摘要：水源熱泵是以水為介質來提取能量實現制熱和制冷的一個或一組系統。本文介紹水源熱泵的工作原理與優點。
關鍵詞：水源熱泵　原理　優點

 1．水源熱泵定義

　　水源熱泵是以水為介質來提取能量實現制熱和制冷的一個或一組系統。針對水源熱泵機組，就是通過消耗少量高品位能量，將地表水中不可直接利用的低品位熱量提取出來，變成可以直接利用的高品位能源的裝置。水源熱泵是利用太陽能和地熱能來制冷、供熱，應該說其屬熱泵中“地源熱泵”的一種。經過嚴格測試及不同地區熱泵的應用實例測算，水源熱泵制熱的性能系數在3.3—4.4之間，制冷的性能系數在4.1—5.8之間。

２.水源熱泵工作原理

　　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、湖泊和海洋）吸收了太陽進入地球的輻射能量，這些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制冷劑提升溫度后送到建筑物中。通常水源熱泵水泵消耗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盤管，該組盤管一般水平或垂直埋于湖水或海水中，通過與湖水或海水換熱來實現能量轉移（該組盤管直接埋于土壤中的系統稱為土壤源熱泵，也是地源熱泵的一種）；開式系統是指從地下或地表中抽水后經過換熱器直接排放的系統。水源熱泵無論是在制熱還是制冷過程中均以水為熱源和冷卻介質，即用切換工質回路來實現制熱和制冷的運行。然而，更為方便的是由水回路中的三通閥來完成。雖然在水源熱泵系統圖中表示了水源直接進入蒸發器（制冷時為冷凝器），在某些場合，為避免污染封閉的冷水系統（通常是處理過的），需間接地用一個換熱器來供水；另一種方法是利用封閉回路的冷凝器水系統。水作為熱泵制熱、制冷過程的介質，滿足以下兩個條件即可利用:一是水的溫度在7℃~30℃之間，二是水量要充足。水源水可以是各種工業用廢水、生活用水、海水、江、河水等，甚至是各種工業余熱。提取水中的熱（冷）量比較簡單易行的方式是打井，利用井泵提取地下水作為循環介質。水源熱泵的技術簡介

　　由于水源熱泵技術利用地表水作為空調機組的冷熱源，所以其具有以下優點：

　　 環保效益顯著水源熱泵是利用了地表水作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。供熱時省去了燃煤、燃氣、然油等鍋爐房系統，沒有燃燒過程，避免了排煙、排污等污染；供冷時省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音、霉菌污染及水耗。所以說，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術。

　　 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30~40%的供熱制冷空調的運行費用。

　　節能水源熱泵使用的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。設計良好的水源熱泵機組，與空氣源熱泵相比，相當于減少30%以上的電力消耗，與電供暖相比，相當于減少70%以上的電力消耗。所以，水源熱泵在節能的同時還減少和降低了發電時一次能源消耗過程中產生的污染排放和溫室效應。

　　應用范圍廣可廣泛的應用于賓館、辦公樓、學校、商場、別墅區、住宅小區的集中供熱制冷，以及其它商業和工業建筑空調，并可用于游泳池、乳制器加工、啤酒釀造、冷軋鍛造、冷庫及室內種植和恒溫養殖等行業上。

　　一機多用利用一套設備即可供冷，又可供熱，還可提供生活熱水。對空調系統來說，一臺熱泵提供兩種熱源，可節省一次性投資，其總投資額僅為傳統空調系統的60%，并且安裝容易，安裝工作量比其他空調系統少，安裝工期短，更改安裝也容易。

　　自動化程度高 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，自動控制程度高。

　　沒有任何污染水源熱泵技術采用的制冷劑，可以是R22或R134A、R407和R410A等替代物質。水源熱泵機組的運行沒有任何污染，沒有燃燒，沒有排煙，不產生任何廢渣，廢水、廢氣和煙塵，使環境更優美。可以建造在居民區內，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。

　　運行穩定、可靠，維護方便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、更穩定，也保證了系統的性和經濟性，不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點問題。由于系統簡單，機組部件較少，運行簡單、穩定，相對來說維護費用要低得多，使用壽命可長過20年以上。

　　特別提醒

　　合理利用地下水資源進行熱泵空調，在設計和使用上有兩個問題應予以關注。

　　（1）地下水源的選擇采用地下水源熱泵時，選擇水源的原則應為：水量充足，水溫適當，水質良好，供水穩定。就某項工程來說，應根據當地實際情況，判斷是否具備可資利用的地下水源，一項工程所需水量，主要取決于該項工程的冷熱負荷和地下水溫度，適用的地下水源條件是，水文地質特征為砂、卵石、礫石地層以及裂隙地帶；含水層厚度大于5m，冬季地下水溫度不低于10℃。此外，還要注意水質情況，包括含砂量與渾濁度，以及水的化學性質。含砂量與渾濁度高造成機組和管閥磨損，回灌時會造成含水層堵塞，因此，地下水源含砂量應小于20萬分之一，向地下含水層回灌水的渾濁度應小于20毫克/升；總礦化度小于3克/升，希望水中Cl小于100毫克/升，SO42-小于200毫克/升，Fe2-小于1毫克/升，H2S小于0.5毫克/升，地下水腐蝕性條件達不到要求時，水源熱泵系統應考慮防腐措施。

 

　　（2）人工回灌我國水資源非常缺乏，主管部門對開采地下水有嚴格管理，并且規定，除非有較大需水用戶進行二資利用，否則必須進行回灌。當然，為了保證地下水源熱泵空調系統長期正常運行，以補充地下水源，調節水位，維持儲量平衡。為了避免在熱泵裝置中冷卻或加熱后回灌到地下的水，因短路而又被抽回，回灌井與取水井之間的距離應盡可能遠一些。目前，雖然還沒有回灌水質的國家標準，但回灌水質至少應等于原地下水水質，以保證回灌后不會引起區域性地下水水質污染。

　　因此，應遵守以下條款：　

　　（1）地下水應在封閉系統中輸送；

　　（2）熱泵空調系統中與地下水接觸的部件應采用耐腐蝕材料制造；

　　（3）取水管路上和回灌水管路上應裝有水表和采集水樣用的旋塞閥；

　　（4）定期對地下水進行化驗，并將化驗結果報送有關部門備案；

　　（5）如發現地下井水異常，特別是水中出現化學物質或其它無關物質時，應及時與有關部門，并采取措施。地下水回灌的方法有三種，即：真空回灌、重力（自流）回灌和壓力回灌。真空回灌：真空回灌是利用存頗低的靜水位（低于地面10m）形成真空進行回灌。含水層滲透性要良好。由于回灌時，對井的濾水層沖擊力不強，所以很適用于老井。采用真空回灌，對于細顆粒含水層，回灌量一般為取水量的1/3-1/2；對于粗顆粒含水層，回灌量可達取水量的1/2-2/3。重力回灌：依靠自然重力進行回灌也適用于低水位和滲透性良好的含水層，此法的優點是系統簡單。對于砂卵石含水層，其回灌量一般為取水量的50％；對于滲透性好的礫卵石層來說，回灌量可達取水量的75-90℃。壓力回灌：壓力回灌用于高水位和低滲透性的含水層，其缺點是回灌時，對井的濾水層和含水砂層的沖擊力強。上海曾廣泛采用此法進行回灌。為了預防井管堵管，及時清除堵塞含水層和井管的雜質，在進行回灌以后，經常開泵，排除回灌井水中的過堵塞物，即進行回場。回灌井的回揚次數和回揚持續時間，主要取決于含水層顆粒大小和滲透性。在巖溶裂隙含水層中的回灌井，長期不回揚，回灌能力仍能維持不變，在松散粗大顆粒含水層中的回灌井，每周回揚1-2次，在中、細顆粒含水層中的回灌井，回揚間隔應進一步縮短，而對于細顆粒含水層中的回灌井來說，經常回場尤為重要。

　　因此，系統調試完成并正常運行之后，為了預防井管堵管，及時清除堵塞含水層和井管的雜質，保證系統的可靠運行，需每年對回灌井和抽水井進行清理一次，費用為每眼井5000元左右。