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文獻綜述 題 目 分體式熱泵系統(tǒng)的可變 多區(qū)域試驗設施 學生姓名 專業(yè)班級 學 號 院 （系） 指導老師 完成時間 淺談水源熱泵空調系統(tǒng)的優(yōu)缺點及其發(fā)展 摘 要 水源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源(也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等)的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調系統(tǒng)。水源熱泵通過輸入少量的高品位能源(如電能)，實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉移，具有很高的經濟效益。因此水源熱泵是一種高效節(jié)能、經濟環(huán)保、安全穩(wěn)定、冷暖兩用、運行靈活的新型中央空調系統(tǒng)。本文簡要分析了水源熱泵空調系統(tǒng)的技術優(yōu)勢、發(fā)展現(xiàn)狀，以及該系統(tǒng)在發(fā)展中存在的問題，并且介紹了水源熱泵的技術特點；對我國近年來水源熱泵的發(fā)展動態(tài)以及研究現(xiàn)狀進行了重點論述，并指出目前我國水源熱泵研究和應用兩方面中存在的不足之處。另外，隨著科技的快速進步，水源熱泵也發(fā)展成了各種各樣的類型，以滿足人們的不同要求。 關鍵詞 水源熱泵；優(yōu)缺點；節(jié)能優(yōu)勢；熱泵市場；發(fā)展 0 引言 水源熱泵是既可供熱又可供冷的高效建筑節(jié)能技術，能有效節(jié)省能源、減少大氣污染及溫室氣體CO2排放。水源熱泵可采用多種形式的冷熱源，既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調系統(tǒng)。降低空調系統(tǒng)能耗已經成為我國節(jié)能減排工作的一個重要方向。水源熱泵技術以地下水、地表水等水源作為熱源或熱匯，具有制冷和制熱能效較高、運行穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，因而得到了一定規(guī)模的應用。而且隨著我國節(jié)能減排壓力日益增大，以利用可再生能源進行建筑空調、供暖的水源熱泵技術必將會得到更大規(guī)模的推廣應用[1]。 如何合理地利用不同形式的能源，特別是可再生能源，以滿足日益增長的建筑耗能需求，成為擺在我們面前亟待解決的問題。水源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調系統(tǒng)。這符合當今社會節(jié)能環(huán)保的要求，提高能源利用率，最大限度的利用有限的能源創(chuàng)造更大的價值是當前研究的熱點。把握好分體式水源熱泵空調機組的優(yōu)缺點及發(fā)展前景也是尤為重要的。 1 水源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點 1.1 適用范圍 水源熱泵的工作原理水源熱泵空調系統(tǒng)是替代傳統(tǒng)采暖與制冷方式的熱泵型專用機組。受能源、特別是一次性能源與環(huán)保的限制，傳統(tǒng)的燃油、燃煤中央空調方式將逐步受到制約。水源熱泵空調系統(tǒng)是利用一定溫度的水源作為低位熱源，消耗電能，將低位熱源“水”中的熱量轉移到需要加熱或升溫的地方(如室內采暖系統(tǒng))；同時還可以將室內或降溫過程的余熱轉移到低位熱源“水”中，達到降溫或制冷的目的。一臺機組，既能制冷，又能制熱。如圖1為水源熱泵空調系統(tǒng)原理圖。 圖1 原理圖 機組工作的具體過程：在制冷狀態(tài)，系統(tǒng)水通過蒸發(fā)器被制冷，能量被轉移到冷凝器，通過熱交換將被利用的熱源帶到地下、江河、湖泊之中；在制熱狀態(tài)，蒸發(fā)器吸收所有熱源中的熱量，將熱量轉移到冷凝器，以加熱系統(tǒng)循環(huán)水，達到制熱的目的。換句話說：水源熱泵空調系統(tǒng)就是同一臺機組，利用不同工況下的兩個過程：即制冷循環(huán)與熱泵循環(huán)來滿足冷熱的需求[2]。 1.2 典型工程實例簡介 某空調系統(tǒng)機組選用兩臺型號為LSBLGR—290，一臺型號為LSBLGR—190機組，末端采用風機盤管。通過機組采用熱泵技術，把地下水中的能量收集起來，經過能量轉換，制冷時提供出口溫度為7～12℃冷水，供熱時提供出口溫度為45～50℃熱水，最高可達50 ℃。夏季使室溫控制在25℃以下，冬季使室溫保持在16～25℃，同時可供42℃衛(wèi)生熱水，集供熱、制冷、供熱水為一體。該空調系統(tǒng)為水源熱泵系統(tǒng)中典型的水—水系統(tǒng)，直接以地下井水為熱源，達到節(jié)能的目的。運行過程中，根據(jù)實際需要，夏季一般開一臺型號為LSBLGR—290和一臺型號為LSBLGR—190機組，冬季則三臺機組(即兩臺LSBLGR—290、一臺LSBLGR—190)全開。機組的開啟完全自動化，依靠循環(huán)水溫來實現(xiàn)開啟的自動控制。設有獨立的機房，機房平面布置如圖2所示。 該空調系統(tǒng)水源為兩個井深均為180m，井的直徑為320mm，潛水泵流量為90m3/h,深為60m，由兩臺流量分別為30m3/h和60m3/h水泵從水池抽水供給整個系統(tǒng)，其中一口井為供水井，另一口為回灌井，兩口井可以交替使用。 圖2 機房平面圖 1.3 水源熱泵空調系統(tǒng)的優(yōu)點 1.3.1 屬可再生能源利用 水源熱泵技術是利用了地球水體所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統(tǒng)。其中可以利用的水體，包括地下水或河流、地表部分的河流、湖泊以及海洋[3]。地表土壤和水體不僅是一個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受和發(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熱能成為可能。所以說，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術[4]。 1.3.2 高效節(jié)能 據(jù)美國環(huán)保署EPA估計，設計安裝良好的水源熱泵系統(tǒng)，平均來說可以節(jié)約用戶30％～40％的供熱制冷空調的運行費用。與鍋爐房供熱系統(tǒng)相比，其節(jié)能效果為26％，減少向城市的排熱量約為74％。 1.3.3 運行穩(wěn)定可靠 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冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經濟性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點問題。 1.3.4 環(huán)境效益顯著 水源熱泵使用電能，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。所以節(jié)能的設備本身的污染就小。設計良好的水源熱泵機組的電力消耗，與空氣源熱泵相比，可以減少30％以上，與電供暖相比，減少達70％以上。水源熱泵技術采用的制冷劑，可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代工質[5]。水源熱泵機組的運行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。 1.3.5 一機多用，應用范圍廣 水源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對于同時有供熱和供冷要求的建筑物，水源熱泵有著明顯的優(yōu)點。不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設備可以同時滿足供熱和供冷的要求，減少了設備的初投資。水源熱泵可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，小型的水源熱泵更適合于別墅住宅的采暖、空調[6]。 1.3.6 自動運行 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，機組運行可靠，維護費用低；自動控制程度高，使用壽命長可達到15年以上。 1.3.7 投資成本低 水源熱泵空調系統(tǒng)較傳統(tǒng)的中央空調系統(tǒng)經濟。無集中的制冷機房、鍋爐房、空調箱房，減少了設備間的面積。所需的風管少，并減少了樓層高度，無保溫的循環(huán)水管系統(tǒng)，減少了材料費用。水源熱泵空調機可在廠里組裝，減少了工地的裝配工作，溫度控制可裝在空調機中，無需另設控制中心或控制室[7]。 1.3.8 維修成本低 由于系統(tǒng)設備簡單，安裝方便，啟動、調整容易。另外一臺水源熱泵空調機發(fā)生故障不會影響大樓中其他用戶。 1.4 水源熱泵空調系統(tǒng)的缺點 制冷量較大(10kW以上)的水源熱泵空調機組，由于機組內壓縮機的功率大，因而噪聲較大，在設計安裝時要考慮一些降低噪聲的措施。 利用新風比較麻煩，新風管道必須敷設到安裝水源熱泵空調機的房間，對于要求較高的房間，如空氣凈化、加濕等有要求的房間，附加措施就更為復雜。 水源熱泵空調機多數(shù)為暗裝，必須同建筑和室內裝潢緊密配合，如空調機質量不好，會給維護帶來麻煩[8]。 因為水源熱泵空調機系統(tǒng)是分散性的中央空調，由于機組分散，每一空調區(qū)內的熱泵空調機均要有稍許余量，所以當水源熱泵空調機數(shù)量較多時總用電容量可能偏高，而實際上由于安裝的水源熱泵空調機不可能同時達到最大用電量，所以實際用電量并不高。 1.5 水源熱泵空調系統(tǒng)的適用范圍 水源熱泵空調系統(tǒng)是以節(jié)能性和經濟性為目的來考慮的，因此它的適用范圍比較廣，主要是： 水源熱泵空調系統(tǒng)最適用于適中氣溫下的空調，冬季不太冷又需供暖的地區(qū)。從建筑規(guī)模來看，建筑規(guī)模要大，核心區(qū)空調面積要大于周邊區(qū)或相當；這樣核心區(qū)的總冷負荷大體與周邊區(qū)的總熱負荷相等，無需加熱裝置，以達到最大限度的節(jié)能。最適用于冬季核心區(qū)內熱負荷較大的商場和辦公樓，可利用內部發(fā)熱來抵消周邊區(qū)的熱損失[9]。 從業(yè)主經濟角度來考慮，由于寫字樓和公寓往往分別出售給各個單位，這就要求尋求一種各用戶單獨計量電費的空調系統(tǒng)。使用水源熱泵空調系統(tǒng)既可節(jié)省大塊的設備用房，又可對使用戶單獨計費，既方便又合理。尤其對于舊建筑改造工程，采用水源熱泵空調系統(tǒng)影響較小，而且周期短、速度快。 從建筑物功能上來看，功能分區(qū)較多，隸屬于不同業(yè)主的綜合樓，其各層或各區(qū)功能都不同(如商場、辦公、公寓或酒店等合在一起的綜合樓)，因而對空調的使用時間和溫度、濕度要求不盡相同。在這種情況下采用水源熱泵空調系統(tǒng)就比較合適。例如新建的超高層建筑，為避免低層區(qū)設備及管道閥件承壓過大和能量二次交換損失過大，可在低層區(qū)采用集中空調系統(tǒng)，而在高層區(qū)采用水源熱泵空調系統(tǒng)。另外，如一幢建筑物中有部分區(qū)域需要24小時供應空調或下班后和節(jié)假日仍經常需要空調的地方，如計算機房、設備用房、值班室等，可單獨使用水源熱泵空調系統(tǒng)或將水源熱泵空調系統(tǒng)作為備用系統(tǒng)，當集中空調系統(tǒng)停機時開動水源熱泵空調系統(tǒng)[10]。 對于資金一時不到位的業(yè)主來說采用投資周期短，回報率高的水源熱泵空調系統(tǒng)比較合適。因為采用常規(guī)的中央空調，初始投資較大，投資風險也大。 2 水源熱泵空調機組的節(jié)能優(yōu)勢分析及其發(fā)展 水源熱泵，夏季作“制冷機”應用時，通過冷卻塔與空氣進行熱(濕)交換，最終的高溫熱匯，與空氣熱源熱泵一樣，仍為大氣。但其效率因利用空氣的特征——濕球溫度低于干球溫度，而高于空氣一空氣或空氣一水熱泵；可是，冬季作“熱泵”應用時，如該場合中，無廢熱可利用，又不利用太陽能，則需另設輔助熱源，其效率又低于空氣一空氣或空氣—水熱泵。 水源熱泵 ，通常指整體式水源熱泵 ，即以一臺機組的形式，向環(huán)境(水熱源 )放熱或吸熱，而以水(或者其他液態(tài)媒質)或空氣，間接或直接地冷卻(或加熱)被控對象；水源熱泵，又發(fā)展為分離式水源熱泵，即以多臺機組組合 ，通過水環(huán)路向環(huán)境(水熱源 )放熱或吸熱，同樣以水(或者其他液態(tài)物質)或空氣，間接或直接地冷卻(或加熱被控對象。該類水源熱泵又謂 ：水環(huán)路熱泵。 水源熱泵在制冷工況時，其最終的高溫熱匯仍可為大氣；在制熱工況時，其最終的低溫熱源又可以是大氣、太陽、廢熱、或輔助熱源等。因而，水源熱泵的應用是有一定地域與場合的限制[11]。 地源熱泵，其最終的高溫熱匯或低溫熱源均是地熱。只是在制冷工況時，以地熱為高溫熱匯，向地熱放熱；在制熱工況時，以地熱為低溫熱源，向地熱吸熱。地源熱源的不同形式，又使該類熱泵之構成有所差異 ：如 以地表水為熱源，可以直接(或間接——通過熱交換器)排放(或吸取)熱量；如以地下水為熱源，需設置取水井與回灌井排放(或吸收)熱量；如以土壤為熱源，需設置地下水平(或垂直)埋管排放(或吸取)熱量。 因而，前二種形式比后一種形式，在初投資和施工，以及應用過程中熱量交換之速率上，都有一定優(yōu)勝，也是目前國內在很多地區(qū)正在實驗的形式。但 是如果地下水應用不 當，會造成地面下沉和地下水污染。土壤地源熱源除初投資和施工問題外，城市土地緊缺，地下埋管不足，土壤傳熱性能又差，容易造成夏季土壤熱量難以散失，損及持久運行；冬季土壤熱量不易吸取與補充，土壤會形成凍結，破壞地下結構，損及建筑基礎。因而，地源熱泵的應用也是有一定地域與場合的限制。 從制冷行業(yè)的產品發(fā)展史看，以水為高溫熱匯的制冷機，先于以空氣為高溫熱匯的制冷機；以空氣為低溫熱源的熱泵，又先于以水為低溫熱源的熱泵；其后，才出現(xiàn)以地熱熱源為低溫熱源的熱泵。我國制冷空調制造行業(yè)基本也遵循上述過程發(fā)展的[20]。 中國最早在上世紀5O年代，就曾在上海、天津等地嘗試夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，天津大學熱能研究所呂燦仁教授就開展了我國熱泵的最早研究，1965年研制成功國內第一臺水冷式熱泵空調機。目前，國內的清華大學、天津大學、重慶建筑大學、天津商學院、中國科學院廣州能源研究所等多家大學和研究機構都在對水源熱泵進行研究。其中清華大學在多工況水源熱泵經過多年的研究已形成產業(yè)化的成果，已建成數(shù)個示范工程。以水源(地源)熱泵產品切人家用與大中型中央空調市場，不僅為前幾年的實踐所證明是十分有效的措施 ，也是許多生產廠之未來打算[21]。 國內的水源熱泵制造廠商中清華同方人工環(huán)境設備公司、山東海陽富爾達是比較早的水源熱泵制造廠家 ，但目前也有相當多的制冷空調廠家將其普通的水冷機組改造為水源熱泵。通過利用地下水這一大地耦合方式，采用抽水回灌方式節(jié)約能源。山東際高以蒸發(fā)冷凝方式，引進瑞典專利技術，生產小型水冷冷水機組，在北方市場銷路良好。廣州中宇開發(fā)水環(huán)路分離式水源(地源)熱泵空調系統(tǒng)，在兩廣與浙江地區(qū)得到廣泛應用。美國能源部和中國科技部于1997年11月簽署了中美能源效率及可再生能源合作議定書，其中主要內容之一是“地源熱泵”，該項目擬在中國的北京、杭州和廣州3個城市各建一座采用地源熱泵供暖空調的商業(yè)建筑，以推廣運用這種“綠色技術”，緩解中國對煤炭和石油的依賴程度，從而達到能源資源多元化的目的[22]。 據(jù)稱“華亭嘉園”即是此項 目的應用。2O00年6月19至23 日在北京由國家科學技術部高新技術開發(fā)與產業(yè)化司召開了中美地熱泵技術交流會，會議的主題就是“提供運用地熱泵技術為住宅小區(qū)或公用樓宇采暖制冷，大幅降低運行費用的節(jié)能解決方案”的主題。 在未來的幾年中，中國面臨著巨大的能源壓力。一方面，中國的經濟要保持較高速度的增長，另一方面，又必須考慮環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展問題。所以要求提高能源利用效率 ，要求能源結構調整。能源利用效率提高，會鼓勵各種節(jié)能設備和技術的推廣，能源結構調整的方向就是從以煤為主轉為以燃氣，直至以電為主。在中國的能源消耗中，建筑耗能的比例相當高。為了適應市場要求和參加國際競爭，我們必須加快中國品牌的水源熱泵的產業(yè)化研究開發(fā)。目前中國水源熱泵推廣應用中存在的問題是：水源熱泵作為一種新型的制冷供暖方式，從技術的角度，尤其是熱泵機組的角度上看應當是相當成熟、沒有問題的。但考慮到中國的國情，以及將水源熱泵制冷供暖作為一個整體的系統(tǒng)來推廣應用時，還是存在一些問題。 2.1 水源的使用政策 我國目前為了保護有限的水資源，制訂了《中華人民共和國水法》，各個城市也紛紛制訂了自己的《城市用水管理條理》。這些政策均強調用水審批，用水收費。而審批的標準中對類似水源熱泵技術的要求沒有規(guī)定，所以水源熱泵很容易被用水指標所限制。即使通過了用水審批，由于有些地方將水源的抽取和排放兩次受費，受費的標準全國又不統(tǒng)一，所以結果可能導致水費偏高，使得水源熱泵的運行節(jié)能費用不足增加的水費，水源熱泵的經濟性變查[22]。 所以水源熱泵的推廣需要政府從可持續(xù)發(fā)展的角度，綜合能源環(huán)保和資源各個方面的考慮，調整水源熱泵水源使用的政策，需重新確定水源如何管理和收費，才能促使其大規(guī)模的發(fā)展。 2.2 水源的探測開采技術和費用 在中國，目前對水源，尤其是城市水源的的探測開采技術應當提高，水源熱泵的應用的前提之一就是必須了解當?shù)氐乃吹那闆r，在水源熱泵使用的前期，必須實地對水源的狀況進行調查，地下水量是否有水、水量是否會足夠，場地是否適合打井和回灌。而探測開采的技術的提高和費用的降低，會推動水源熱泵機組的更好應用。 2.3 地下水的回灌技術 水源熱泵若利用地下水，必須考慮水源的回灌，對于回灌技術，必須結合當?shù)氐牡刭|情況來考慮，來考慮回灌技術方式。我們對不同地區(qū)的地質結構了解的還不多，這也制約了水源熱泵機組的推廣使用[23]。 2.4 整體系統(tǒng)的設計 水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能作為一個系統(tǒng)，必須從各個方面考慮，如果水源熱泵機組可以做到利用較小的水流量提供更多的能量，但系統(tǒng)設計對水泵等耗能設備選型不當或控制不當，也會降低系統(tǒng)的節(jié)能效果。同樣，若機組提供了高的水溫，但設計的空調 系統(tǒng)的末端未加以相應的考慮，也可能會使整個系統(tǒng)的效果變差，或者使得整個系統(tǒng)的初投資增加[24]。 3 總結 綜合上述考慮，水源熱泵空調系統(tǒng)作為一種既可以集中又便于分散的空調系統(tǒng)，其優(yōu)點很多。但是對某一幢具體建筑物采用中央空調系統(tǒng)還是水源熱泵空調系統(tǒng)，還應該從節(jié)能和經濟性等多方面進行論證。 水源熱泵的推廣應用，需要更多的各個專業(yè)各個領域的人來共同努力共同配合，從政府政策、主機設計制造、系統(tǒng)的設計和運行管理等各個方面都來共同參與。 參考文獻 [1]刁小飛、張小力等《地源熱泵的優(yōu)越性及前景展望》《能源研究與信息》2002,1. 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