水源熱泵技術簡介

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【討論】水源熱泵技術簡介
1． 水源熱泵定義
　　水源熱泵是以水為介質(zhì)來提取能量實現(xiàn)制熱和制冷的一個或一組系統(tǒng)。針對水源熱泵機組，就是通過消耗少量高品位能量，將地表水中不可直接利用的低品位熱量提取出來，變成可以直接利用的高品位能源的裝置。 水源熱泵是利用太陽能和地熱能來制冷、供熱，應該說其屬熱泵中“地源熱泵”的一種。 經(jīng)過嚴格測試及不同地區(qū)熱泵的應用實例測算，水源熱泵制熱的性能系數(shù)在3.3—4.4之間，制冷的性能系數(shù)在4.1—5.8之間。

　　2. 水源熱泵工作原理

　　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、湖泊和海洋）吸收了太陽進入地球的輻射能量，這些水源的溫度一般都十分穩(wěn)定。水源熱泵機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制冷劑提升溫度后送到建筑物中。通常水源熱泵水泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。 水源熱泵根據(jù)對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)的換熱盤管，該組盤管一般水平或垂直埋于湖水或海水中，通過與湖水或海水換熱來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移（該組盤管直接埋于土壤中的系統(tǒng)稱為土壤源熱泵，也是地源熱泵的一種）；開式系統(tǒng)是指從地下或地表中抽水后經(jīng)過換熱器直接排放的系統(tǒng)。 水源熱泵無論是在制熱還是制冷過程中均以水為熱源和冷卻介質(zhì)，即用切換工質(zhì)回路來實現(xiàn)制熱和制冷的運行。然而，更為方便的是由水回路中的三通閥來完成。雖然在水源熱泵系統(tǒng)圖中表示了水源直接進入蒸發(fā)器（制冷時為冷凝器），在某些場合，為避免污染封閉的冷水系統(tǒng)（通常是處理過的），需間接地用一個換熱器來供水；另一種方法是利用封閉回路的冷凝器水系統(tǒng)。 水作為熱泵制熱、制冷過程的介質(zhì)，滿足以下兩個條件即可利用:一是水的溫度在7℃~30℃之間，二是水量要充足。水源水可以是各種工業(yè)用廢水、生活用水、海水、江、河水等，甚至是各種工業(yè)余熱。提取水中的熱（冷）量比較簡單易行的方式是打井，利用井泵提取地下水作為循環(huán)介質(zhì)。

　　由于水源熱泵技術利用地表水作為空調(diào)機組的冷熱源，所以其具有以下優(yōu)點：

　　 1） 環(huán)保效益顯著 水源熱泵是利用了地表水作為冷熱源，進行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。供熱時省去了燃煤、燃氣、然油等鍋爐房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，避免了排煙、排污等污染；供冷時省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音、霉菌污染及水耗。所以說，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術。

　　2） 高效 水源熱泵機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冷式和冷卻塔式，機組效率提高。據(jù)美國環(huán)保署EPA估計，設計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)的運行費用。

　　3） 節(jié)能 水源熱泵使用的電能本身為一種清潔的能源，但在發(fā)電時，消耗一次能源并導致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。設計良好的水源熱泵機組，與空氣源熱泵相比，相當于減少30%以上的電力消耗，與電供暖相比，相當于減少70%以上的電力消耗。所以，水源熱泵在節(jié)能的同時還減少和降低了發(fā)電時一次能源消耗過程中產(chǎn)生的污染排放和溫室效應。

　　4） 應用范圍廣 可廣泛的應用于賓館、辦公樓、學校、商場、別墅區(qū)、住宅小區(qū)的集中供熱制冷，以及其它商業(yè)和工業(yè)建筑空調(diào)，并可用于游泳池、乳制器加工、啤酒釀造、冷軋鍛造、冷庫及室內(nèi)種植和恒溫養(yǎng)殖等行業(yè)上。

　　 5） 一機多用 利用一套設備即可供冷，又可供熱，還可提供生活熱水。對空調(diào)系統(tǒng)來說，一臺熱泵提供兩種熱源，可節(jié)省一次性投資，其總投資額僅為傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的60%，并且安裝容易，安裝工作量比其他空調(diào)系統(tǒng)少，安裝工期短，更改安裝也容易。

　　6） 自動化程度高 水源熱泵機組由于工況穩(wěn)定，所以可以設計簡單的系統(tǒng)；部件較少，自動控制程度高。

　　7） 沒有任何污染 水源熱泵技術采用的制冷劑，可以是R22或R134A、R407和R410A等替代物質(zhì)。水源熱泵機組的運行沒有任何污染，沒有燃燒，沒有排煙，不產(chǎn)生任何廢渣，廢水、廢氣和煙塵，使環(huán)境更優(yōu)美?？梢越ㄔ煸诰用駞^(qū)內(nèi)，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。

　　8） 運行穩(wěn)定、可靠，維護方便水體的溫度一年四季相對穩(wěn)定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源。水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、更穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性，不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點問題。由于系統(tǒng)簡單，機組部件較少，運行簡單、穩(wěn)定，相對來說維護費用要低得多，使用壽命可長過20年以上。

　　特別提醒

　　合理利用地下水資源進行熱泵空調(diào)，在設計和使用上有兩個問題應予以關注。

　　（1）地下水源的選擇 采用地下水源熱泵時，選擇水源的原則應為：水量充足，水溫適當，水質(zhì)良好，供水穩(wěn)定。就某項工程來說，應根據(jù)當?shù)貙嶋H情況，判斷是否具備可資利用的地下水源，一項工程所需水量，主要取決于該項工程的冷熱負荷和地下水溫度，適用的地下水源條件是，水文地質(zhì)特征為砂、卵石、礫石地層以及裂隙地帶；含水層厚度大于5m，冬季地下水溫度不低于10℃。 此外，還要注意水質(zhì)情況，包括含砂量與渾濁度，以及水的化學性質(zhì)。含砂量與渾濁度高造成機組和管閥磨損，回灌時會造成含水層堵塞，因此，地下水源含砂量應小于20萬分之一，向地下含水層回灌水的渾濁度應小于20毫克/升；總礦化度小于3克/升，希望水中Cl小于100毫克/升，SO4 2-小于200毫克/升，F(xiàn)e2-小于1毫克/升，H2S小于0.5毫克/升，地下水腐蝕性條件達不到要求時，水源熱泵系統(tǒng)應考慮防腐措施。

　?。?）人工回灌 我國水資源非常缺乏，主管部門對開采地下水有嚴格管理，并且規(guī)定，除非有較大需水用戶進行二資利用，否則必須進行回灌。當然，為了保證地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)長期正常運行，以補充地下水源，調(diào)節(jié)水位，維持儲量平衡。為了避免在熱泵裝置中冷卻或加熱后回灌到地下的水，因短路而又被抽回，回灌井與取水井之間的距離應盡可能遠一些。目前，雖然還沒有回灌水質(zhì)的國家標準，但回灌水質(zhì)至少應等于原地下水水質(zhì)，以保證回灌后不會引起區(qū)域性地下水水質(zhì)污染。

　　因此，應遵守以下條款：　

　?。?）地下水應在封閉系統(tǒng)中輸送；

　?。?）熱泵空調(diào)系統(tǒng)中與地下水接觸的部件應采用耐腐蝕材料制造；

　?。?）取水管路上和回灌水管路上應裝有水表和采集水樣用的旋塞閥；

　　（4）定期對地下水進行化驗，并將化驗結果報送有關部門備案；

　?。?）如發(fā)現(xiàn)地下井水異常，特別是水中出現(xiàn)化學物質(zhì)或其它無關物質(zhì)時，應及時與有關部門聯(lián)系，并采取措施。地下水回灌的方法有三種，即：真空回灌、重力（自流）回灌和壓力回灌。 真空回灌：真空回灌是利用存頗低的靜水位（低于地面10m）形成真空進行回灌。含水層滲透性要良好。由于回灌時，對井的濾水層沖擊力不強，所以很適用于老井。采用真空回灌，對于細顆粒含水層，回灌量一般為取水量的1/3-1/2；對于粗顆粒含水層，回灌量可達取水量的1/2-2/3。 重力回灌：依靠自然重力進行回灌也適用于低水位和滲透性良好的含水層，此法的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單。對于砂卵石含水層，其回灌量一般為取水量的50％；對于滲透性好的礫卵石層來說，回灌量可達取水量的75-90℃。 壓力回灌：壓力回灌用于高水位和低滲透性的含水層，其缺點是回灌時，對井的濾水層和含水砂層的沖擊力強。上海曾廣泛采用此法進行回灌。 為了預防井管堵管，及時清除堵塞含水層和井管的雜質(zhì)，在進行回灌以后，經(jīng)常開泵，排除回灌井水中的過堵塞物，即進行回場。回灌井的回揚次數(shù)和回揚持續(xù)時間，主要取決于含水層顆粒大小和滲透性。在巖溶裂隙含水層中的回灌井，長期不回揚，回灌能力仍能維持不變，在松散粗大顆粒含水層中的回灌井，每周回揚1-2次，在中、細顆粒含水層中的回灌井，回揚間隔應進一步縮短，而對于細顆粒含水層中的回灌井來說，經(jīng)常回場尤為重要。

　　因此，系統(tǒng)調(diào)試完成并正常運行之后，為了預防井管堵管，及時清除堵塞含水層和井管的雜質(zhì)，保證系統(tǒng)的可靠運行，需每年對回灌井和抽水井進行清理一次，費用為每眼井5000元左右。