摘要：水源熱泵是一種高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、安全穩(wěn)定、冷暖兩用、運(yùn)行靈活的新型中央空調(diào)系統(tǒng)。它利用地表水（江、河、湖水）、地下水、工業(yè)廢水及生活廢水，又可用取之不盡的海水等，借助熱泵系統(tǒng)，既能制冷、又能制熱，是一種高效建筑節(jié)能技術(shù)。
關(guān)鍵詞：水源熱泵 空調(diào)系統(tǒng) 節(jié)能 可再生能源
1、 前言
進(jìn)入二十一世紀(jì)，能源緊缺已經(jīng)成為各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的世界性難題。隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，對空調(diào)的舒適性、室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求也越來越高。為了更好地滿足人們這種更加舒適和更加有利于身心健康的要求，現(xiàn)介紹近年來在空調(diào)領(lǐng)域興起的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。
地球表面或淺層水源的溫度一年四季基本不受外界氣候影響，相對穩(wěn)定，一般為10~25℃，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源。
水源熱泵是既可供熱又可供冷的高效建筑節(jié)能技術(shù)。能有效節(jié)省能源、減少大氣污染及CO2排放。
水源熱泵可采用多種形式的冷熱源，如利用地球表面（土壤）或淺層水源（如地下淺層水、河水、湖泊和海水等），或者人工再生水源（工業(yè)廢水、廢氣等），既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。
二、 發(fā)展近況
國外水源熱泵的歷史可以追溯到1912年瑞士的一個專利，而真正意義的商業(yè)應(yīng)用也只有近幾十年的歷史。如美國，到目前為止已安裝了40萬臺，每年以10%的速度穩(wěn)步增長，年節(jié)約能源費(fèi)用達(dá)4.2億美元。
美國的水源熱泵主要采用盤管深埋技術(shù)，與美國不同，中、北歐如瑞典、奧地利、德國等國家主要利用淺層地?zé)豳Y源，采用地下土壤埋盤管，用于室內(nèi)地板輻射供熱裝置中。
我國的水源熱泵剛剛起步，發(fā)展前景看好。目前已經(jīng)有數(shù)個示范工程。在華東地區(qū)，越來越多的中國用戶開始熟悉水源熱泵，并深感興趣。主要是因?yàn)槌Ｒ?guī)能源的節(jié)約和可再生能源的充分利用；另一方面是因?yàn)橛休^好的熱泵科研與應(yīng)用基礎(chǔ)。[1]
三、 系統(tǒng)組成及工作原理
水源中央空調(diào)系統(tǒng)是由末端（室內(nèi)空氣處理末端等）系統(tǒng)，水源中央空調(diào)主機(jī)（又稱為水源熱泵）系統(tǒng)和水源水系統(tǒng)三部分組成。為用戶供熱時，水源中央空調(diào)系統(tǒng)從水源中提取低品位熱能，通過電能驅(qū)動的水源中央空調(diào)主機(jī)（熱泵）"泵"送到高溫?zé)嵩?，以滿足用戶供熱需求。 為用戶供冷時，水源中央空調(diào)將用戶室內(nèi)的余熱通過水源中央空調(diào)主機(jī)（制冷）轉(zhuǎn)移到水源中，以滿足用戶制冷需求。圖1是水源熱泵制冷工況的原理圖。制熱工況的原理與制冷工況類似，只不過是熱泵機(jī)組的循環(huán)方向相反、相應(yīng)換熱器的功能互換。
圖 1：水源熱泵示意圖
水源熱泵根據(jù)對水源的利用方式的不同，可以分為閉式系統(tǒng)和開式系統(tǒng)兩種：閉式系統(tǒng)需要構(gòu)造地下埋管換熱器或者地表水埋管換熱器，形成封閉的地源水循環(huán)系統(tǒng)，向地下土壤或者地表水散熱或者取熱。開式系統(tǒng)的特點(diǎn)是抽取地下水或者地表水，在板式換熱器中與機(jī)組的循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)散熱或者取熱后，再回灌到地下或者河流。本文所討論中心議題是開式系統(tǒng)。
雖然在長江三角洲地區(qū)直接抽取地下水的方式受到嚴(yán)格限制，但是在一些地區(qū)仍然是一種可行的節(jié)能技術(shù)，并且地表水類型的水源熱泵不受限制。
四、 水源熱泵中央空調(diào)與其它常用中央空調(diào)冷熱源的技術(shù)特點(diǎn)對比
水源熱泵在夏季制冷時可使機(jī)組的冷凝溫度降低、在冬季可使機(jī)組的蒸發(fā)溫度提高，都能提高產(chǎn)能效率；此外，它們所利用的低溫?zé)嵩赐ǔ？梢詠碜原h(huán)境（大氣、地表水和大地）或各種廢熱。熱泵從這些熱源吸收的熱量屬于可再生的能源。
空調(diào)系統(tǒng)一般應(yīng)滿足冬季的供熱和夏季制冷兩種相反的要求，傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)通常需分別設(shè)置冷源（制冷機(jī)）和熱源（鍋爐）（見表1）。如果讓傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)在冬季以熱泵的模式運(yùn)行，則可以省去鍋爐和鍋爐房，不但節(jié)省了初投資（見表2），而且全年僅采用電力這種清潔能源，還能大大減輕供暖造成的大氣污染問題。
水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能效比可達(dá)5~6，遠(yuǎn)大于其它同類型機(jī)組（見表1）。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，無燃燒，無任何固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)污染物排放，是“綠色”供暖（冷）的環(huán)境系統(tǒng)工程。水源熱泵的污染物排放與電供暖相比，相當(dāng)于減少70%以上。
表1水源熱泵中央空調(diào)與其它中央空調(diào)冷熱源的技術(shù)特點(diǎn)對比
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方式 |
占地面積 |
設(shè)備壽命 |
水耗量 |
驅(qū)動方式 |
環(huán)保 |
備注 |
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水源熱泵 |
機(jī)房占地面積小，可設(shè)在地下室 |
20年 |
只利用地下水源的熱量采用回灌技術(shù)，不消耗水資源 |
電能利用系數(shù)為3.8~6.0 |
無燃燒污染水資源與制冷劑不接觸，無水源污染，噪音低 |
需要一定量的水資源，維護(hù)簡單 |
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溴化鋰吸收式直燃機(jī) |
機(jī)房占地面積大，冷卻塔要占用屋頂面積，儲油設(shè)備需要占地，要求有一定的安全間距 |
10年 |
冷卻水循環(huán)量的2%冬季供熱的排污補(bǔ)水 |
燃油或燃?xì)饽茉蠢孟禂?shù)為80% |
有燃燒污染有一定的噪音和水霉菌污染 |
機(jī)房需要設(shè)置安全報(bào)警裝置 |
|
水冷機(jī)+電鍋爐 |
需設(shè)冷凍站和鍋爐房，冷卻塔要占用屋頂面積，電負(fù)荷較大 |
冷水機(jī)組20年電鍋爐15年 |
冷卻水循環(huán)量的2%冬季鍋爐的排污補(bǔ)水 |
電能夏季：能源利用系數(shù)為3.5~3.8冬季：90% |
無燃燒污染夏季有一定的噪音和水霉菌污染 |
需要設(shè)置兩套機(jī)組和人員，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜 |
注：水冷冷水機(jī)組按水冷螺桿機(jī)組考慮，性能參數(shù)均摘自廠家資料；室內(nèi)進(jìn)風(fēng)溫度27℃ DB， 19.5℃ W B，冷卻水進(jìn)出水溫度32℃/37℃，冷媒水進(jìn)出水溫度7℃/12℃；冷卻水塔按兩臺考慮；
根據(jù)表1我們可以總結(jié)如下幾點(diǎn)：
1、 從冷熱源占地面積可以看出，水源熱泵相對其它類型的中央空調(diào)系統(tǒng)，其占地面積小，不需要冷卻水塔、鍋爐等耗電設(shè)備；
2、 相對其它類型的中央空調(diào)機(jī)組15年左右的使用壽命來說，水源熱泵空調(diào)機(jī)組使用壽命可長達(dá)20年；
3、 水源熱泵技術(shù)所使用是可再生水資源，不需要進(jìn)行循環(huán)水的補(bǔ)水；
4、 水源熱泵的制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.8~6.0，于其它形式的中央空調(diào)系統(tǒng)相比有明顯的節(jié)能優(yōu)勢；
5、 由表1可以看出，水源熱泵系統(tǒng)相對其它系統(tǒng)而言，無燃燒和水污染；
6、 水源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行維護(hù)方便。
五、 水源熱泵初投資概算及與其它采暖空調(diào)模式比較
以華東地區(qū)空調(diào)建筑面積10,000m2為例，夏季冷負(fù)荷1,064kW；冬季熱負(fù)荷1,220kW，表2比較了水源熱泵與其它不同系統(tǒng)的投資與運(yùn)行費(fèi)用。
表2水源熱泵系統(tǒng)初投資與其它中央空調(diào)系統(tǒng)比較
|
方 式 |
水源熱泵 |
溴化鋰吸收直燃機(jī)組 |
水冷機(jī)組+燃?xì)忮仩t |
水冷機(jī)組+電鍋爐（平+谷） | |
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初投資 |
制冷主機(jī)（萬元） |
100 |
140 |
90 |
90 |
|
鍋爐（萬元） |
- |
- |
30 |
24 | |
|
循環(huán)水泵（萬元） |
5 |
7 |
5 |
5 | |
|
冷卻水塔（萬元） |
- |
8 |
6 |
6 | |
|
水井 |
6 |
- |
- |
- | |
|
室內(nèi)末端（萬元） |
5 |
5 |
5 |
5 | |
|
其它（萬元） |
40 |
68 |
82 |
74 | |
|
總投資（萬元） |
156 |
228 |
218 |
204 | |
|
單位面積投資（元/平方米） |
156 |
228 |
218 |
204 | |
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能耗費(fèi) |
冬季125天（元/季·m2） |
17 |
37 |
36 |
28 |
|
夏季115天（元/季·m2） |
12 |
28 |
17 |
17 | |
|
全年（元/年·m2） |
29 |
58 |
53 |
45 | |
1、 初投資比較
水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)總投資為156萬元，如果不使用水源熱泵系統(tǒng)，而采用其它的空調(diào)系統(tǒng)，則需要配置冷卻水塔、鍋爐及其配套設(shè)備。水源熱泵機(jī)組壽命為20年，在此期間，其它的空調(diào)系統(tǒng)需要更新一次，具體數(shù)據(jù)分析如下：
a) 與溴化鋰吸收直燃機(jī)組的投資差價(jià)：228-156=72萬元，
b) 與水冷機(jī)組+燃?xì)忮仩t的投資差價(jià)：218-156=62萬元
c) 與水冷機(jī)組+電鍋爐（平+谷）的投資差價(jià)：204-156=48萬元
因此初投資相對其它中央空調(diào)系統(tǒng)而言約節(jié)省24%~40%的成本。
2、 能耗費(fèi)用比較
水源熱泵能耗費(fèi)用為：28元/年·m2，如采用其它類型的空調(diào)系統(tǒng)，其能耗費(fèi)用比較如下：
a) 與溴化鋰吸收直燃機(jī)組的能耗費(fèi)用比較：58-29=29元，
b) 與水冷機(jī)組+燃?xì)忮仩t的能耗費(fèi)用比較：53-29=24元
c) 與水冷機(jī)組+電鍋爐（平+谷）的能耗費(fèi)用比較：45-29=16元
由此可以得到，水源熱泵能耗費(fèi)用相比較其它類型的空調(diào)系統(tǒng)而言，約節(jié)省35%~50%的成本。
六、 結(jié)語
水源熱泵空調(diào)節(jié)能技術(shù)是節(jié)約能源、改善生活、減輕環(huán)境污染、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的有效措施。水源熱泵技術(shù)充分利用有利的自然資源，挖掘節(jié)能潛力，減少能源消耗，降低運(yùn)行維護(hù)成本。相信在不久的將來，水源熱泵空調(diào)節(jié)能技術(shù)必將獲得更加穩(wěn)定和快速的發(fā)展。
[參考文獻(xiàn)]
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作者簡介：殷正琴（1976-），女，工程師，主要從事空調(diào)產(chǎn)品的技術(shù)支持工作
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