水源热泵技术（水源热泵的发展及其在我国的利用）

本文目录

• 水源热泵的发展及其在我国的利用
• 水源热泵系统的工作原理是怎样的有什么优点啊
• 什么是水源热泵技术
• 有关水源热泵的知识

水源热泵的发展及其在我国的利用

郭高轩

（北京市地质工程勘察院地热工程研究所）

摘要：本文探讨了水源热泵的概念及分类，简要阐述了其工作原理、技术特点和难点，并对国内外的发展和利用现状进行了综述，最后指出了目前应用中存在的问题，并对未来的发展作了初步展望。

1 引言

随着能源危机和环境污染的矛盾日益突出，以环保、绿色和节能为特征的能源研发成为各国发展的主流。由于供暖和制冷在能耗中都占有相当大的比例，从而使水源热泵技术近年来备受关注和重视。它以高能效比、稳定的运行工况、低运行费用、低初投资以及便于管理等优点在世界诸多国家能源结构中扮演愈来愈重要的角色［1］。

2 概念及分类

热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。其分类方法很多，最常用的是以低位热源种类分，可分为水源热泵、土壤源热泵、空气源热泵和太阳能热泵，水源热泵又可以分为地下水水源热泵和地表水水源热泵。通常，人们习惯于把前二者合称地源热泵。但在有的文献中，人们将利用封闭的地埋管系统吸收盘管四周土壤热量的系统称为地源热泵，而将具有抽取和回灌地下水系统的装置称为地下水水源热泵。目前，我国国内对于这一领域的概念分类还是没有明确界定，名称引用比较混乱。

水源热泵系统首先通过潜水泵、过滤器为水源热泵机组提供水源，热泵机组利用少量的电能提取水（通常为地下水）中低位能并将其聚变为高品位能量供末端用户使用，从而达到夏季制冷和冬季制热的目的［2～4］。

3 水源热泵技术的特点

与传统的制热、制冷设备和技术相比，水源热泵技术具有以下优点：

（1）可再生性：浅层介质的地温几乎始终维持在一个恒定水平上，水源可以循环利用，不断的提取，使得水源热泵技术成为可再生能源一种形式；

（2）经济性：经多数实例统计计算，通常水源热泵比电锅炉加热节省三分之二以上的费用，比燃料锅炉可节省二分之一以上的费用；

（3）环保性：水源热泵的污染物排放与空气热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少30%以上。与燃油锅炉和燃煤锅炉相比更显优势。由于其没有燃烧，没有排烟，完全达到国家废物零排放的环保理念；

（4）节能性：以水为载体，以浅层地下水为主要来源，冬季将低品位的热能提升供暖，夏季将低品位的冷能提升供制冷，一个运行周期内能量基本维持平衡，大多数水源热泵系统的COP都可达到3.0以上，有的甚至达到5.0；

（5）灵活性：不仅可以供暖、供冷，而且还可以供生活热水。此外，水源热泵系统占地面积比较小、节省场地，场地清洁，可以安装于宾馆、商场、办公楼、学校和别墅等。此外，热泵的机组轻巧，便于安装和维修、更换［5～6］。

4 国内外发展现状

1912年，瑞士人提出“热泵”的概念，1946年第一个热泵系统在美国俄勒冈州诞生。1974年起，瑞士、荷兰和瑞典等国家政府逐步资助建立示范工程。20世纪80年代后期，热泵技术日臻成熟。在过去的10年时间里，大约30个国家的热泵平均增长速率达到10%，在国际社会中，由于其在减少二氧化碳方面得到普遍认可而受到足够重视和快速发展。

在美国，每年接近安装5～6万套热泵机组，超过600个学校安装了热泵系统进行供暖和制冷。在瑞士，由于高原气候条件，冬天日照少，水源热泵系统已经以每年15%的速度快速增长。目前，瑞士有超过25万台热泵系统在运行，成为世界上利用热泵密度最大的国家。在英国，尽管地质条件非常复杂。但是热泵技术也从非常小的起步发展到遍及整个英国。涉及领域有：私人建筑、房地产开发、公共设施等。目前，瑞典的地源热泵安装基本占总需求负荷的60%，尤其是进入到21世纪之后，瑞典的热泵安装增长更为迅速，仅2001年热泵销售就突破25000台。澳大利亚虽然大部分国土位于热带，但是引入热泵的数量也达到30000多套［7～8］。

我国的热泵研究始于20世纪50年代，由天津大学的部分学者牵头，但是由于多种原因，发展缓慢，直到80年代末90年代初，相关领域掀起了一股“热泵热”。进入21世纪以来，我国在热泵模型仿真、试验装置、能耗评价以及系统材质研究等方面取得了一批显著成果。

图1 水源热热泵相关文献搜索结果统计图

在中国科技官方数据库——中国期刊网上，笔者分别对“热泵”和“水源热泵”进行了题名和关键词搜索，搜索结果如图1。可以看出，进入21世纪以来，随着国家可再生能源法的颁布，热泵技术以及水源热泵极大地吸引了广大科技工作者的注意。这也符合国家提出的绿色经济、构建和谐社会和走可持续发展的方针。以百度搜索引擎搜索“热泵”和“水源热泵”，搜索到的网页分别为514000和86000，以google搜索的结果分别为446000和156000。从1989年到2005年，我国科技工作者以热泵为关键词发表的科技文章总计达到2872篇。其中2001年到2005年的文献数量占总数的66.7%。

目前，我国利用热泵技术的城市达30多个，据有关部门统计，全国范围内利用水源热泵和土壤源热泵技术的面积已达3000万m2，截至2004年底，仅北京地区利用水源热泵和土壤源热泵技术供暖和制冷的面积已达到500万m2［9］。

5 存在的问题

5.1 经济性分析不足

缺乏适宜性评价，盲目投资，扩大开发规模问题严重。水源热泵技术是一项系统工程，有其自身适用的条件。地区之间因能源价格不同、气候条件不同、水源条件不同，造成初投资和运行费用存在较大差异，所以要针对不同地区、不同用户进行经济性分析。要综合经济、社会、环境等各方面的因素进行效益评价，寻求最合适的地热能利用方式。目前，盲目跟风显著、示范成功工程偏少。

5.2 政策规范制定落后于市场需求

目前，热泵技术还缺少相关的政策法规和技术要求。具体表现在，①工程设计缺乏系统的设计规范和标准，大都处在无标准可依状态；②对开发单位缺乏资质管理，实施的工程缺乏论证；③缺乏协同作业，大都是暖通空调专业管地上、地质专业人员管地下，造成许多热泵系统匹配差，失败案例较多；④后续管理政策相对滞后。比如后期维护和相关环境地质问题（地面沉降、热污染等）监测多数未进行等。

5.3 系统缺乏优化

系统安全性和稳定性有待提高。目前，大多数热泵系统用的工质都是R22，根据蒙特利尔议定书，R22将于2010年禁止使用。安全性和环保性的新型工质研究是未来必须解决的问题。另外，系统腐蚀问题造成的寿命缩短往往被忽视。系统整体匹配和分区域控制技术研究不足，利用效率偏低，系统优化投入偏少［10］。

6 展望

6.1 迅速制定相关政策法规和技术规范

随着“倡导构建节约型社会，发展绿色环保型经济”热潮的兴起。热泵技术已成为当前研究和推广的热点。尤其是在建设“宜居城市”、“生态城市”的竞赛中，各大城市都相继不允许再建以煤、油为燃料的锅炉房。

那么就迫切需要能够正确地引导推广热泵技术的相关法规尽早出台。政府应成立相关的管理部门，尽早制定相应的评价体系和具体操作流程，如水源热泵系统开发的适宜性评价、水源热泵系统的环境影响评价等；此外还需要由专家编纂相应的技术规范，对热泵机组参数、系统设计、安全稳定性维护以及开采与回灌等工程的实施进行规范化。

6.2 适宜性评价和系统优化

第一，水源必须满足要求，主要有地下水水量、水质和水温。水源热泵系统对水文地质条件有很强的依赖性，而地质结构具有很强的非均质性，一个地区的开发利用模式不能生搬硬套到另外一个地区。例如：有的地区含水层富水性好，大多为砂卵砾石，不仅可以减少开采井和回灌井的数量，还能够达到百分百的回灌，而有的则完全不行。各地区应结合本地的地质情况和气候条件进行适宜性评价、合理规划，建立适合自身的开发利用体系是当务之急。

第二，系统的匹配优化问题。应结合当地的水文、气象、水文地质条件及负荷要求，优化总井数（抽水井和回灌井）、井深、井身结构和成井工艺。

第三，后期运行和维护技术的研究。应及时对系统运行工况进行监测，对系统腐蚀和水井老化（砂堵、岩化、胶结）等问题进行研究，并提出相应的防治和治理措施。此外，应对噪音污染、热污染等问题进行专题研究［11］。

6.3 多系统联合研究，扩大应用范围

水源热泵系统虽然有诸多优点，但是它总有不足之处，例如它受到水量、水质、冬季表层土壤冻结等因素的限制，所以应当开展关于土壤、水源、空气、太阳能、地热、废热等的双联甚至三联热泵的研究，以此来扩大热泵的应用范围，满足不同用户的需求［12］。

此外对水源热泵系统的设计进行优化和相关仪器的研究如：岩土热物性测试仪的研制，分区域控制器的研究等也将是亟需解决的问题。相信在不久的将来，绿色能源技术——水源热泵技术必将在采暖制冷、节能、环保领域发挥越来越大的作用，为国民经济的发展、生态环境的保护、能源结构的优化等方面做出应有的贡献。

参考文献

［1］Arif Hepbasli，Leyla Ozgener，Development of geothermal energy utilization in Turkey：a review，Renewable and Sustainable Energy Reviews，2004，（8）：433～460

［2］马最良，热泵技术（上），电力需求侧管理，2003，5（5）：58～60

［3］马最良，热泵技术（下），电力需求侧管理，2003，5（6）：58～62

［4］龚明启，冀兆良，浅议热泵分类，河北能源职业技术学院学报，2005，（1）：60～63

［5］郭莹，水源热泵的应用特点，建筑技术开发，2003，（10）：94～95

［6］高小青，浅谈水源热泵空调系统的优缺点，安装，2005，（8）：30～32

［7］Steve Kavanaugh.Design consideration for ground and water source heat pumps in southern climates，ASHRAE trans，1989，95（1）：1139～1148

［8］胡鸣明，刘宪英，国外地源热泵的发展历史与设计方法，四川制冷，1999，（2）：20～23

［9］王芳，范晓伟，周光辉等，我国水源热泵研究现状，流体机械，2003，（4）57～59

［10］张自力，水源热泵若干问题探讨，机械研究与应用，2004，（5）：90～92

［11］文远高，郑重，地下水资源在住宅空调中应用的方式及注意的问题，住宅科技，2004，（6）38～40

［12］武云甫，田峰，高岩，住宅水源热泵规划设计，技术交流，2004，（6）36～39

水源热泵系统的工作原理是怎样的有什么优点啊

水源热泵技术是利用地球表面浅层水源中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高为电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。水源热泵机组工作的大致原理是，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，则从水源中提取热量。其具体工作原理如下：在制冷模式时，高温高压的制冷剂气体从压缩机出来进入冷凝器，制冷剂向地下水中放出热量，形成高温高压液体，并使冷却水温度升高。制冷剂再经过膨胀阀膨胀成低温低压液体，进入蒸发器吸收建筑制冷用水中的热量，蒸发成低压蒸汽，并使冷冻水水温降低。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温高压气体，如此循环在蒸发器中获得冷冻水。在制热模式时，高温高压的制冷气体从压缩机出来进入冷凝器，制冷剂向建筑供暖用水中放出热量而冷却成高压液体，并使供热水水温升高。制冷剂再经过膨胀阀膨胀成低温低压液体，进入蒸发器吸收地下水中的热量，蒸发成低压蒸汽，并使低温热源水水温降低。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温高压气体，如此循环在冷凝器中获得热水。水源热泵与常规空调技术相比，有以下优点： 高效节能水源热泵是目前空调系统中能效比（COP值）最高的制冷、制热方式，理论计算可达到7，实际运行为4～6。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。而夏季水体温度为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，从而提高机组运行效率。水源热泵消耗1kW.h的电量，用户可以得到4.5～6.0kW.h的热量或5.0～6.2kW.h的冷量。与空气源热泵相比，其投资费用比空气源热泵少60%，运行费用仅为普通中央空调的40～60%。 可再生能源水源热泵是利用了地球地下水所储藏的太阳能资源作为热源，利用地球水体自然散热后的低温水作为冷源，进行能量转换的供暖空调系统。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能成为可能。所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。 节水省地以地下水为冷热源，向其放出热量或吸收热量，不消耗水资源，不会对其造成污染；省去了锅炉房及附属煤场、储油房、冷却塔等设施，机房面积大大小于常规空调系统，节省建筑空间。 环保效益显著水源热泵机组供热时省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉房系统，无燃烧过程，避免了排烟、排污等污染。所以，水源热泵机组运行无任何污染，无燃烧、无排烟，不产生废渣、废水、废气和烟尘，不会产生城市热岛效应，对环境非常友好，是理想的绿色环保产品。 应用范围广水源热泵系统可供暖和制冷，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。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。其总投资额仅为传统空调系统的60%，并且安装容易，安装工作量比传统空调系统少，安装工期短，更改安装也容易。水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑。 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，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；采用全电脑控制，自动程度高。由于系统简单、机组部件少，运行稳定，因此维护费用低，使用寿命长。

什么是水源热泵技术

水源热泵技术是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热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。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，进入能量转换的供暖空调系统。水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12～22℃，夏季水体为18～35℃，能效比较高。水源热泵空调除了可供暖、供冷外，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的供暖和空调系统。

有关水源热泵的知识

以下是我为公司写的材料、不管怎样请相信我是原创、风冷热泵机组是由压缩机——换热器——节流器——吸热器——压缩机等装置构成的一个循环系统。冷媒在压缩机的作用下载系统内循环流动。它在压缩机内完成气态的升压升温过程（温度高达100℃），它进入换热器后释放出高温热量加热水，同时自己被冷却并转化为流液态，当它运行到吸热器后，液态迅速吸热蒸发再次转化为气态，同时温度下降至零下20℃——30℃，这时吸热器周边的空气就会源源不断的将低温热量传递给冷媒。冷媒不断的循环就实现了空气中的低温热量转变为高温热量并加热冷水过程。风冷式热泵机组缺点：1、冬季环境温度越低，机组供热量越小，而对用户来讲，环境温度越低，需要的供热量反而越大，特别是当冷凝器表面温度低于0℃时，此时机组必须进行除霜，而重复性的除霜不仅降低了机组的供热性能系数，并且还会造成机组出水温度的波动，相关文献显示除霜损失约占热泵总能耗损失的10%左右；夏季情况则相反，环境温度越高，用户需要的制冷量越大，而此时机组的制冷量反而要降低。因此风冷式热泵机组的制冷制热系数都偏低。2、在选择风冷热泵机组时还应考虑建筑物的蓄冷（热）符合。一般公共建筑，空调设备往往是间歇运行，白天运行、夜间关闭，这样在第二天运行时，由于建筑物的蓄冷（热），房间温度需要运行一定的时间后才达到设定值，如果要求算端着一时间，在选择祭祖时就要考虑蓄冷（热）符合，与预冷（热）时间有关，一般冷（热）时间按2~3h考虑。3、安装风冷式热泵机组是，其周围必须有一定的工作空间，以防止机组排出的空气又从机组的进风口吸入，从而造成机组冷凝压力不正常上升（冬季蒸发温度出现不正常的下降），使机组制冷（热）性能恶化。4、当机组露天设置在建筑物屋顶时，必须考虑台风或强风的防护。沿海地区以及有很强季节风的地区，当采用侧吹风风冷热泵机组，并且台风或强风正面吹向机组出风口时，机组的出风量会减少，从而造成冷凝压力上升，直至高压保护开关将机组关闭，同时强大的逆向压力可能使运行中的风机受损。5、当机组用于冬季有雪地区时，积雪可能对机组造成一系列危害。其一是当机组间歇运行时，积雪可能将进风口堵塞，这是因为风冷热泵机组所用的轴流风机风压较小，所以当风机再次启动时，可能无法将积雪吹散；契尔氏机组上部的积雪融化时，可能在机组四周和空气热交换器表面形成冰凌，使机组除霜时都无法除去；其三是如果机组下部未设支架，积雪可能将机组下部覆盖，影响机组的正常运行。6、COP=2.57~3.8，偏低的能效比。7、风冷式热泵机组体型较大，占地面积大，同时室外机噪声较高，并存在热岛效应，使得外界局部空间环境条件恶化。注：噪声≈80dB，每增加一台增加3dB，故台数不宜超过5台，适用于200~10000㎡的建筑物，不宜在大型空调工程中使用。8、压缩机工况变化范围大，可靠性得不到保障。全负荷时，风冷式冷水机组冷凝温度高，故风冷式冷水机组的压缩机需要较大的功率，但是空调负荷在整个夏季的分布式是不均匀的，所以机组在最大负荷下运行的时间是极其有限的。风冷式冷水机组的冷凝温度取决于室外干球温度。在一天之内，室外空气干球温度的变化比湿球温度要大得多，在干旱地区甚至可以达到15℃—16℃，所以可以认为风冷式机组的冷凝温度当室外干球温度下降时随之下降。9、外界气温较低时冷却水温度很低，此时开机运行会发生低压故障：机组运行是，由于没有足够的预热，冷冻油温度低，制冷剂没有充分分离，就会发生低压故障。故冬季风冷式热泵机组无法正常运行，在室外温度低于-8℃时，机组效率极低，甚至无法开机。。10、风冷式机组的初投资低但单位制冷耗电量要高，但风冷机组的年度综合费用与水源热泵机组基本持平或稍低，当年运行时间较长时水源热泵机组更经济。水源热泵是目前我国应用较多的热泵形式，它是以水(包括江、河、湖泊、地下水，甚至是城市污水等)作为冷热源体，通过输人少量的高品位能源(如电能)，实现低温位或高温位的能量转移，在冬季利用热泵吸收其热量向建筑供暖，在夏季热泵将吸收到的热量向其排放，实现对建筑物的供冷。其工作原理大都是通过外部管道及阀门的切换来实现冬夏工况的转换，夏季空调供回水走蒸发器，水源水走冷凝器，冬季空调供回水走冷凝器，水源水走蒸发器。水作为能源载体十分廉价，具有量大面广、无处不在、清洁可再生、温度一年四季相对稳定的特点。在我国华北地区，它在冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度特性使得水源热泵比传统空调系统运行效率要高出许多，因此可以节约能源和节省运行费用。另外，水源温度较恒定的特性，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。水源热泵系统可供暖、制冷，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉和空调两套装置或系统;可应用于各种建筑中。水源热泵的优点1、高效节能 水源热泵是目前空调系统中能效比（COP值）最高的制冷、制热方式，理论计算可达到7，实际运行为4～6。 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。而夏季水体温度为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，从而提高机组运行效率。水源热泵消耗1kW.h的电量，用户可以得到4.3～5.0kW.h的热量或5.4～6.2kW.h的冷量。与空气源热泵相比，其运行效率要高出20～60％，运行费用仅为普通中央空调的40～60％。2、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能成为可能。所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。3、节水省地 以地表水为冷热源，向其放出热量或吸收热量，不消耗水资源，不会对其造成污染；省去了锅炉房及附属煤场、储油房、冷却塔等设施，机房面积大大小于常规空调系统，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。4、环保效益显著 水源热泵机组供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，无燃烧过程，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，水源热泵机组运行无任何污染，无燃烧、无排烟，不产生废渣、废水、废气和烟尘，不会产生城市热岛效应，对环境非常友好，是理想的绿色环保产品。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。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。其总投资额仅为传统空调系统的60%，并且安装容易，安装工作量比传统空调系统少，安装工期短，更改安装也容易。 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、住宅小区的采暖、供冷。6、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，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；采用全电脑控制，自动程度高。由于系统简单、机组部件少，运行稳定，因此维护费用低，使用寿命长。7、符合国家政策，获得政策性支持 国家十分重视可再生能源开发利用工作，《中华人民共和国可再生能源法》已于2006年1月1日起实施；同时，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，又把大力发展和规模化应用新能源和可再生能源作为能源领域的优先发展主题。从国家立法和发展战略的高度，对可再生能源的发展应用予以强力推动。日前,国家财政部、建设部发文《关于推进可再生能源在建筑中应用的实施意见》以及《可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法》，明确指出“十一五”期间，可再生能源应用面积占新建建筑面积比例为25%以上，到2020年，可再生能源应用面积占新建建筑面积比例为50%以上，这为我国水源热泵的发展提供了良好的环境和强劲的动力。