水源熱泵工作原理、系統(tǒng)構(gòu)成以及應(yīng)用范圍
水源熱泵概述
水源熱泵機(jī)組無(wú)需值守節(jié)能環(huán)保，全自動(dòng)控制，運(yùn)行安全節(jié)能環(huán)保，節(jié)省人員成本，真正高效、節(jié)能、節(jié)能環(huán)保。
水源是應(yīng)用水源熱泵的前提。文中闡述了影響水源熱泵運(yùn)行工效的水源系統(tǒng)的水量、水溫、水質(zhì)和供水穩(wěn)定性等因素。介紹了各類水源、取水構(gòu)筑物、水處理技術(shù)，指出了水源方案設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。
水源熱泵目前主要應(yīng)用在北方冬季寒冷的地區(qū)，而在廣闊的南方很少見(jiàn)到身影。主要原因：南方主要以空氣源熱泵為主，所以空氣源熱泵基本能滿足需要，并且工程相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)成本要低。
水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽(yáng)能和地?zé)崮芏纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源，通過(guò)水源熱泵，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。
地球表面淺層水源如深度在1000米以內(nèi)的地下水、地表的河流和湖泊和海洋中，水源的溫度一般都十分穩(wěn)定。水源熱泵機(jī)從水源中提取能量。通常水源熱泵消耗1kW的能量，得到4kW以上的熱量或冷量。
水源熱泵工作原理及其系統(tǒng)構(gòu)成
“熱泵”這一術(shù)語(yǔ)是借鑒“水泵”一詞得來(lái)。在自然環(huán)境中，水往低處流動(dòng)，熱向低溫位傳遞。水泵將水從低處泵送到高處利用。而熱泵可將低溫位熱能“泵送”（交換傳遞）到高溫位提供利用。在我國(guó)《暖通空調(diào)術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)（GB50155-92）》中，對(duì)“熱泵”的解釋是“能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器功能轉(zhuǎn)換的制冷機(jī)”；在《新國(guó)際制冷詞典（NewInternationalDictionaryofRefrigeration）》中，對(duì)“熱泵”的解釋是“以冷凝器放出的熱量來(lái)供熱的制冷系統(tǒng)”。
可見(jiàn)，熱泵在本質(zhì)上是與制冷機(jī)相同的，只是運(yùn)行工況不同。其工作原理是，由電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，使工質(zhì)（如R22）循環(huán)運(yùn)動(dòng)反復(fù)發(fā)生物理相變過(guò)程，分別在蒸發(fā)器中氣化吸熱、在冷凝器中液化放熱，使熱量不斷得到交換傳遞，并通過(guò)閥門(mén)切換使機(jī)組實(shí)現(xiàn)制熱（或制冷）功能。
在此過(guò)程中，熱泵的壓縮機(jī)需要一定量的高位電能驅(qū)動(dòng)，其蒸發(fā)器吸收的是低位熱能，但熱泵輸出的熱量是可利用的高位熱能，在數(shù)量上是其所消耗的高位熱能和所吸收低位熱能的總和。熱泵輸出功率與輸入功率之比稱為熱泵性能系數(shù)，即COP值（CoefficientofPerformance）。熱泵有多種，以水作為熱源和供熱介質(zhì)的熱泵稱為水源熱泵。水源熱泵性能系數(shù)（即COP值）高于空氣源熱泵，系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定。
水源熱泵工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，一般由水源系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)房系統(tǒng)和末端散熱系統(tǒng)三部分組成。其中，水源系統(tǒng)包括水源、取水構(gòu)筑物、輸水管網(wǎng)和水處理設(shè)備等。
水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源中吸收的太陽(yáng)能和地?zé)崮芏纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源，并采用熱泵原理，通過(guò)少量的高位電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。
地球表面淺層水源（地下水、河流、湖泊、海洋等）中吸收了太陽(yáng)進(jìn)入地球的相當(dāng)?shù)妮椛淠芰?，并且水源的溫度一般都十分穩(wěn)定。水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)是由末端系統(tǒng)，水源熱泵中央空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)和水源熱泵水系統(tǒng)三部分組成。冬季為用戶供熱時(shí)，水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)從水源中提取低品位熱能，通過(guò)電能驅(qū)動(dòng)的水源熱泵中央空調(diào)主機(jī)（熱泵）“泵”送到高溫?zé)嵩矗钥諝饣蛩鳛檩d冷劑提升溫度后送到建筑物中滿足用戶供熱需求。夏季為用戶供冷時(shí)，水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)將用戶室內(nèi)的余熱通過(guò)水源中央空調(diào)主機(jī)（制冷）轉(zhuǎn)移到水源水中，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，以滿足用戶制冷需求。通常水源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。
熱泵技術(shù)的特點(diǎn)
與傳統(tǒng)的鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，水源熱泵具有明顯的優(yōu)勢(shì)。鍋爐供熱只能將90％～95％的電能或55～80%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，因此水源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量。
概括來(lái)講，主要有以下特點(diǎn)：
1）屬可再生能源利用技術(shù)。
熱泵機(jī)組是利用了地球水體所儲(chǔ)藏的能源作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖、空調(diào)系統(tǒng)，其中可以利用的水體包括地下水、地表水、工藝循環(huán)冷卻水、礦井排水等。地表土壤和水體不僅是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47％的太陽(yáng)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(guò)土壤間接的接受太陽(yáng)輻射能量），而且是一個(gè)巨大的動(dòng)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(duì)均衡。這使得利用儲(chǔ)存于其中的近乎無(wú)限的太陽(yáng)能或地能成為可能。所以說(shuō)，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術(shù)。
由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為8～30℃，其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.8～4.4。因此，近十幾年來(lái)，尤其是近五年來(lái)，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在北美如美國(guó)、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國(guó)家取得了較快的發(fā)展，中國(guó)的水源熱泵市場(chǎng)也日趨活躍，可以預(yù)計(jì)，該項(xiàng)技術(shù)將會(huì)成為本世紀(jì)最有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)。
2）高效節(jié)能。
水源熱泵機(jī)組可利用的水體溫度冬季為8～30℃，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。據(jù)美國(guó)環(huán)保署EPA估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的水源熱泵，平均來(lái)說(shuō)可以節(jié)約用戶30～40％的運(yùn)行費(fèi)用。熱泵系統(tǒng)之所以節(jié)能，很重要的一點(diǎn)就是它所提供的熱量中大部分是從低溫側(cè)無(wú)償獲得，如果熱泵的制熱系數(shù)為4，相當(dāng)于有3份能量從低溫側(cè)無(wú)償獲得，而只消耗了1份電能。對(duì)于水源熱泵機(jī)組來(lái)講，換熱過(guò)程是和地下水、地表水、循環(huán)水等水體來(lái)完成的，一般在10～22℃左右，基本不受外界環(huán)境的影響。
3）運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
水體的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，是很好的熱泵熱源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。
與燃?xì)夂腿加湾仩t系統(tǒng)相比，省去了儲(chǔ)油設(shè)備和燃?xì)夤艿赖姆笤O(shè)，若是燃煤鍋爐系統(tǒng)則可以省去鍋爐房及與之配套的煤場(chǎng)和渣場(chǎng)，大大減少了機(jī)房的占地面積，節(jié)約了土地資源，產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)效益，提高了建筑物的使用率。
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。設(shè)計(jì)良好的水源熱泵機(jī)組的電力消耗，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70％以上。水源熱泵技術(shù)采用的制冷劑，可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代共質(zhì)，水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行沒(méi)有任何污染，也沒(méi)有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場(chǎng)地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。
熱泵系統(tǒng)在冬季供熱時(shí)省去了鍋爐房系統(tǒng)，沒(méi)有燃燒過(guò)程，無(wú)燃燒設(shè)備，避免了有害煙塵和有害物質(zhì)的排放，從而不存在爆炸、燃燒的隱患。熱泵機(jī)組運(yùn)行安全、可靠、穩(wěn)定，幾乎不受天氣及環(huán)境溫度變化的影響，符合環(huán)保理念。
5）一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣。
水源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來(lái)的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對(duì)于同時(shí)有供熱和供冷的需求，水源熱泵有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設(shè)備可以同時(shí)滿足供熱和供冷的要求，減少了設(shè)備的初投資。
6）自動(dòng)運(yùn)行。
水源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，部件較少，機(jī)組運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠，維護(hù)費(fèi)用低；自動(dòng)控制程度高，使用壽命長(zhǎng)可達(dá)到20年以上。
水源熱泵主要優(yōu)勢(shì)
1.環(huán)保：在規(guī)劃建設(shè)的居住區(qū)域范圍內(nèi)，不用建設(shè)采暖供熱鍋爐房，利用循環(huán)水作熱源，清潔、環(huán)保且可再生。
2.節(jié)水：供熱用水比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)省40%。
3.節(jié)資：初期投資較燃煤鍋爐高、較其他方式低,運(yùn)行費(fèi)用只有傳統(tǒng)的1/2-2/3。運(yùn)行成本較低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
4.安全可靠：低溫管道系統(tǒng)，無(wú)高溫、高壓管道和壓力容器，安全可靠。
5.設(shè)備先進(jìn)，運(yùn)行穩(wěn)定：分專業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，先進(jìn)的控制技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)功能。
6.適用范圍廣：可充分利用各種工業(yè)余熱：循環(huán)水、廢水等。
7.不用消耗煤炭、石油、天然氣等寶貴的一次性不可再生的能源。
8.常年供應(yīng)生活熱水可提高商品房的品位。
9.可減少熱電廠、工廠循環(huán)冷卻水的蒸發(fā)量，同時(shí)降低了大氣的溫度，起到了雙向節(jié)能、環(huán)保的作用。
水源熱泵機(jī)組適用范圍
1、適用于學(xué)校和企事業(yè)單位、工廠、賓館、別墅、發(fā)廊、沐浴、足療等場(chǎng)所作生活用熱水。
2、適用于室內(nèi)泳池的池水加溫及池區(qū)、溫室大棚、醫(yī)院等采暖作熱水熱源。
3、適用于辦公樓、體育場(chǎng)館，可替代鍋爐和空調(diào)供暖、制冷，產(chǎn)出以1噸到幾百噸熱水。
4、適用于工廠及農(nóng)場(chǎng)的生產(chǎn)、養(yǎng)殖過(guò)程中作熱水熱源。
5、 提供熱水同時(shí)還可以免費(fèi)獲取冷氣，可實(shí)現(xiàn)全年供熱供冷氣。
6、大型熱水工程、中央空調(diào)、冬天采曖。
