1、熱泵技術(shù)的由來與發(fā)展

    當(dāng)今社會(huì)環(huán)境污染和能源危機(jī)已成為全人類面對(duì)并要加以解決的重大課題，在這種背景下，以環(huán)保和節(jié)能為主要特征的綠色建筑及相應(yīng)的供熱空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，而熱泵技術(shù)正是滿足這些要求的新興供熱空調(diào)技術(shù)。據(jù)資料記載，熱泵的歷史可以追溯到1912年瑞士的一個(gè)專利，而在歐美等一些發(fā)達(dá)國家地區(qū)，熱泵真正意義的商業(yè)應(yīng)用也只有10年的歷史。我國熱泵事業(yè)近幾年已開始起步，而且發(fā)展勢頭看好，國內(nèi)的幾所知名高校與有關(guān)企業(yè)在充分學(xué)習(xí)借鑒國外先進(jìn)技術(shù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，已聯(lián)合開發(fā)出了中國品牌的熱泵系統(tǒng)，并已建成了數(shù)個(gè)示范工程，越來越多的中國用戶開始熟悉熱泵，并對(duì)其產(chǎn)生了濃厚的興趣。可以預(yù)計(jì)，通過中國科學(xué)界與企業(yè)界的攜手共進(jìn)，我們完全有能力依靠自己的力量在短期內(nèi)開拓出具有中國特色的熱泵產(chǎn)業(yè)。

 2、熱泵的工作原理及種類

    (1)根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱可以自發(fā)地由高溫物體傳向低溫物體，而由低溫物體傳向高溫物體則必須作功，正如水能夠通過水泵從低處向高處流動(dòng)一樣，熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了把能量由低溫物體向高溫物體的傳遞，它是以花費(fèi)一部分高質(zhì)能（耗電）為代價(jià)，從自然環(huán)境中獲取能量，并連同所花費(fèi)的高質(zhì)能一起向用戶供熱，也就是說熱泵的供熱量永遠(yuǎn)大于所消耗的功量，所以是綜合利用能源的一種很有價(jià)值的措施。熱泵的硬件組成和制冷系統(tǒng)大致相同，也是由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥等主要部件組成。只是制冷是從制冷房間吸熱到冷凝器散發(fā)給冷卻介質(zhì)，熱泵是制冷工況的逆過程，即把熱量從冷凝器的介質(zhì)吸收過來散發(fā)到制熱房間中。

    (2)熱泵技術(shù)按所需熱源的不同大體可分為氣源熱泵、地源熱泵及水源熱泵。氣源熱泵即通常所說的風(fēng)冷熱泵，是以室外空氣作為熱源，是目前應(yīng)用最為廣泛的熱泵系統(tǒng)，現(xiàn)已成為市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品，但這種熱泵的應(yīng)用有其局限性，在我國北方寒冷的冬季，隨著室外溫度的降低，熱泵效率大大降低，而且蒸發(fā)器極易結(jié)冰，需消耗電能解凍，很不經(jīng)濟(jì)，因此這種熱泵僅適用于我國黃河以南，冬季室外氣溫較高的地區(qū)使用。

    (3)地源熱泵是將換熱盤管深埋于地下，吸收土壤中的低溫?zé)崃窟M(jìn)行供熱，由于全年土壤溫度波動(dòng)較小，地源熱泵的季節(jié)工況較為恒定，但地源熱泵因深埋于地下的換熱管技術(shù)較為復(fù)雜，且投資較大，目前僅在歐美一些發(fā)達(dá)國家有所應(yīng)用，在我國廣泛推廣有一定的困難。

    (4)水源熱泵是目前我國應(yīng)用較多的熱泵形式，它是以水（包括江、河、湖泊、地下水等）作為冷熱源體，在冬季利用熱泵吸收其熱量向建筑供暖，在夏季熱泵將吸收到的熱量向其排放，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的供冷。在水源熱泵的應(yīng)用當(dāng)中，又以利用地下水的地下水水源熱泵應(yīng)用較為廣泛。其工作原理大都是通過外部管道及閥門的切換來實(shí)現(xiàn)冬夏工況的轉(zhuǎn)換，夏季空調(diào)供回水走蒸發(fā)器，地下水走冷凝器，冬季空調(diào)供回水走冷凝器，地下水走蒸發(fā)器。

    3、地下水水源熱泵技術(shù)的特點(diǎn)

    (1)高效節(jié)能，運(yùn)行費(fèi)用低

    我們在評(píng)價(jià)熱泵機(jī)組和制冷機(jī)組的性能時(shí)常用到“功效比”一詞,用COP表示，它的定義是系統(tǒng)輸出的功率與所消耗的功率之比。風(fēng)冷熱泵其COP值一般在2.0～3.0之間，而水源熱泵,國內(nèi)產(chǎn)品在供熱時(shí)COP值可達(dá)3.5～4.0,供冷時(shí)活塞式機(jī)組為5.0～5.2，螺桿式機(jī)組可達(dá)6.0，從這一點(diǎn)上看，水源熱泵可以被稱作高效節(jié)能的供冷供熱設(shè)備。水源熱泵在制熱時(shí)所需的地下水即相當(dāng)于鍋爐燃燒的煤或油,而且地下水占熱泵所供熱量的70%～75%，這些熱量所消耗的代價(jià)僅為廉價(jià)的地下水，其成本要大大低于燃油和燃煤。以我市的水源熱泵運(yùn)行狀況來看，冬季供暖的運(yùn)行費(fèi)用為15元P–左右,而熱網(wǎng)供暖為24元P–。燃油供暖為35元P–左右，因此運(yùn)行費(fèi)用低是水源熱泵的一個(gè)顯著特點(diǎn)。

    (2)一機(jī)兩用,環(huán)保潔凈，初投資小由于水源熱泵冬季可向建筑物供暖，夏季可向建筑物供冷，真正做到了一機(jī)兩用，提高了設(shè)備的利用率。從初投資來看，現(xiàn)在國內(nèi)主要熱泵生產(chǎn)廠家的熱泵機(jī)組價(jià)格大致在019～110元PW之間，而同樣具備一機(jī)兩用的溴化鋰直燃機(jī)的價(jià)格在114～115元PW，而且水源熱泵機(jī)組無需設(shè)置冷卻塔及煙氣排放系統(tǒng)，省去了高成本的自來水，避免了向大氣排放煙塵及有害氣體，因此水源熱泵可稱其為低成本的綠色空調(diào)產(chǎn)品。

    (3)機(jī)房面積小，靈活安全，用途廣泛

    由于熱泵機(jī)組兼有供冷供熱的功能，機(jī)組本身體積較小，因而使機(jī)房面積大大減小，機(jī)組可靈活地安裝在任何地方，沒有儲(chǔ)煤、儲(chǔ)油罐等衛(wèi)生及安全隱患，機(jī)組采用智能化微電腦控制系統(tǒng)，并有備用手動(dòng)操作系統(tǒng)，無需專業(yè)人員操控，完善的電腦控制和多重保護(hù)，使整機(jī)運(yùn)行安全可靠。水源熱泵機(jī)組從嚴(yán)寒地區(qū)至熱帶地區(qū)均適用，機(jī)組適用的水源溫度從8℃到35℃均可，既可以提供7℃或50℃的空調(diào)用水，也可以提供同樣溫度的生活熱水；既可以作為城市區(qū)域供熱的熱源使用，也可以為辦公樓、賓館、別墅、居民小區(qū)等提供中央空調(diào)系統(tǒng)。隨著居民生活水平的普遍提高，設(shè)有中央空調(diào)系統(tǒng)的住宅小區(qū)逐漸增多，而對(duì)于這樣的小區(qū)而言，地下水水源熱泵無疑是較為理想的冷熱源，與采用集中供熱的住宅小區(qū)相比，初投資雖然偏高，但能耗費(fèi)用低，設(shè)有空調(diào)系統(tǒng)小區(qū)內(nèi)的住戶冬暖夏涼，生活品質(zhì)得到改善，住戶可以接受，而且其初投資高出的部分不出數(shù)年已為能耗費(fèi)用的節(jié)省所抵消。隨著住宅分戶供暖方式在全國的推廣，一些熱泵生產(chǎn)廠又推出了用于每戶使用的戶式水源熱泵機(jī)組，具體應(yīng)用方式為水源熱泵分戶設(shè)置，地下水統(tǒng)一供給，電費(fèi)按每戶的電表計(jì)量收取，水費(fèi)按每戶水表的計(jì)量收取，給物業(yè)管理部門的收費(fèi)工作提供了方便。

    4、水源熱泵在供熱空調(diào)中應(yīng)用應(yīng)具備的條件

    (1)可靠的水源

    對(duì)于水源熱泵而言，其水源可為地表水、江河水、湖水、海水及地下水，但目前應(yīng)用較多的水源熱泵均采用地下水，地下水作為國家的重要資源之一，政府對(duì)開采與使用有各種限制政策和法規(guī)，要獲取地下水，須通過政府有關(guān)主管部門的批準(zhǔn)方可，并應(yīng)有可靠的技術(shù)措施確保地下水的回灌。

    (2)充足的水源水量

    水源水量是影響水源熱泵系統(tǒng)的重要因素，其水量的多少與建筑物負(fù)荷大小及空調(diào)設(shè)計(jì)方案等有關(guān)，在確定方案之前，應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)資料合理確定水量，必要時(shí)可先打井做抽水實(shí)驗(yàn)，看看在規(guī)定的連續(xù)抽水時(shí)間內(nèi)地下水的水位降是否符合要求，并根據(jù)確定的水量來選定取水井與回灌井的數(shù)量。據(jù)資料介紹，一般要求地下水的取水量為每kW制冷量為0104～0106kgPs。

    (3)合適的水源水溫

    水源的溫度也是影響水源熱泵的重要因素，同樣的機(jī)組，由于水溫不同其提供的冷量和熱量也不同。一般來講，水源熱泵對(duì)水源溫度要求的范圍是：制冷工況下，進(jìn)蒸發(fā)器水溫為10～22℃;制熱工況下，進(jìn)冷凝器的水溫為18～40℃。建議國內(nèi)的熱泵生產(chǎn)廠家，應(yīng)將同一型號(hào)機(jī)組在不同水溫下提供的不同冷熱量列出明細(xì)，以便設(shè)計(jì)人員參考選定。另外取水井與回灌井之間應(yīng)有一定的距離，以保證地下水經(jīng)過水源熱泵機(jī)組產(chǎn)生的溫度變化經(jīng)回灌后，在含水層中流動(dòng)至取水井時(shí)溫度得以恢復(fù)，避免地下水產(chǎn)生冷量或熱量的積累，目前實(shí)際應(yīng)用運(yùn)行良好的工程中，取水井與回灌井之間的間距均在40m以上。

    (4)良好的水質(zhì)

    水源熱泵機(jī)組對(duì)水源的水質(zhì)有一定的要求，如果水質(zhì)達(dá)不到要求，會(huì)對(duì)閥門、主機(jī)及其附件構(gòu)成危害，尤其對(duì)多數(shù)熱泵廠家采用的板式換熱器產(chǎn)生的危害更為嚴(yán)重，從而影響系統(tǒng)的運(yùn)行，但通常可以采取一些處理手段如設(shè)置除污器，電子除垢儀，或在取水井內(nèi)多設(shè)幾層過濾裝置以減小井水中所含沙塵顆粒直徑，從而滿足機(jī)組對(duì)水質(zhì)的要求。一般來說，水源水質(zhì)不是影響水源熱泵機(jī)組應(yīng)用的主要因素。
 

    5、水源熱泵應(yīng)用中有待探討的問題

    (1)就目前我市實(shí)際運(yùn)行的水源熱泵機(jī)組來看，夏季制冷工況較為良好，而在冬季供熱時(shí)卻普遍存在大流量，小溫差，熱水出水溫度低的問題，一方面可能是由于冬季地下水溫度偏低引起的；另一方面說明機(jī)組的性能還有待于提高。

    (2)對(duì)于采用水源熱泵機(jī)組的中央空調(diào)系統(tǒng)末端來說，末端采用風(fēng)機(jī)盤管無疑是比較理想的，但對(duì)于末端采用大風(fēng)量的新風(fēng)機(jī)組或空調(diào)機(jī)組時(shí)應(yīng)加以注意，尤其在寒冷的北方地區(qū)，多數(shù)水源熱泵廠家提供的50～55℃的熱水溫度還是有些偏低。因而建議在必要的時(shí)候應(yīng)對(duì)大風(fēng)量的末端設(shè)備輔以額外的加熱措施或?qū)⒋箫L(fēng)量的末端設(shè)備分解成若干個(gè)小風(fēng)量的末端設(shè)備，以確保冬季送風(fēng)參數(shù)的要求。

    (3)地下水水源熱泵的應(yīng)用必然帶來地下水的開采問題，能否在一個(gè)城市或一個(gè)地區(qū)大量使用，如何解決取水井與回灌井的水位平衡問題，以及由于回灌井的回流速度問題能否給周圍的建筑物造成安全及質(zhì)量上的問題等都要進(jìn)一步從理論上和實(shí)踐上加以研究，并根據(jù)不同城市，不同地區(qū)，因地制宜制定相關(guān)政策。政府的職能部門應(yīng)制定一套相關(guān)的優(yōu)惠政策，加快水源熱泵技術(shù)的開發(fā)研制及應(yīng)用進(jìn)度，使相關(guān)的問題得到盡快解決。

    6、結(jié)論語

    總之，水源熱泵技術(shù)有著多種優(yōu)點(diǎn)，也有相應(yīng)的限制條件，對(duì)具體的供熱空調(diào)工程來說，本著環(huán)保節(jié)能的原則，水源熱泵應(yīng)是空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)先方案，隨著水源熱泵技術(shù)的不斷成熟，這一技術(shù)在供熱空調(diào)工程中將會(huì)得到更好的發(fā)展和應(yīng)用。