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                  水源熱泵系統介紹

                  時間:2013-2-21

                   

                        本文首先介紹了水源熱泵技術的概念和工作原理,并與鍋爐和空氣源熱泵在能源利用角度作了對比,得出水源熱泵技術是利用可再生能源的一種技術。隨后,詳細地描述了水源熱泵的特點并介紹了國內外關于地源應用的基本情況和中國目前水源熱泵開發應用的前景。 

                  一、水源熱泵技術的概念和工作原理
                    水源熱泵技術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能和地熱能而形成的低溫低位熱能資源,并采用熱泵原理,通過少量的高位電能輸入,實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。
                    地球表面淺層水源如深度在1000米以內的地下水、地表的河流和湖泊和海洋中,吸收了太陽進入地球的相當的輻射能量,并且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載冷劑提升溫度后送到建筑物中。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。 
                    水源熱泵機組工作的原理: 
                    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套管,該組套管一般水平或垂直埋于地下或湖水海水中,通過與土壤或海水換熱來實現能量轉移。(其中埋于土壤中的系統又稱土壤源熱泵,埋于海水中的系統又稱海水源熱泵)。開式系統是指從地下抽水或地表抽水后經過換熱器直接排放的系統。 
                    與鍋爐(電、燃料)和空氣源熱泵的供熱系統相比,水源熱泵具明顯的優勢。鍋爐供熱只能將90%~98%的電能或7090%的燃料內能轉化為熱量,供用戶使用,因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能,比燃料鍋爐節省二分之一以上的能量;由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩定,一般為1025℃,其制冷、制熱系數可達3.54.4,與傳統的空氣源熱泵相比,要高出40%左右,其運行費用為普通中央空調的5060%。因此,近十幾年來,尤其是近五年來,水源熱泵空調系統在北美如美國、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發展,中國的水源熱泵市場也日趨活躍,可以預計,該項技術將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調技術。
                    在中國的傳統的空調系統概念中,由于國家的經濟發展狀況和政策的影響,在相當長的時期中,北方一般以燃煤鍋爐解決冬季取暖問題,在南方以水冷機組解決夏季制冷問題。在二十世紀八十年代以后,制冷機組的方式開始多樣化,此時,出現了溴化鋰機組、風冷機組,機組的容量也從原有的大中型機組過渡為大中小型機組,在二十世紀九十年代以后,對于取暖方式也開始有新的嘗試和探討,特別是隨著可持續發展和公眾環保意識的提高,世界和中國能源利用的結構都正在轉變,從原有的煤、石油取暖過渡到以天然氣及電等清潔能源。北京作為大氣污染最為嚴重的城市之一,其治理大氣污染的政策中就包括能源結構的調整,從以煤為主改為天然氣和電力替代能源。但是,替代能源雖然可以部分解決大氣污染的問題,可是天然氣和石油等都屬于不可再生的能源,從可持續發展的角度看,必須提高能源利用效率或者尋找可以再生的能源,而水源熱泵機組就是比較理想的一種設備。

                  二、水源熱泵的特點
                    由于水源熱泵技術利用地表水作為空調機組的制冷制熱的源,所以其具有以下優點:

                  1. 屬可再生能源利用技術
                    水源熱泵是利用了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、地表的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能成為可能。所以說,水源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術。

                  2. 高效節能
                    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。據美國環保署EPA估計,設計安裝良好的水源熱泵,平均來說可以節約用戶3040%的供熱制冷空調的運行費用。

                  3. 運行穩定可靠
                    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、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。

                  4. 環境效益顯著
                    水源熱泵的使用電能,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。所以節能的設備本身的污染就小。設計良好的水源熱泵機組的電力消耗,與空氣源熱泵相比,相當于減少30%以上,與電供暖相比,相當于減少70%以上。
                    水源熱泵技術采用的制冷劑,可以是R22R134AR407CR410A等替代共質。
                    水源熱泵機組的運行沒有任何污染,可以建造在居民區內,沒有燃燒,沒有排煙,也沒有廢棄物,不需要堆放燃料廢物的場地,且不用遠距離輸送熱量。

                  5. 一機多用,應用范圍廣
                    水源熱泵系統可供暖、空調,還可供生活熱水,一機多用,一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統。特別是對于同時有供熱和供冷要求的建筑物,水源熱泵有著明顯的優點。不僅節省了大量能源,而且用一套設備可以同時滿足供熱和供冷的要求,減少了設備的初投資。水源熱泵可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑,小型的水源熱泵更適合于別墅住宅的采暖、空調。 

                  6. 自動運行
                    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,機組運行簡單可靠,維護費用低;自動控制程度高,使用壽命長可達到15年以上。
                  當然,象任何事物一樣,水源熱泵也不是十全十美的,其應用也會受到制約。

                  ⑴ 可利用的水源條件限制
                    水源熱泵理論上可以利用一切的水資源,其實在實際工程中,不同的水資源利用的成本差異是相當大的。所以在不同的地區是否有合適的水源成為水源熱泵應用的一個關鍵。目前的水源熱泵利用方式中,閉式系統一般成本較高。而開式系統,能否尋找到合適的水源就成為使用水源熱泵的限制條件。對開式系統,水源要求必須滿足一定的溫度、水量和清潔度。 

                  ⑵ 水層的地理結構的限制
                    對于從地下抽水回灌的使用,必須考慮到使用地的地質的結構,確保可以在經濟條件下打井找到合適的水源,同時還應當考慮當地的地質和土壤的條件,保證用后尾水的回灌可以實現。

                  ⑶ 投資的經濟性
                    由于受到不同地區、不同用戶及國家能源政策、燃料價格的影響,水源的基本條件的不同;一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同。雖然總體來說,水源熱泵的運行效率較高、費用較低。但與傳統的空調制冷取暖方式相比,在不同地區不同需求的條件下,水源熱泵的投資經濟性會有所不同。 

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