淺談蓄能型水源熱泵的應用

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　摘要：介紹了水源熱泵的工作原理，并從四個方面進行了可行性分析，同時指出了日前存在的問題以及推廣應用所應采取的措施。

　　一、概述

　　水源熱泵系統(tǒng)是應用地球表面淺層水源如江、河、湖、海水和地下水吸收的太陽能和地熱能而形成的低位熱能，通過少量的高位電能輸入，經(jīng)過逆向熱力循環(huán)，品位熱能的一種熱力系統(tǒng)。地表土壤和水體不僅是一個巨大的太陽能集熱器，而且是一個巨大的動態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地表的土壤和水體自然地保持能量的接受和發(fā)散的相對的均衡。水源熱泵系統(tǒng)的基本工作局勢在夏季將建筑物種的熱量轉移到水源中，而冬季通過逆向熱力循環(huán)，從水源中提取熱量。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溫度，特別是地下水溫度保持常年恒定，是很好的空氣冷源和熱泵熱源。因為水體溫度的恒定，使得水源熱泵系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、不受外界氣候變化的影響，高效節(jié)能，且不存在空氣源熱泵冬季除霜的難點問題。因此，水源熱泵系統(tǒng)是值得深入研究和積極推廣應用的一項以節(jié)能和環(huán)保，可再生能源利用為特征的先進技術。這項起始于1912年的技術，最近10年在歐美工業(yè)發(fā)達國家取得了迅速的發(fā)展，已成為一項成熟的應用技術。在我國，水源熱泵技術的研究在20世紀90年代末已成為工程實踐也刮起一股 “水源空調”的熱潮。

　　二、工作原理

　　熱泵的工作原理是從周圍環(huán)境中吸收熱量而傳遞給被加熱的對象，其工作原理與制冷機相同，按熱機的逆循環(huán)工作的，所不同的只是工作范圍不同，對于熱泵來說就是可逆的冷凍循環(huán)，正循環(huán)時由需要的制冷空間吸熱而將其熱排棄到空氣或水中，稱為制冷工況，逆循環(huán)時則向外界的空氣或水中吸熱而傳遞到需要采暖的房間稱為制熱工況。

　?。?）制冷工況：制冷時恒溫控制器啟動離心風機，打開方向閥示制冷方向，此時低溫低壓的冷媒進入壓縮機壓縮成高壓氣體，再經(jīng)方向閥進入冷媒（水的散熱器）而冷凝成液體。冷媒通過毛細管而進入冷媒（空氣的蒸發(fā)器），蒸發(fā)成為低溫氣體，該氣體吸收從風機吹過盤管的空氣之熱而使溫度降低，循環(huán)不斷往復進行制冷。

　　（2）采暖供熱工況：采暖供熱時，恒溫控制器啟動離心風機打開反向閥使其朝向采暖供熱方向，此時低溫低壓冷媒進入壓縮機壓成高溫高壓氣體，再經(jīng)反向閥進入冷媒空氣葉片盤管的散熱器冷凝為液體，次冷媒液由風機吹過盤管的空氣釋放熱能，使其溫度身高，冷媒液再經(jīng)過一個細管而進入冷媒蒸發(fā)器，吸收循環(huán)水熱能而蒸發(fā)為低溫氣體，低溫低壓的冷媒氣體經(jīng)過反向閥進入壓縮機入口成為下一循環(huán)的開始往復循環(huán)采暖供熱。

　　三、可行性分析

　　1.技術可行性分析

　　地下水資源狀況分析表明，我國很多地區(qū)地下水資源較為豐富。地下水資源根據(jù)埋藏深度不同具有不哦它能夠的溫度變化規(guī)律。埋深3～5米具有晝夜變化規(guī)律，埋深5～50米具有年變化規(guī)律，埋深50米以上的深井地下水水溫很少受季節(jié)變化影響，常年基本保持不變。我國華北地區(qū)深井水的溫度為14-18℃，長江中下游地區(qū)為19～24℃。與環(huán)境溫度相比深井水冬溫夏涼，對于熱泵的高效穩(wěn)定運行十分有利。我國成功地開發(fā)了深井水回灌技術，控制了地面沉降，同時通過采用“冬灌夏用”和“夏灌冬用”技術，進一步提高了深井水溫的可利用水平。

　　2.政策的可行性

　　隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源短缺及環(huán)境問題日趨嚴重。為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，我國制定了一系列能源與環(huán)境政策、鼓勵開發(fā)利用節(jié)能環(huán)保新技術。而開發(fā)利用地下天然的冷熱源能夠為空調帶來節(jié)能和環(huán)保雙重效益，越來越受到人們的重視。據(jù)美國環(huán)境署的一份有關空調未來發(fā)展報告所得出的結論：水源熱泵技術將成為降低國家能耗和環(huán)境污染的一份主要力量。1997年11月美國能源部和中國科技部簽署了中美能源效率及可再生能源合作協(xié)議書，分別要在中國北部、中部和南部建立三個綜合利用常溫地熱資源的熱泵示范工程，待總結經(jīng)驗后，大規(guī)模推廣，這就為這一節(jié)能環(huán)保技術提供了強有力的政策主持。

　　3.經(jīng)濟性分析

　　使用該技術后可以使冷熱水蓄存的地下水溫度應用品位遠高于常規(guī)地下水溫，可大大提高熱泵的供冷供熱的性能系數(shù)。不僅可降低機組能耗，節(jié)省運行費用，而且可減少機組尺寸、降低設備投資。由于大幅度提高了地下水可供經(jīng)濟利用的溫差，單井供熱供冷能力可提高一倍左右，大大減少了冷熱水井的數(shù)量，并節(jié)省造井投資。給出了與常規(guī)系統(tǒng)初投資和運行費的比較，從表中可以看出，在節(jié)省運行費和初投資方面具有較為顯著優(yōu)勢，具有經(jīng)濟上的可行性。

　　4.節(jié)能性分析

　　常規(guī)地下水源熱泵有效地利用了低品味的地熱能，節(jié)省了大量的高品位能源，加之地下深井水溫冬暖夏涼，大大提高了熱泵機組的運行效率，節(jié)省效果明顯。與電鍋爐供熱系統(tǒng)相比，可以節(jié)省60％以上的電能，與燃料鍋爐供熱系統(tǒng)相比可節(jié)省50％以上的能量，與空氣源熱泵系統(tǒng)相比較可節(jié)省30-40％能量，而該技術實現(xiàn)了熱水井冬夏季交互作用，不僅充分利用了低品位的地熱能，同時又有效地利用了熱泵機組的排放熱量，使機組效率進一步提高。

　　四、存在的問題

　　我國地下水源熱泵技術的研究和應用尚處于起步階段，因此還面臨一些急待需要解決的問題。

　　1.深井水回灌難以保證。據(jù)調查，國內目前已投入使用的地下水源熱泵系統(tǒng)的應用工程有相當一部分未能保證深井水100％回灌，其原因有三，一為地下水回灌是一項技術性很強的工作，并不是普通打井隊就能承擔的；二是為節(jié)省回灌井所需一次性投資，不設回灌井；三是如果采用壓力回灌，勢必增加一定的能耗及運行費，用戶不愿設回灌井不采用壓力回灌。

　　2.尚未形成技術成熟的地下水源熱泵產(chǎn)品。地下水源熱泵冷熱水機組工況參數(shù)的確定以及性能的適用性直接關系到地下水源熱泵系統(tǒng)的全年正常運行和能量消耗。但是，由于我國目前還沒有標準可循，市場所提供的產(chǎn)品大部分未進行正確、嚴格的設計計算，也未進行過權威季國的檢測，不但額定制冷、供熱工況五花八門，而且?guī)缀蹙唇o出全性能參數(shù)，特別是水量變化條件下，對制冷或供熱量以及輸入功率的影響。

　　五、結論

　　1.改進現(xiàn)有深井探測技術，提高成井質量、出水量、回灌量，保證長年運行，進一步完善回灌蓄能技術，保護地下水資源，提高蓄能利用率。

　　2.建立良好的示范工程，及時總結經(jīng)驗，以便更好地推廣應用。

　　3.制造廠家應積極開發(fā)適合蓄能水源特點的大溫差小流量機組，重視產(chǎn)品的性能與運行可靠性，特別是變工況運行的可靠性，以便適用于不同地區(qū)用戶。

　　4.積極開展機組的性能試驗研究，盡快制定國家標準，以規(guī)范其技術。 5.國家以及地方政府應盡快制定有關政策和措施，鼓勵并支持該技術的發(fā)展。