地下水源熱泵工作原理及特點分析

【摘 要】地下水源熱泵起源于上個世紀初期，在發展至今的數十年中得到了較為廣泛的應用，但因其獨特性使其發展速度受到了一定的限制。地下水源熱泵有著清潔環保，節約能源的顯著特點，在能源日益受到關注的今天，相信地下水源熱泵是值得推廣與應用的供熱及制冷方式，有著廣闊的發展空間。本文對地下水源熱泵發展及其工作原理做了簡要的敘述，對其優缺點進行了多角度的評析。

【關鍵詞】 地下；水源；熱泵；發展；原理；特點

1. 前言

地下水源熱泵(Ground Water Heat Pumps， GWHP)是地源熱泵(Ground Source Heat Pumps， GSHP)的一個分支。地源熱泵的歷史可以追朔到1912年瑞士的一個專利，歐洲第一臺熱泵機組是在1938年間制造的。它以河水低溫熱源，向市政廳供熱，輸出的熱水溫度可達60oC。在冬季采用熱泵作為采暖需要，在夏季也能用來制冷。第一臺地下水源熱泵系統1948年在美國俄勒岡州波特蘭市的聯邦大廈投入運行。目前，歐洲的熱泵理論與技術均已高度發達，這種“一舉兩得”并且環保的設備在法、德、日、美等發達國家業已廣泛使用。如美國，截止1985年全國共有14，000臺地源熱泵，而1997年就安裝了45，000臺，到目前為止已安裝了400，000臺，而且每年以10%的速度穩步增長。1998年美國商業建筑中地源熱泵系統已占空調總保有量的19%，其中有新建筑中占30%。美國地源熱泵工業已經成立了由美國能源部、環保署、愛迪遜電力研究所及眾多地源熱泵廠家組成的美國地源熱泵協會，該協會在近年中將投入一億美元從事開發、研究和推廣工作。我國地下水源熱泵從1997年開始學習和引進歐洲產品，出現了大規模的地下水源熱泵采暖工程項目。到21世紀初，全國大約有過萬套地下水源熱泵供熱或制冷系統。

2. 基本工作原理

所謂熱泵，就是一種利用人工技術將低溫熱能轉換為高溫熱能而達到供熱效果的機械裝置。熱泵由低溫熱源（如周圍環境的自然空氣、地下水、河水、海水、污水等）吸熱能，然后轉換為較高溫熱源釋放至所需的空間（或其它區域）內。這種裝置即可用作供熱采暖設備，又可用作制冷降溫設備，從而達到一機兩用的目的。

熱泵機組的能量轉換，是利用其壓縮機的作用，通過消耗一定的輔助能量（如電能），在壓縮機和換熱系統內循環的制冷劑的共同作用下，由環境熱源（如水、空氣）中吸取較低溫熱能，然后轉換為較高溫熱能釋放至循環介質（如水、空氣）中成為高溫熱源輸出。在此因壓縮機的運轉做工而消耗了電能，壓縮機的運轉使不斷循環的制冷劑在不同的系統中產生的不同的變化狀態和不同的效果（即蒸發吸熱和冷凝放熱），從而達到了回收低溫熱源制取高溫熱源的作用和目的。

地下水源熱泵系統的低位熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。熱泵機組冬季從生產井提供的地下水中吸熱，提高品位后，對建筑物供暖，把低位熱源中的熱量轉移到需要供熱和加濕的地方，取熱后的地下水通過回灌井回到地下。夏季，則生產井與回灌井交換，而將室內余熱轉移到低位熱源中，達到降溫或制冷的目的，另外還可以起到養井的作用。

在冬季，水源熱泵機組不能完全承擔室內熱負荷，需要使用輔助熱源。目前，使用的輔助熱源有多種形式，其中有：電加熱（通常采用蓄熱式）系統；蒸汽或熱水加熱系統；空氣源熱泵系統等。

3. 地下水源熱泵的優點

3.1 屬于可再生能源利用技術。水源熱泵是具備了利用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。其中可以利用的水體，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的接受太陽輻射能量），而且是一個巨大的動態能量平衡系統，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發散地相對地均衡。這使得利用儲存于其中地近乎無限地太陽能或地能成為可能。所以說，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源地一種技術。

3.2 便于計量和收費。空調用電負荷在用戶建筑內，因此便于空調的計量與收費。這對于用戶合理使用空調系統，節約空調系統的能耗，公平、公正、公開地攤派費用對空調運行管理是非常有利的。

3.3 運行安全可靠。地下水源熱泵機組的空調系統是可以基本保證全年按用戶的需要開啟空調系統，特別是春秋空調過渡季節均能運行，也就相當于四管制空調系統。一般情況下，地下水源熱泵供、回水的溫度一年四季相對穩定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動。夏季水體作為空調的冷源，冬季作為空調的熱源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點問題。

3.4 高效節能。地下水源熱泵機組可利用的環境水體溫度冬季為12~22℃，水體溫度比環境空氣溫度高，所以熱泵循環的蒸發溫度提高，能效比也提高。而夏季水體為18~35℃，水體溫度比環境溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，機組效率提高。據美國環保署EPA估計，設計安裝良好地水源熱泵，利用江河湖水等，供熱制冷空調的運行費用可節省30~40％。

3.5 應用靈活。有的建筑物內，特別在過渡季節，部分區域需要供冷，部分區域需要供熱，水源熱泵可以同時供冷和供熱，可以實現建筑內冷熱量的轉移和平衡，從而系統節約能源。

3.6 節約成本。地下水源熱泵系統不需設冷凍機房，不設大的通風管道，不設大的鍋爐房，也沒有冷凍水系統，安裝和投資費用大大減少。

3.7 利于環保。地下水源熱泵使用的是電能，電能本身為一種清潔的能源，但在發電時，消耗的是一次能源，其所產生的污染物和二氧化碳等氣體會對周圍的環境產生影響。所以節能實際上也是減少了污染。

4. 地下水源熱泵系統的缺點

地下水源熱泵系統需要有豐富和穩定的地下水資源作為先決條件。由于打井的成本并不與取水量的大小成正比，因此較大系統的投資效益比較高。地下水源熱泵系統的經濟性還與地下水層的深度有很大關系。

冬季，我國北方地區土壤溫度較低，并且以熱負荷為主，如果采用地下水源熱泵供暖，則機組和換熱器的初投資比較高，連續運行的效率也較低。夏季運行時，機組容量過大，造成浪費。我國政府、建筑設計人員和公眾對這一技術缺乏了解。不僅因初投資高于其它系統而得不到認可和推廣，而且給運行管理帶來了很大的問題。運行管理是任何一個HVAC系統的重要組成部分，對于地下水源熱泵這種特殊設計更是關鍵因素。

環境方面的問題一旦出現，基本上是無可挽回的，或挽回的成本將非常巨大。從某種程度上講，造成的危害不亞于大氣污染。

5. 結束語

隨著全球經濟的發展，環境能源問題已經成為倍受關注的全球性問題。因此，必須加快符合中國國情及適應中國環境條件的地下水源熱泵產品的研制開發，使之成為一種實用、可靠、節能、經濟的空調系統形式。我國經濟發展十分迅速，地下水源熱泵系統必將有廣闊的發展空間。

參考文獻

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［5］ 葉凌. 地下水源熱泵的現狀與應用

［文章編號］1619-2737（2008）11-11-055

［作者簡介］竇立杰，男，助理工程師。