于立春

[摘要]水源熱泵是利用太陽能和地?zé)崮軄碇评?、供?應(yīng)該說其屬熱泵中“地源熱泵”的一種。水源熱泵是以水為介質(zhì)來提取能量實(shí)現(xiàn)制熱和制冷的一個(gè)或一組系統(tǒng)。

[關(guān)鍵詞]水源熱泵 工作原理 特點(diǎn)

水源熱泵是以水為介質(zhì)來提取能量實(shí)現(xiàn)制熱和制冷的一個(gè)或一組系統(tǒng)。針對水源熱泵機(jī)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?zé)崮軄碇评洹⒐?應(yīng)該說其屬熱泵中“地源熱泵”的一種。經(jīng)過嚴(yán)格測試及不同地區(qū)熱泵的應(yīng)用實(shí)例測算,水源熱泵制熱的性能系數(shù)在3.1—4.7之間,制冷的性能系數(shù)在3.5—6.7之間。

一、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(jìn)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(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(shí)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(shí)現(xiàn)制熱和制冷的運(yùn)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(jìn)入蒸發(fā)器(制冷時(shí)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(gè)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(gè)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)。冬季時(shí),以地下水為“熱源”,源源不斷的將7℃以上的地下水通過熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器提出大約4℃以上的熱量,使其降至3℃再注回地下,水在地下滲流過程中又吸收地下熱量,溫度又升至7℃以上,然后又被提升上來,如此不斷循環(huán),機(jī)組吸收的熱量再被機(jī)組的冷凝器釋放出來,用以加熱供暖的水系統(tǒng),使供水溫度可達(dá)55℃以上,此溫度成為空調(diào)供暖(國家標(biāo)準(zhǔn)45℃)和地板熱供暖(國家標(biāo)準(zhǔn)40℃)的最佳溫度;夏季時(shí),利用地下水(水溫低于14℃)做冷卻水,而常規(guī)制冷設(shè)備是利用冷卻塔循環(huán)冷卻,水溫一般都在30℃~40℃,夏季的地下水只有14℃~18℃,要比循環(huán)冷卻水溫度低于16℃~22℃,從而提高了機(jī)組的工作效率,達(dá)到了節(jié)能、降耗的作用。過渡季節(jié),應(yīng)用中央空調(diào)可以考慮將地下水抽取上來直接作為冷媒輸入系統(tǒng),不需要機(jī)組開機(jī)運(yùn)行,可以節(jié)省大量的能源。

二、水源熱泵的特點(diǎn)

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地接受太陽輻射能量),而且是一個(gè)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接收和發(fā)散的相對的均衡。這使得利用儲存于其中的近乎無限的太陽能或地?zé)崮艹蔀榭赡?。水源熱泵機(jī)組以水為載體,在冬季采集來自湖水、河水、地下水及地?zé)嵛菜?甚至工業(yè)廢水、污水的低品位熱能,取得能量供給室內(nèi)取暖;在夏季把室內(nèi)的熱量取出,釋放到水中,以達(dá)到夏季空調(diào)供冷的目的。由于水源熱泵技術(shù)利用地表水作為空調(diào)機(jī)組的冷熱源,所以其具有以下優(yōu)點(diǎn):(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(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。供熱時(shí)省去了燃煤、燃?xì)?、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(shí)省去了冷卻水塔,避免了冷卻塔的噪音、霉菌污染及水耗。(2)高效水源熱泵機(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。(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(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。設(shè)計(jì)良好的水源熱泵機(jī)組,與空氣源熱泵相比,相當(dāng)于減少30%以上的電力消耗,與電供暖相比,相當(dāng)于減少70%以上的電力消耗。(4)應(yīng)用范圍廣。可廣泛的應(yīng)用于賓館、辦公樓、學(xué)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(jī)多用。利用一套設(shè)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(jī)組由于工況穩(wěn)定,所以可以設(shè)計(jì)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(shù)采用的制冷劑,可以是R22或R134A、R407和R410A等替代共質(zhì)。水源熱泵機(jī)組的運(yùn)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。(8)運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)可靠。水體的溫度一年四季相對穩(wěn)定,其波動的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)組運(yùn)行更可靠、更穩(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。由于系統(tǒng)簡單,機(jī)組部件較少,運(yùn)行簡單、穩(wěn)定,相對來說維護(hù)費(fèi)用要低得多,使用壽命可長過20年以上。