地下水源热泵工作原理及特点分析

地下水源热泵工作原理及特点分析

窦立杰

关键词：地下水源热泵发展原理特点

0.前言

地下水源热泵(GroundWaterHeatPumps,GWHP)是地源热泵(GroundSourceHeatPumps,GSHP)的一个分支。地源热泵的历史可以追朔到1912年瑞士的一个专利，欧洲第一台热泵机组是在1938年间制造的。它以河水低温热源，向市政厅供热，输出的热水温度可达60oC。在冬季采用热泵作为采暖需要，在夏季也能用来制冷。第一台地下水源热泵系统1948年在美国俄勒冈州波特兰市的联邦大厦投入运行。目前，欧洲的热泵理论与技术均已高度发达，这种“一举两得”并且环保的设备在法、德、日、美等发达国家业已广泛使用。如美国，截止1985年全国共有14,000台地源热泵，而1997年就安装了45，000台，到目前为止已安装了400，000台，而且每年以10%的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%，其中有新建筑中占30%。美国地源热泵工业已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组成的美国地源热泵协会，该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。我国地下水源热泵从1997年开始学习和引进欧洲产品，出现了大规模的地下水源热泵采暖工程项目。到21世纪初，全国大约有过万套地下水源热泵供热或制冷系统。

1．基本工作原理

所谓热泵，就是一种利用人工技术将低温热能转换为高温热能而达到供热效果的机械装置。热泵由低温热源（如周围环境的自然空气、地下水、河水、海水、污水等）吸热能，然后转换为较高温热源释放至所需的空间（或其它区域）内。这种装置即可用作供热采暖设备，又可用作制冷降温设备，从而达到一机两用的目的。

热泵机组的能量转换，是利用其压缩机的作用，通过消耗一定的辅助能量（如电能），在压缩机和换热系统内循环的制冷剂的共同作用下，由环境热源（如水、空气）中吸取较低温热能，然后转换为较高温热能释放至循环介质（如水、空气）中成为高温热源输出。在此因压缩机的运转做工而消耗了电能，压缩机的运转使不断循环的制冷剂在不同的系统中产生的不同的变化状态和不同的效果（即蒸发吸热和冷凝放热），从而达到了回收低温热源制取高温热源的作用和目的。

地下水源热泵系统的低位热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。热泵机组冬季从生产井提供的地下水中吸热，提高品位后，对建筑物供暖，把低位热源中的热量转移到需要供热和加湿的地方，取热后的地下水通过回灌井回到地下。夏季，则生产井与回灌井交换，而将室内余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的，另外还可以起到养井的作用。

在冬季，水源热泵机组不能完全承担室内热负荷，需要使用辅助热源。目前，使用的辅助热源有多种形式，其中有：电加热（通常采用蓄热式）系统；蒸汽或热水加热系统；空气源热泵系统等。

2．地下水源热泵的优点

2.1属于可再生能源利用技术

水源热泵是具备了利用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地相对地均衡。这使得利用储存于其中地近乎无限地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地一种技术。

2.2便于计量和收费

空调用电负荷在用户建筑内，因此便于空调的计量与收费。这对于用户合理使用空调系统，节约空调系统的能耗，公平、公正、公开地摊派费用对空调运行管理是非常有利的。

2.3运行安全可靠

地下水源热泵机组的空调系统是可以基本保证全年按用户的需要开启空调系统，特别是春秋空调过渡季节均能运行，也就相当于四管制空调系统。一般情况下，地下水源热泵供、回水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。夏季水体作为空调的冷源，冬季作为空调的热源，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。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。

2.4高效节能

地下水源热泵机组可利用的环境水体温度冬季为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。而夏季水体为18－35℃，水体温度比环境温度低，所以制冷的冷凝温度降低，机组效率提高。据美国环保署EPA估计，设计安装良好地水源热泵，利用江河湖水等，供热制冷空调的运行费用可节省30－40％。

2.5应用灵活

有的建筑物内，特别在过渡季节，部分区域需要供冷，部分区域需要供热，水源热泵可以同时供冷和供热，可以实现建筑内冷热量的转移和平衡，从而系统节约能源。

2.6节约成本

地下水源热泵系统不需设冷冻机房，不设大的通风管道，不设大的锅炉房，也没有冷冻水系统，安装和投资费用大大减少。

2.7利于环保

地下水源热泵使用的是电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗的是一次能源，其所产生的污染物和二氧化碳等气体会对周围的环境产生影响。所以节能实际上也是减少了污染。

3.地下水源热泵系统的缺点

地下水源热泵系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。由于打井的成本并不与取水量的大小成正比，因此较大系统的投资效益比较高。地下水源热泵系统的经济性还与地下水层的深度有很大关系。

冬季，我国北方地区土壤温度较低，并且以热负荷为主，如果采用地下水源热泵供暖，则机组和换热器的初投资比较高，连续运行的效率也较低。夏季运行时，机组容量过大，造成浪费。我国政府、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏了解。不仅因初投资高于其它系统而得不到认可和推广，而且给运行管理带来了很大的问题。运行管理是任何一个HVAC系统的重要组成部分，对于地下水源热泵这种特殊设计更是关键因素。

环境方面的问题一旦出现，基本上是无可挽回的，或挽回的成本将非常巨大。从某种程度上讲，造成的危害不亚于大气污染。

4.结束语

随着全球经济的发展，环境能源问题已经成为倍受关注的全球性问题。因此，必须加快符合中国国情及适应中国环境条件的地下水源热泵产品的研制开发，使之成为一种实用、可靠、节能、经济的空调系统形式。我国经济发展十分迅速，地下水源热泵系统必将有广阔的发展空间。

参考文献：

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[5]叶凌.地下水源热泵的现状与应用

作者简介：窦立杰河北建设集团有限公司助理工程师河北省保定市七一西路372号河北建设集团综办楼403室邮编：071000Tel:13400223400E-mail:paul708@sohu.com