(huán)境空氣溫度高,所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高,能效比也提高。而夏季水體為18-35℃,水體溫度比環(huán)境空氣溫度低,所以制冷的冷凝溫度降低,使得冷卻效果好于風(fēng)冷式和冷卻塔式,機(jī)組效率提高。據(jù)美國(guó)環(huán)保署EPA估計(jì),設(shè)計(jì)安裝良好的水源熱泵,平均來說可以節(jié)約用戶30~40%的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。3. 運(yùn)行穩(wěn)定可靠 水體的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定,其波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動(dòng)。是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源,水體溫度較恒定的特性,使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定,也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)問題。4. 環(huán)境效益顯著 水源熱泵的使用電能,電能本身為一種清潔的能源,但在發(fā)電時(shí),消耗一次能源并導(dǎo)致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。所以節(jié)能的設(shè)備本身的污染就小。設(shè)計(jì)良好的水源熱泵機(jī)組的電力消耗,與空氣源熱泵相比,相當(dāng)于減少30%以上,與電供暖相比,相當(dāng)于減少70%以上?! ∷礋岜眉夹g(shù)采用的制冷劑,可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代共質(zhì)?! ∷礋岜脵C(jī)組的運(yùn)行沒有任何污染,可以建造在居民區(qū)內(nèi),沒有燃燒,沒有排煙,也沒有廢棄物,不需要堆放燃料廢物的場(chǎng)地,且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。5. 一機(jī)多用,應(yīng)用范圍廣 水源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào),還可供生活熱水,一機(jī)多用,一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對(duì)于同時(shí)有供熱和供冷要求的建筑物,水源熱泵有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。不僅節(jié)省了大量能源,而且用一套設(shè)備可以同時(shí)滿足供熱和供冷的要求,減少了設(shè)備的初投資。水源熱泵可應(yīng)用于賓館、商場(chǎng)、辦公樓、學(xué)校等建筑,小型的水源熱泵更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。 6. 自動(dòng)運(yùn)行 水源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定,所以可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng),部件較少,機(jī)組運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠,維護(hù)費(fèi)用低;自動(dòng)控制程度高,使用壽命長(zhǎng)可達(dá)到15年以上。當(dāng)然,象任何事物一樣,水源熱泵也不是十全十美的,其應(yīng)用也會(huì)受到制約。⑴ 可利用的水源條件限制 水源熱泵理論上可以利用一切的水資源,其實(shí)在實(shí)際工程中,不同的水資源利用的成本差異是相當(dāng)大的。所以在不同的地區(qū)是否有合適的水源成為水源熱泵應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵。目前的水源熱泵利用方式中,閉式系統(tǒng)一般成本較高。而開式系統(tǒng),能否尋找到合適的水源就成為使用水源熱泵的限制條件。對(duì)開式系統(tǒng),水源要求必須滿足一定的溫度、水量和清潔度。 ⑵ 水層的地理結(jié)構(gòu)的限制 對(duì)于從地下抽水回灌的使用,必須考慮到使用地的地質(zhì)的結(jié)構(gòu),確??梢栽诮?jīng)濟(jì)條件下打井找到合適的水源,同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)和土壤的條件,保證用后尾水的回灌可以實(shí)現(xiàn)。⑶ 投資的經(jīng)濟(jì)性 由于受到不同地區(qū)、不同用戶及國(guó)家能源政策、燃料價(jià)格的影響,水源的基本條件的不同;一次性投資及運(yùn)行費(fèi)用會(huì)隨著用戶的不同而有所不同。雖然總體來說,水源熱泵的運(yùn)行效率較高、費(fèi)用較低。但與傳統(tǒng)的空調(diào)制冷取暖方式相比,在不同地區(qū)不同需求的條件下,水源熱泵的投資經(jīng)濟(jì)性會(huì)有所不同。