论水源热泵的节能性与发展前景

论水源热泵的节能性与发展前景班级：建筑环境与能源应用工程131班姓名：邵健飞学号：2013114114摘要：进入21世纪以来，我国乃至世界能源形势越来越严峻，环境污染问题也日益突出，能源与环境问题是当今世界面临的两大问题。如今，可持续发展和环保节能是全球发展的趋势，世界各国均将目光投向了可再生能源。现阶段，发展可再生能源已经成为我国可持续发展战略中不可缺少的重要组成部分。水源热泵技术是一种有效利用可再生能源和低品位热能的技术。近年来，在能源与环境问题的推动下，热水源泵技术得到了快速的发展和应用。我国拥有丰富的地表水资源，以地表水作为低位热源的水源热泵系统在我国有着极其广阔的发展和应用前景。本文主要介绍了水源热泵的工作原理、特点、适用场合、节能性能，国内外的现状、发展、研究和应用情况。关键词：水源热泵；特点；节能性；现状；发展前景1.水源热泵的原理根据热力学第二定律。把高品位能量作为低品位能量使用是不等位的交换。需要消耗一次能源。热泵是利用那些因温度太低而不可能被别的设备加以利用的热量的唯一系统。可用无价值的环境大气及土壤中的太阳潜能、工业废热等去替代商品能源。是一种从低温热源吸取热量，使其在较高温度下，作为可以利用的有用能源的装置。热泵技术正是开发和强化高质能源利用率的重要手段，是我们获取可再生能源，维护生态平衡环境的有效手段之一。水源热泵，它是将蕴藏于江、河、湖泊、深井水、地表水中的大量不可直接利用的低品位热能提出，变成可直接利用的高品位热能的装置。水源热泵供热空调系统主要由两部分组成。即室内的水制冷、制热系统，室外的冷热源换热系统。室外的冷热源系统可根据所设计的建筑物的室外条件来选择室外地表水，深井水或河流，湖泊及工业余热废热等方式。水源热泵是一种利用地球表面或浅层水源(如地下水、河流和湖泊)，或者是人工再生水源(工业废水、地热尾水等)的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。水源热泵技术利用热泵机组实现低温位热能向高温位转移，将水体和地层蓄能分别在冬、夏季作为供暖的热源和空调的冷源，即在冬季，把水体和地层中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到水体和地层中去。原理简图如下：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IkW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)，目前在北京地区，多数在用闭式系统，其优点是不对地下水源产生污染或其他改变；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℃之问，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。2.水源热泵的特点水源热泵技术是一种介于中央空调和分散空调之间的优化空调能源方式，它具有中央空调合理利用能源，设备能效系数高，运行成本低、环保、安全和可靠等优点。又具有分散空调调节灵活、方便，便于管理和收费等优点。2.1可再生能源的利用水源热泵技术是利用了地球表面或浅层水源作为冷热源，进行能量转换的供暖、制冷双制空调系统。地球表面水源和土壤是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。水源热泵技术利用储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，为人们提供供暖空调，当之无愧的成为可再生能源一种形式。2.2属清洁能源水源热泵技术利用地下水以及地表水源的过程当中，不会引起区域性的地下以及地表水污染。实际上，水源水经过热泵机组后，只是交换了热量，水质几乎没有发生变化，经回灌至地层或重新排入地表水体后，不会造成对于原有水源的污染。可以说水源热泵是一种清洁能源方式。2.3具有经济有效的节能技术我们用于评价热泵性能优劣时，常用的是其性能系数：有的业内人士还将其称为供热系数，供冷系数或称其为“功效比”，用COP来表示。它的定义是系统输出的高温热量与所消耗的能量之比值。空气源热泵即风冷热泵其供热、供冷系数一般在2.0～3.0之间。由于地球表面或浅层水源的温度一年四季相对稳定，一般为10～25℃，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得水源热泵的制冷、制热系数可达3．5～5.5。供冷时活塞式机组为5.0～5.2。螺杆式机组可选6.0。足以可见水弹热泵的节能特点。由于水源热泵cop1％值较大。决定了建筑物供热，空调运行费用较低。据已运行的使用单位初步统计。冬季用于采暖的费用的大约在1O～14元/m²，夏季用于空调的运行费用8～l0元/m²。水源热泵机组可利用的环境水体温度冬季为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℃，水体温度比环境温度低，所以制冷的冷凝温度降低，机组效率提高。2.4环境效益显著水源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量；属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此，制冷剂泄漏机率大为减少。2.5运行安全可靠水源热泵机组的空调系统是可以基本保证全年按用户的需要开启空调系统，特别是春秋空调过渡季节均能运行，也就相当于四管制空调系统。一般，水源热泵供、回水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。夏季水体作为空调的冷源，冬季作为空调的热源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、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。2.6控制灵活方便水源热泵的温度自控装置组合在热泵机组中，无需另设控制中心或控制室，用户根据自己的愿望，可灵活地控制室温和风机转速。这种方式不仅适合于公共建筑，对不同年龄、不同职业和不同生活要求居住的住宅建筑来说，这就显得更为重要了。2.7热计量简单，便于管理水源热泵系统便于进行热计量，物业公司只要根据用户的耗电量就可向用户收费，用户可根据具体情况，不用不收费，少用少收费，用多少收多少，是解决当前采暖、空调收费难的一项重要举措，大大的方便了物业的管理。2.8一机多用水源热泵系统不但可以给人们提供供暖，而且还可以提供沐浴、泳池热水同时还可以免费获取冷气，可实现全年供热供冷气。可谓一机多用，功能齐全。2.9节约投资有的建筑物内，特别在过渡季节，部分区域需要供冷，部分区域需要供热，水源热泵可以同时供冷和供热，可以实现建筑内冷热量的转移和平衡，从而系统少用能源。2.10符合国家政策，获得政策性支持国家十分重视可再生能源开发利用工作，《中华人民共和国可再生能源法》已于2006年1月1日起实施；同时，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，又把大力发展和规模化应用新能源和可再生能源作为能源领域的优先发展主题。从国家立法和发展战略的高度，对可再生能源的发展应用予以强力推动。根据国家建设部政策规定，凡采用水源热泵空调技术的建筑物，通过向当地建委申报，可获得政府的政策性支持，减免建筑配套费用140～200元/m²。虽然水源热泵技术有以上众多优点，但同时也存在一些缺点，比如，一次性初投资较大，地下水的开采问题要考虑是否有充足的水源以及是否会给周围建筑带来安全问题等等，这些将一定程度制约水源热泵的发展。3.水源热泵的适用场合水源热泵空调机组适用于大型热水工程、中央空调、冬天采暧。（1）适用于学校和企事业单位、工厂、宾馆、别墅、发廊、沐浴、足疗等场所作生活用热水。（2）适用于室内泳池的池水加温及池区、温室大棚、医院等采暖作热水热源。（3）适用于办公楼、体育场馆，可替代锅炉和空调供暖、制冷，产出以1吨到几百吨热水。（4）适用于工厂及农场的生产、养殖过程中作热水热源。水源热泵目前主要应用在北方冬季寒冷的地区，而在广阔的南方很少见到身影。主要原因：南方主要以空气源热泵为主，所以空气源热泵基本能满足需要，并且工程相对简单，造价成本要低。4.水源热泵的节能性能（1）在规划建设的居住区域范围内，不用建设采暖供热锅炉房，利用循环水作热源，清洁、环保且可再生。（2）供热用水比传统设计节省40%。（3）初期投资较燃煤锅炉高、较其他方式低，运行费用只有传统的1/2-2/3。运行成本较低，经济效益显著。（4）可减少热电厂、工厂循环冷却水的蒸发量，同时降低了大气的温度，起到了双向节能、环保的作用。5.水源热泵的现状与在国内外的发展前景5.1水源热泵现状及现阶段存在的一些问题5.1.1系统研究方面水源热泵机组工况参数的确定以及性能的适用性直接关系到水源热泵系统的全年正常运行和能量消耗,但是目前我国还没有具体的标准可循。由于水源热泵是采用井水、地热水、湖泊水、河流水、生活及工业废水等作为热源,而地下井水温度一般为8～20℃,河湖地面水温度一般为0～24℃,地热水温度一般都在40～45℃以上,其温度范围有较大差异,将其笼统纳入一个标准是否合适也值得进一步研究讨论。同时,在水源热泵系统中,不同的换热方式、不同的换热器形式对整个系统影响尚缺少详细的比较。此外,不同地区、不同深度的地下水水温不同,它们对系统各部分的工况以及系统整体性能的影响目前还没有很详细的研究。同时,如何实现水源热泵机组的各部分优化匹配也需要进行更详细的研究。在以往的热泵中,一般都采用R22作为制冷剂,而根据蒙特利尔议定书,作为中间替代物的R22也将于2010年禁止使用。所以,应该考虑采用新的工质如:R134a，R407c，R410A，混合工质(HCFC-123/HFC-134a)以及天然工质C在热泵中的应用,以进一步提高热泵的工作及环保性能。受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响,水源的基本条件的不同,水源热泵的一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同。虽然总体来说,水源热泵的运行效率较高、费用较低,但与传统的空调制冷取暖方式相比,在不同的地区不同需求的条件下,水源热泵的投资经济性会有所不同。如果能够对水源热泵适用的各个主要地区进行详细的经济性分析,将对水源热泵的推广使用起到