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一、水源热泵的工作原理水源热泵是以水为介质来提取能量实现制热和制冷的一个或一组系统。针对水源热泵机组，就是通过消耗少量高品位能量，将地表水中不可直接利用的低品位热量提取出来，变成可以直接利用的高品位能源的装置。水源热泵是利用太阳能和地热能来制冷、供热，应该说其属热泵中“地源热泵”的一种。经过严格测试及不同地区热泵的应用实例测算，水源热泵制热的性能系数在3.1—4.7之间，制冷的性能系数在3.5—6.7之间。1、水源热泵工作原理地球表面浅层水源（如深度在1000米以内的地下水、地表的河流、湖泊和海洋）吸收了太阳进入地球的辐射能量，这些水源的温度一般都十分稳定。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制冷剂提升温度后送到建筑物中。通常水源热泵水泵消耗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盘管，该组盘管一般水平或垂直埋于湖水或海水中，通过与湖水或海水换热来实现能量转移（该组盘管直接埋于土壤中的系统称为土壤源热泵，也是地源热泵的一种）；开式系统是指从地下或地表中抽水后经过换热器直接排放的系统。水源热泵无论是在制热还是制冷过程中均以水为热源和冷却介质，即用切换工质回路来实现制热和制冷的运行。然而，更为方便的是由水回路中的三通阀来完成。虽然在水源热泵系统图中表示了水源直接进入蒸发器（制冷时为冷凝器），在某些场合，为避免污染封闭的冷水系统（通常是处理过的），需间接地用一个换热器来供水；另一种方法是利用封闭回路的冷凝器水系统。水作为热泵制热、制冷过程的介质，满足以下两个条件即可利用：一是水的温度在7℃~30℃之间，二是水量要充足。水源水可以是各种工业用废水、生活用水、海水、江、河水等，甚至是各种工业余热。提取水中的热（冷）量比较简单易行的方式是打井，利用井泵提取地下水作为循环介质。冬季时，以地下水为“热源，源源不断的将7℃以上的地下水通过热泵机组的蒸发器提出大约4℃以上的热量，使其降至3℃再注回地下，水在地下渗流过程中又吸收地下热量，温度又升至7℃以上，然后又被提升上来，如此不断循环，机组吸收的热量再被机组的冷凝器释放出来，用以加热供暖的水系统，使供水温度可达55℃以上，此温度成为空调供暖（国家标准45℃）和地板热供暖（国家标准40℃）的最佳温度；夏季时，利用地下水（水温低于14℃）做冷却水，而常规制冷设备是利用冷却塔循环冷却，水温一般都在30℃~40℃,夏季的地下水只有14℃~18℃，要比循环冷却水温度低于16℃~22℃，从而提高了机组的工作效率，达到了节能、降耗的作用。过渡季节，应用中央空调可以考虑将地下水抽取上来直接作为冷媒输入系统，不需要机组开机运行，可以节省大量的能源。2、水源热泵的特点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接收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。水源热泵机组以水为载体，在冬季采集来自湖水、河水、地下水及地热尾水，甚至工业废水、污水的低品位热能，取得能量供给室内取暖；在夏季把室内的热量取出，释放到水中，以达到夏季空调供冷的目的。由于水源热泵技术利用地表水作为空调机组的冷热源，所以其具有以下优点：1）环保效益显著水源热泵是利用了地表水作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排烟、排污等污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音、霉菌污染及水耗。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）节能水源热泵使用的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。设计良好的水源热泵机组，与空气源热泵相比，相当于减少30%以上的电力消耗，与电供暖相比，相当于减少70%以上的电力消耗。所以，水源热泵在节能的同时还减少和降低了发电时一次能源消耗过程中产生的污染排放和温室效应。4）应用范围广可广泛的应用于宾馆、办公楼、学校、商场、别墅区、住宅小区的集中供热制冷，以及其它商业和工业建筑空调，并可用于游泳池、乳制器加工、啤酒酿造、冷轧锻造、冷库及室内种植和恒温养殖等行业上。5）一机多用利用一套设备即可供冷，又可供热，还可提供生活热水。对空调系统来说，一台热泵提供两种热源，可节省一次性投资，其总投资额仅为传统空调系统的60%，并且安装容易，安装工作量比其他空调系统少，安装工期短，更改安装也容易。6）自动化程度高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，自动控制程度高。7）没有任何污染水源热泵技术采用的制冷剂，可以是R22或R134A、R407和R410A等替代共质。水源热泵机组的运行没有任何污染，没有燃烧，没有排烟，不产生任何废渣，废水、废气和烟尘，使环境更优美。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。8）运行稳定、可靠，维护方便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、更稳定，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。由于系统简单，机组部件较少，运行简单、稳定，相对来说维护费用要低得多，使用寿命可长过20年以上。3、地温热泵中央空调系统的投资情况水源热泵中央空调系统和传统中央空调一样是由机房和末端组成。不同点在于：传统电制冷中央空调系统机房是由单冷水冷机组、冷却塔、水循环系统以及锅炉或集中供热系统所组成；水源热泵中央空调系统是由机房和水井供、回水系统组成。二者末端一室内风机盘管大同小异，不同点是水源热泵中央空调系统要求风机盘管选型要大一些，但热泵机组价格高于冷水机组。将二者比较一下即可看出，水源热泵中央空调系统增加了水井供、回水系统，风机盘管稍大些，主机稍贵些，但减少了冷却塔、锅炉或集中供热的热交换设备。因此，二者的初投资基本相当，有可能地温热泵中央空调还稍低些。水源热泵中央空调与溴化锂直燃机空调相比，初投资基本相当或者稍低些。常见的几种中央空调系统初投资都差不多，最诱人的是地温中央空调系统比任何一种中央空调都节能。4、地温热泵结合冰蓄冷技术众所周知，地温热泵机组可利用的地下回水温度越低，节能越显著。目前推广地温热泵机组很多，但大多只有空调工况，即机组制冷的供回水温度7/12℃，地下回水温度一般在8左右，若水温过低，将会由于机组的自动保护功能而使空调系统停止运行，反复停机开机影响机组的正常寿命。意味着在同样的制冷负荷条件下，冰蓄冷产品较其它同类产品减少了地下用水量，达到了节能的目的。该技术适用范围广，特别是夏季供冷大，冬季供热小的建筑物，如商场、超市以及交互使用的办公楼、住宅区等等，可采用冰蓄冷与地温热泵相结合的技术，可降低机组冷量配置，减少配置机组容量，提高机组利用率，保证了空调系统的可靠性。另外，由于采用了蓄冷技术，能够享受峰谷电价政策，大大节约运行成本二、空调应用条件介绍随着我国城市建设的发展,各类现代化建筑不断增多,在这些建筑中广泛采用中央空调统为人们提供一个舒适的环境。而空调耗能般占整个建筑能耗的60%以上,空调耗能占个城市能源消耗的比例也在不断增加。城市每年的用电高峰在夏季,空调制冷用电也是在6、7、8、9几个月,并出现在每天的用电高峰期间,空调在此时间内的耗电要占总发电量的30%左右,有的地区,如广州地区高达50%～60%。因此,空调系统的节能对整个节能工作有着较大的影响。而通过专家共同对地源热泵有关的环境问题开展了广泛和深入的研究。总结性地结论为：1）土壤源热泵系统是世界能源市场的成熟技术之一，与现存的用电供热/制冷技术相比具有稳定性能好、可靠性高、花费更少的优势，2）土壤源热泵系统经济上与燃油和燃气锅炉不相上下，3）如果考虑到包括环境效益、能源保障和长期利用在内，土壤源热泵系统是最好、技术含量最高的替代产品。根据利用地热源的种类和方式不同可以分为以下三类：土壤源热泵或称土壤耦合热泵（GCHP）,地下水热泵（GWHP）,地表水热泵（SWHP）。1.1土壤源热泵土壤源热泵以大地作为热源和热汇，热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。土壤源热泵系统主机通常采用水—水或热泵机组或水—气热泵机组。根据地下热交换器的布置形式，主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三类。垂直埋管换热器通常采用的是U型方式，按其埋管深度可分为浅层（30m）,中层（30～100m）和深层（100m）三种。埋管深，地下岩土温度比较稳定，钻孔占地面积较少，但相应会带来钻孔、钻孔设备的经费和高承压埋管的造价提高。总的来说，垂直埋管换热器热泵系统优势在于：（1）占地面积小；（2）土壤的温度和热特性变化小；（3）需要的管材最少，泵耗能低；（4）能效比很高。而劣势主要在于：由于相应的施工设备和施工人员的缺乏，造价偏高。水平埋管换热器有单管和多管两种形式。其中单管水平换热器占地面积最大，虽然多管水平埋管换热器占地面积有所减少，但管长应相应增加来补偿相邻管间的热干扰。水平埋管换热器热泵系统由于施工设备广泛使用而且施工人员易找，又加上许多家庭有足够大的施工场地，因此造价就可以减下来。除需要较大场地外，水平埋管换热器系统的劣势还在于：运行性能上不稳定（由于浅层大地的温度和热特性随着季节、降雨以及埋深而变化）；泵耗能较高；系统效率降低。蛇行埋管换热器比较适用于场地有限又较经济的情况下。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器20%～30%,但是用管量会明显增加。这种方式优缺点类似于水平埋管换热器，所以有的文献将其归入水平埋管换热器。1.2地下水热泵系统在土壤源热泵得到发展以前，欧美国家最常用的地源热泵系统是地下水热泵系统。目前在民用中已经很少使用，主要应用在商业建筑中。最常用的系统形式是采用水—水式板式换热器，一侧走地下水，一侧走热泵机组冷却水。早期的地下水系统采用的是单井系统，即将地下水经过板式换热器后直接排放。这样做，一则浪费地下水资源，二则容易造成地层塌陷，引起地质灾害。于是产生了双井系统，一个井抽水，一个井回灌。地下水热泵系统的优势是造价要比土壤源热泵系统低，另外水井很紧凑，不占什么场地，技术也相对比较成熟，水井承包商也容易找。其劣势就在于：1.有些地方法规禁止抽取或回灌地下水；2.可供的地下水有限；3.如水质不好或打井不合格要注意水处理；4.如泵选择过大、控制不良或水井与建筑偏远，泵耗能就会过大。1.3地表水热泵系统地表水热泵系统主要有开路和闭路系统。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。总的来说，地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。但是，在公共用的河中，管道或水中的其他设备容易受到损害。另外，如果湖泊过小或过浅，湖泊的温度会随着室外气候发生较大的变化，这就会产生效率降低，制冷或供热能力降低的后果。2、地源热泵中央空调系统应用条件地下水地源热泵系统应用条件：1、建筑项目附近地下水资源丰富，并便于实施供回水工程。2、地方政策允许利用地下水。3、地下水温适度，水质适宜，供水稳定，回灌顺畅。地表水地源热泵系统应用条件1、建筑项目附近有丰富的地表水（江、河、湖、海、水库水、污水、中水，地热尾水、工业废水等）2、水量充足，水温适度，水质经简单处理能达到