水源热泵知识介绍

于立春

[摘要]水源热泵是利用太阳能和地热能来制冷、供热,应该说其属热泵中“地源热泵”的一种。水源热泵是以水为介质来提取能量实现制热和制冷的一个或一组系统。

[关键词]水源热泵 工作原理 特点

水源热泵是以水为介质来提取能量实现制热和制冷的一个或一组系统。针对水源热泵机组,就是通过消耗少量高品位能量,将地表水中不可直接利用的低品位热量提取出来,变成可以直接利用的高品位能源的装置。水源热泵是利用太阳能和地热能来制冷、供热,应该说其属热泵中“地源热泵”的一种。经过严格测试及不同地区热泵的应用实例测算,水源热泵制热的性能系数在3.1—4.7之间,制冷的性能系数在3.5—6.7之间。

一、水源热泵工作原理

地球表面浅层水源(如深度在1000米以内的地下水、地表的河流、湖泊和海洋)吸收了太阳进入地球的辐射能量,这些水源的温度一般都十分稳定。水源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中,由于水源温度低,所以可以高效地带走热量,而冬季,则从水源中提取能量,由热泵原理通过空气或水作为制冷剂提升温度后送到建筑物中。通常水源热泵水泵消耗1kW的能量,用户可以得到4kW以上的热量或冷量。水源热泵根据对水源的利用方式的不同,可以分为闭式系统和开式系统两种。闭式系统是指在水侧为一组闭式循环的换热盘管,该组盘管一般水平或垂直埋于湖水或海水中,通过与湖水或海水换热来实现能量转移(该组盘管直接埋于土壤中的系统称为土壤源热泵,也是地源热泵的一种);开式系统是指从地下或地表中抽水后经过换热器直接排放的系统。水源热泵无论是在制热还是制冷过程中均以水为热源和冷却介质,即用切换工质回路来实现制热和制冷的运行。然而,更为方便的是由水回路中的三通阀来完成。虽然在水源热泵系统图中表示了水源直接进入蒸发器(制冷时为冷凝器),在某些场合,为避免污染封闭的冷水系统(通常是处理过的),需间接地用一个换热器来供水;另一种方法是利用封闭回路的冷凝器水系统。水作为热泵制热、制冷过程的介质,满足以下两个条件即可利用:一是水的温度在7℃~30℃之间,二是水量要充足。水源水可以是各种工业用废水、生活用水、海水、江、河水等,甚至是各种工业余热。提取水中的热(冷)量比较简单易行的方式是打井,利用井泵提取地下水作为循环介质。冬季时,以地下水为“热源”,源源不断的将7℃以上的地下水通过热泵机组的蒸发器提出大约4℃以上的热量,使其降至3℃再注回地下,水在地下渗流过程中又吸收地下热量,温度又升至7℃以上,然后又被提升上来,如此不断循环,机组吸收的热量再被机组的冷凝器释放出来,用以加热供暖的水系统,使供水温度可达55℃以上,此温度成为空调供暖(国家标准45℃)和地板热供暖(国家标准40℃)的最佳温度;夏季时,利用地下水(水温低于14℃)做冷却水,而常规制冷设备是利用冷却塔循环冷却,水温一般都在30℃~40℃,夏季的地下水只有14℃~18℃,要比循环冷却水温度低于16℃~22℃,从而提高了机组的工作效率,达到了节能、降耗的作用。过渡季节,应用中央空调可以考虑将地下水抽取上来直接作为冷媒输入系统,不需要机组开机运行,可以节省大量的能源。

二、水源热泵的特点

地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器,收集了47%的太阳辐射能量,比人类每年利用能量的500倍还多(地下的水体是通过土壤间接地接受太阳辐射能量),而且是一个巨大的动态能量平衡系统,地表的土壤和水体自然地保持能量接收和发散的相对的均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地热能成为可能。水源热泵机组以水为载体,在冬季采集来自湖水、河水、地下水及地热尾水,甚至工业废水、污水的低品位热能,取得能量供给室内取暖;在夏季把室内的热量取出,释放到水中,以达到夏季空调供冷的目的。由于水源热泵技术利用地表水作为空调机组的冷热源,所以其具有以下优点:(1)环保效益显著。水源热泵是利用了地表水作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统。供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统,没有燃烧过程,避免了排烟、排污等污染;供冷时省去了冷却水塔,避免了冷却塔的噪音、霉菌污染及水耗。(2)高效水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12~22℃,水体温度比环境空气温度高,所以热泵循环的蒸发温度提高,能效比也提高。而夏季水体为18~35℃,水体温度比环境空气温度低,所以制冷的冷凝温度降低,使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式,机组效率提高。(3)节能水源热泵使用的电能本身为一种清洁的能源,但在发电时,消耗一次能源并导致污染物和二氧化碳温室气体的排放。设计良好的水源热泵机组,与空气源热泵相比,相当于减少30%以上的电力消耗,与电供暖相比,相当于减少70%以上的电力消耗。(4)应用范围广。可广泛的应用于宾馆、办公楼、学校、商场、别墅区、住宅小区的集中供热制冷,以及其它商业和工业建筑空调,并可用于游泳池、乳制器加工、啤酒酿造、冷轧锻造、冷库及室内种植和恒温养殖等行业上。(5)一机多用。利用一套设备即可供冷,又可供热,还可提供生活热水。对空调系统来说,一台热泵提供两种热源,可节省一次性投资,其总投资额仅为传统空调系统的60%,并且安装容易,安装工作量比其他空调系统少,安装工期短,更改安装也容易。(6)自动化程度高。水源热泵机组由于工况稳定,所以可以设计简单的系统;部件较少,自动控制程度高。(7)没有任何污染。水源热泵技术采用的制冷剂,可以是R22或R134A、R407和R410A等替代共质。水源热泵机组的运行没有任何污染,没有燃烧,没有排烟,不产生任何废渣,废水、废气和烟尘,使环境更优美。(8)运行稳定、维护可靠。水体的温度一年四季相对稳定,其波动的范围远远小于空气的变动,是很好的热泵热源和空调冷源。水体温度较恒定的特性,使得热泵机组运行更可靠、更稳定,也保证了系统的高效性和经济性,不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。由于系统简单,机组部件较少,运行简单、稳定,相对来说维护费用要低得多,使用寿命可长过20年以上。