水源熱泵知識介紹

于立春

[摘要]水源熱泵是利用太陽能和地熱能來制冷、供熱,應該說其屬熱泵中“地源熱泵”的一種。水源熱泵是以水為介質來提取能量實現制熱和制冷的一個或一組系統。

[關鍵詞]水源熱泵 工作原理 特點

水源熱泵是以水為介質來提取能量實現制熱和制冷的一個或一組系統。針對水源熱泵機組,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熱能來制冷、供熱,應該說其屬熱泵中“地源熱泵”的一種。經過嚴格測試及不同地區熱泵的應用實例測算,水源熱泵制熱的性能系數在3.1—4.7之間,制冷的性能系數在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米以內的地下水、地表的河流、湖泊和海洋)吸收了太陽進入地球的輻射能量,這些水源的溫度一般都十分穩定。水源熱泵機組工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉移到水源中,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。水源熱泵根據對水源的利用方式的不同,可以分為閉式系統和開式系統兩種。閉式系統是指在水側為一組閉式循環的換熱盤管,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現能量轉移(該組盤管直接埋于土壤中的系統稱為土壤源熱泵,也是地源熱泵的一種);開式系統是指從地下或地表中抽水后經過換熱器直接排放的系統。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,即用切換工質回路來實現制熱和制冷的運行。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圖中表示了水源直接進入蒸發器(制冷時為冷凝器),在某些場合,為避免污染封閉的冷水系統(通常是處理過的),需間接地用一個換熱器來供水;另一種方法是利用封閉回路的冷凝器水系統。水作為熱泵制熱、制冷過程的介質,滿足以下兩個條件即可利用: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用廢水、生活用水、海水、江、河水等,甚至是各種工業余熱。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介質。冬季時,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組的蒸發器提出大約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,機組吸收的熱量再被機組的冷凝器釋放出來,用以加熱供暖的水系統,使供水溫度可達55℃以上,此溫度成為空調供暖(國家標準45℃)和地板熱供暖(國家標準40℃)的最佳溫度;夏季時,利用地下水(水溫低于14℃)做冷卻水,而常規制冷設備是利用冷卻塔循環冷卻,水溫一般都在30℃~40℃,夏季的地下水只有14℃~18℃,要比循環冷卻水溫度低于16℃~22℃,從而提高了機組的工作效率,達到了節能、降耗的作用。過渡季節,應用中央空調可以考慮將地下水抽取上來直接作為冷媒輸入系統,不需要機組開機運行,可以節省大量的能源。

二、水源熱泵的特點

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能量平衡系統,地表的土壤和水體自然地保持能量接收和發散的相對的均衡。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。水源熱泵機組以水為載體,在冬季采集來自湖水、河水、地下水及地熱尾水,甚至工業廢水、污水的低品位熱能,取得能量供給室內取暖;在夏季把室內的熱量取出,釋放到水中,以達到夏季空調供冷的目的。由于水源熱泵技術利用地表水作為空調機組的冷熱源,所以其具有以下優點:(1)環保效益顯著。水源熱泵是利用了地表水作為冷熱源,進行能量轉換的供暖空調系統。供熱時省去了燃煤、燃氣、然油等鍋爐房系統,沒有燃燒過程,避免了排煙、排污等污染;供冷時省去了冷卻水塔,避免了冷卻塔的噪音、霉菌污染及水耗。(2)高效水源熱泵機組可利用的水體溫度冬季為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冷式和冷卻塔式,機組效率提高。(3)節能水源熱泵使用的電能本身為一種清潔的能源,但在發電時,消耗一次能源并導致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。設計良好的水源熱泵機組,與空氣源熱泵相比,相當于減少30%以上的電力消耗,與電供暖相比,相當于減少70%以上的電力消耗。(4)應用范圍廣?？蓮V泛的應用于賓館、辦公樓、學校、商場、別墅區、住宅小區的集中供熱制冷,以及其它商業和工業建筑空調,并可用于游泳池、乳制器加工、啤酒釀造、冷軋鍛造、冷庫及室內種植和恒溫養殖等行業上。(5)一機多用。利用一套設備即可供冷,又可供熱,還可提供生活熱水。對空調系統來說,一臺熱泵提供兩種熱源,可節省一次性投資,其總投資額僅為傳統空調系統的60%,并且安裝容易,安裝工作量比其他空調系統少,安裝工期短,更改安裝也容易。(6)自動化程度高。水源熱泵機組由于工況穩定,所以可以設計簡單的系統;部件較少,自動控制程度高。(7)沒有任何污染。水源熱泵技術采用的制冷劑,可以是R22或R134A、R407和R410A等替代共質。水源熱泵機組的運行沒有任何污染,沒有燃燒,沒有排煙,不產生任何廢渣,廢水、廢氣和煙塵,使環境更優美。(8)運行穩定、維護可靠。水體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,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、更穩定,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。由于系統簡單,機組部件較少,運行簡單、穩定,相對來說維護費用要低得多,使用壽命可長過20年以上。