水源热泵的发展及其在我国的利用
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发布时间：2022-05-01 08:45
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时间：2022-06-26 22:52
郭高轩
（北京市地质工程勘察院地热工程研究所）
摘要：本文探讨了水源热泵的概念及分类，简要阐述了其工作原理、技术特点和难点，并对国内外的发展和利用现状进行了综述，最后指出了目前应用中存在的问题，并对未来的发展作了初步展望。
1 引言
随着能源危机和环境污染的矛盾日益突出，以环保、绿色和节能为特征的能源研发成为各国发展的主流。由于供暖和制冷在能耗中都占有相当大的比例，从而使水源热泵技术近年来备受关注和重视。它以高能效比、稳定的运行工况、低运行费用、低初投资以及便于管理等优点在世界诸多国家能源结构中扮演愈来愈重要的角色［1］。
2 概念及分类
热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。其分类方法很多，最常用的是以低位热源种类分，可分为水源热泵、土壤源热泵、空气源热泵和太阳能热泵，水源热泵又可以分为地下水水源热泵和地表水水源热泵。通常，人们习惯于把前二者合称地源热泵。但在有的文献中，人们将利用封闭的地埋管系统吸收盘管四周土壤热量的系统称为地源热泵，而将具有抽取和回灌地下水系统的装置称为地下水水源热泵。目前，我国国内对于这一领域的概念分类还是没有明确界定，名称引用比较混乱。
水源热泵系统首先通过潜水泵、过滤器为水源热泵机组提供水源，热泵机组利用少量的电能提取水（通常为地下水）中低位能并将其聚变为高品位能量供末端用户使用，从而达到夏季制冷和冬季制热的目的［2～4］。
3 水源热泵技术的特点
与传统的制热、制冷设备和技术相比，水源热泵技术具有以下优点：
（1）可再生性：浅层介质的地温几乎始终维持在一个恒定水平上，水源可以循环利用，不断的提取，使得水源热泵技术成为可再生能源一种形式；
（2）经济性：经多数实例统计计算，通常水源热泵比电锅炉加热节省三分之二以上的费用，比燃料锅炉可节省二分之一以上的费用；
（3）环保性：水源热泵的污染物排放与空气热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少30%以上。与燃油锅炉和燃煤锅炉相比更显优势。由于其没有燃烧，没有排烟，完全达到国家废物零排放的环保理念；
（4）节能性：以水为载体，以浅层地下水为主要来源，冬季将低品位的热能提升供暖，夏季将低品位的冷能提升供制冷，一个运行周期内能量基本维持平衡，大多数水源热泵系统的COP都可达到3.0以上，有的甚至达到5.0；
（5）灵活性：不仅可以供暖、供冷，而且还可以供生活热水。此外，水源热泵系统占地面积比较小、节省场地，场地清洁，可以安装于宾馆、商场、办公楼、学校和别墅等。此外，热泵的机组轻巧，便于安装和维修、更换［5～6］。
4 国内外发展现状
1912年，瑞士人提出“热泵”的概念，1946年第一个热泵系统在美国俄勒冈州诞生。1974年起，瑞士、荷兰和瑞典等国家*逐步资助建立示范工程。20世纪80年代后期，热泵技术日臻成熟。在过去的10年时间里，大约30个国家的热泵平均增长速率达到10%，在国际社会中，由于其在减少二氧化碳方面得到普遍认可而受到足够重视和快速发展。
在美国，每年接近安装5～6万套热泵机组，超过600个学校安装了热泵系统进行供暖和制冷。在瑞士，由于高原气候条件，冬天日照少，水源热泵系统已经以每年15%的速度快速增长。目前，瑞士有超过25万台热泵系统在运行，成为世界上利用热泵密度最大的国家。在英国，尽管地质条件非常复杂。但是热泵技术也从非常小的起步发展到遍及整个英国。涉及领域有：私人建筑、房地产开发、公共设施等。目前，瑞典的地源热泵安装基本占总需求负荷的60%，尤其是进入到21世纪之后，瑞典的热泵安装增长更为迅速，仅2001年热泵销售就突破25000台。澳大利亚虽然大部分国土位于热带，但是引入热泵的数量也达到30000多套［7～8］。
我国的热泵研究始于20世纪50年代，由天津大学的部分学者牵头，但是由于多种原因，发展缓慢，直到80年代末90年代初，相关领域掀起了一股“热泵热”。进入21世纪以来，我国在热泵模型仿真、试验装置、能耗评价以及系统材质研究等方面取得了一批显著成果。
图1 水源热热泵相关文献搜索结果统计图
在中国科技官方数据库——中国期刊网上，笔者分别对“热泵”和“水源热泵”进行了题名和关键词搜索，搜索结果如图1。可以看出，进入21世纪以来，随着国家可再生能源法的颁布，热泵技术以及水源热泵极大地吸引了广大科技工作者的注意。这也符合国家提出的绿色经济、构建和谐社会和走可持续发展的方针。以百度搜索引擎搜索“热泵”和“水源热泵”，搜索到的网页分别为514000和86000，以google搜索的结果分别为446000和156000。从1989年到2005年，我国科技工作者以热泵为关键词发表的科技文章总计达到2872篇。其中2001年到2005年的文献数量占总数的66.7%。
目前，我国利用热泵技术的城市达30多个，据有关部门统计，全国范围内利用水源热泵和土壤源热泵技术的面积已达3000万m2，截至2004年底，仅北京地区利用水源热泵和土壤源热泵技术供暖和制冷的面积已达到500万m2［9］。
5 存在的问题
5.1 经济性分析不足
缺乏适宜性评价，盲目投资，扩大开发规模问题严重。水源热泵技术是一项系统工程，有其自身适用的条件。地区之间因能源价格不同、气候条件不同、水源条件不同，造成初投资和运行费用存在较大差异，所以要针对不同地区、不同用户进行经济性分析。要综合经济、社会、环境等各方面的因素进行效益评价，寻求最合适的地热能利用方式。目前，盲目跟风显著、示范成功工程偏少。
5.2 *规范制定落后于市场需求
目前，热泵技术还缺少相关的*法规和技术要求。具体表现在，①工程设计缺乏系统的设计规范和标准，大都处在无标准可依状态；②对开发单位缺乏资质管理，实施的工程缺乏论证；③缺乏协同作业，大都是暖通空调专业管地上、地质专业人员管地下，造成许多热泵系统匹配差，失败案例较多；④后续管理*相对滞后。比如后期维护和相关环境地质问题（地面沉降、热污染等）监测多数未进行等。
5.3 系统缺乏优化
系统安全性和稳定性有待提高。目前，大多数热泵系统用的工质都是R22，根据蒙特利尔议定书，R22将于2010年禁止使用。安全性和环保性的新型工质研究是未来必须解决的问题。另外，系统腐蚀问题造成的寿命缩短往往被忽视。系统整体匹配和分区域控制技术研究不足，利用效率偏低，系统优化投入偏少［10］。
6 展望
6.1 迅速制定相关*法规和技术规范
随着“倡导构建节约型社会，发展绿色环保型经济”热潮的兴起。热泵技术已成为当前研究和推广的热点。尤其是在建设“宜居城市”、“生态城市”的竞赛中，各大城市都相继不允许再建以煤、油为燃料的锅炉房。
那么就迫切需要能够正确地引导推广热泵技术的相关法规尽早出台。*应成立相关的管理部门，尽早制定相应的评价体系和具体操作流程，如水源热泵系统开发的适宜性评价、水源热泵系统的环境影响评价等；此外还需要由专家编纂相应的技术规范，对热泵机组参数、系统设计、安全稳定性维护以及开采与回灌等工程的实施进行规范化。
6.2 适宜性评价和系统优化
第一，水源必须满足要求，主要有地下水水量、水质和水温。水源热泵系统对水文地质条件有很强的依赖性，而地质结构具有很强的非均质性，一个地区的开发利用模式不能生搬硬套到另外一个地区。例如：有的地区含水层富水性好，大多为砂卵砾石，不仅可以减少开采井和回灌井的数量，还能够达到百分百的回灌，而有的则完全不行。各地区应结合本地的地质情况和气候条件进行适宜性评价、合理规划，建立适合自身的开发利用体系是当务之急。
第二，系统的匹配优化问题。应结合当地的水文、气象、水文地质条件及负荷要求，优化总井数（抽水井和回灌井）、井深、井身结构和成井工艺。
第三，后期运行和维护技术的研究。应及时对系统运行工况进行监测，对系统腐蚀和水井老化（砂堵、岩化、胶结）等问题进行研究，并提出相应的防治和治理措施。此外，应对噪音污染、热污染等问题进行专题研究［11］。
6.3 多系统联合研究，扩大应用范围
水源热泵系统虽然有诸多优点，但是它总有不足之处，例如它受到水量、水质、冬季表层土壤冻结等因素的*，所以应当开展关于土壤、水源、空气、太阳能、地热、废热等的双联甚至三联热泵的研究，以此来扩大热泵的应用范围，满足不同用户的需求［12］。
此外对水源热泵系统的设计进行优化和相关仪器的研究如：岩土热物性测试仪的研制，分区域控制器的研究等也将是亟需解决的问题。相信在不久的将来，绿色能源技术——水源热泵技术必将在采暖制冷、节能、环保领域发挥越来越大的作用，为国民经济的发展、生态环境的保护、能源结构的优化等方面做出应有的贡献。
参考文献
［1］Arif Hepbasli，Leyla Ozgener，Development of geothermal energy utilization in Turkey：a review，Renewable and Sustainable Energy Reviews，2004，（8）：433～460
［2］马最良，热泵技术（上），电力需求侧管理，2003，5（5）：58～60
［3］马最良，热泵技术（下），电力需求侧管理，2003，5（6）：58～62
［4］龚明启，冀兆良，浅议热泵分类，河北能源职业技术学院学报，2005，（1）：60～63
［5］郭莹，水源热泵的应用特点，建筑技术开发，2003，（10）：94～95
［6］高小青，浅谈水源热泵空调系统的优缺点，安装，2005，（8）：30～32
［7］Steve Kavanaugh.Design consideration for ground and water source heat pumps in southern climates，ASHRAE trans，1989，95（1）：1139～1148
［8］胡鸣明，刘宪英，国外地源热泵的发展历史与设计方法，四川制冷，1999，（2）：20～23
［9］王芳，范晓伟，周光辉等，我国水源热泵研究现状，流体机械，2003，（4）57～59
［10］张自力，水源热泵若干问题探讨，机械研究与应用，2004，（5）：90～92
［11］文远高，郑重，地下水资源在住宅空调中应用的方式及注意的问题，住宅科技，2004，（6）38～40
［12］武云甫，田峰，高岩，住宅水源热泵规划设计，技术交流，2004，（6）36～39
