1、浅议可再生能源在水环热泵空调系统中的应用【摘要】当建筑物内部有大量余热的时，采用水环热泵空调系统能够起到良好的节能效果。传统的水环热泵空调系统的水环路所需要的辅助加热设备是锅炉，锅炉对能源既不能充分利用又对大气造成污染，因此我们寻找新型的可再生能源代替传统的热源，本文就这些可再生能源在水环热泵中的应用现状、前景、原理、优缺点进行探讨。 【Abstract】 The effect of energy saving of water-loop heat pump system which is used in HVAC system is preferable when there is plen
2、ty of remainder heat in the building.The heating-peripheral is boiler in water-loop pipeline of traditional water-loop heat pump system,the energy is not utilized absolutely or the waste air occurs in boiler.hence,we should purse new recycled resourse to replace the traditional heat source.I will di
3、scuss the actuality,prospect,principle,advantage and disadvantage of recycled energy in water-loop heat pump system briefly in the following paper. 【keywords】 energy saving;recycled resource;water-loop heat pump system 【关键词】 节能；可再生能源；水环热泵 中图分类号 TU831 文献标识码 A 前言 水环热泵空调系统可利用的外部能源有太阳能、水（井水、河水、湖水、海水） 、土
4、壤能、空气等。这些能源具有资源无限、可以再生、与生态环境和谐的特点。因此提出可再生能源水环热泵空调系统对解决暖通空调的能源与环境问题有长远的战略意义。 上世纪 50 年代以来国外就有很多把可再生能源作为低位热源应用到水环热泵当中，其中土壤源作为水环热泵的低位热源是在二战以后就引起人们的重视，20 世纪 70 年代末至 80 年代美国和欧洲一些国家对土壤源水环热泵进行各种理论和试验研究，瑞典早在 20 世纪 70 年代末就开始生产专供冬季采暖的土壤源热泵机组并已商品化1 。我国的暖通空调工作者近年来对土壤源水环热泵开展广泛的理论和试验研究。水源热泵在欧美国家的建筑中也已经有 30 年的历史了，日
5、本早在 19321955年间就装设 35 座深井水为热源的水环热泵系统2 ，近年来，在我国黄河流域和北方地区开始广泛采用以井水源热泵冷热水机组作为冷热源的空调系统，我国的青岛还曾提出建造以海水为低位热源的大型热泵站的方案。我国的太阳能资源十分丰富，居世界第二位，年日照时间大于2000 小时的地区占全国面积的 2/3，处于利用太阳能较有利的区域。哈尔滨工业大学、天津大学曾进行过太阳能水环热泵系统的模拟研究。在空气源利用方面进来我国也进行了双级耦合水环热泵空调系统的研究和应用，这种系统就是利用空气/水热泵和水/空气热泵的耦合，把空气/水热泵作为水环热泵的辅助热源。 20 世纪 80 年代初，我国一
6、些外商投资的项目中开始采用闭式环路水环热泵空调系统，20 世纪 90 年代水环热泵空调系统在我国得到广泛的应用。据统计，1997 年国内采用水环热泵空调系统的工程共 52 项3 ，到1999 年，全国约有 100 个项目，2 万台水源热泵机组在运行4 。进入21 世纪水环热泵将得到新的兴旺发展，同时 21 世纪人类也面临着能源问题的严重压力，为此我们有必要研究探讨新型可再生能源在水环热泵中的应用。 水环热泵及可再生能源在水环热泵中的应用 1.1 传统水环热泵空调系统的组成 热泵是一种利用高位能使热量从低位热源（低温热源）流向高位热源（高温热源）的节能装置5 。那么所谓的水环热泵空调系统是指小型
7、水/空气热泵机组的一种应用方式，既用水环路将小型水/空气热泵机组（水源热泵机组）并联在一起，构成以回收建筑物内部余热为主要特征的水泵供暖、供冷的空调系统。该系统于 20 世纪 60 年代在美国加利福尼亚州出现，故也称为加利福尼亚系统。该系统于 1955 年在美国申请专利，很快传遍美国并早已商品化5 。 在夏季建筑物的内区和周边区都供冷的情况下建筑物内部的余热通过水/空气热泵机组由水环路散发到室外。首先，室内侧的空气与制冷剂换热（此时室内换热设备为蒸发器）使空气冷却下来，热泵机组里的制冷剂通过压缩机后进入循环水和制冷剂侧（此时的换热设备为冷凝器）此时制冷剂把热量传到循环水中。在冬季建筑物内区需要
8、供冷而周边区需要供热，内区排向循环水中的热量就可以通过循环水带到需要供热的周边区从而达到节能的目的。但是往往在冬季内区向水环路中散发的热量小于周边区需求的热量，使循环水的温度逐渐降低，当温度小于 13时就需要外加的辅助热源向循环水加热以补充周边区的热需求。而夏季由于热泵不断把室内的热量散发到循环水中，循环水的温度就不断升高，当循环水温升高到 32时就需要辅助的散热设备向外界排热以保持循环水温在 1332范围变化。传统的散热和加热设备是冷却塔和锅炉（燃油、燃煤、燃气、电热锅炉） 。采用这种高位能（电、燃气、油等）通过锅炉转变为循环水的低位能，再有室内水/空气热泵提升后向室内供热的方式不符合按质用
9、能的原则，是对能源的极大浪费。 1.2 太阳能水环热泵空调系统 太阳能是 21 世纪人类可期待的能源，我国的的太阳能资源又十分的丰富，因此把太阳能应用到水环热泵空调系统中就有着非常广阔的前景。在水环热泵空调系统中主要是将太阳能代替传统的锅炉等辅助加热设备。太阳能水环热泵空调系统又分为闭式和开式两种， 在闭式系统中当冬季水温低于 13时就利用太阳能热水系统通过板式换热器对循环水加热。开式系统又包括三个子系统，既太阳能集热系统、水环热泵空调系统、热水供应系统。三系统通过建筑物的消防水池为蓄热水池连接起来。这样可以解决太阳能的间歇性和不稳定性。当循环水温高于 32时打开冷却塔散热，当循环水温低于 1
10、3利用蓄热水池中的水作为循环水给系统供热。 1.3 土壤源水环热泵空调系统 土壤源水环热泵空调系统就是利用地下埋管换热器作为辅助热源的水环热泵空调系统。地表浅层是一只巨大的太阳能集热器，它收集约 47%的太阳能1 ，尽管其中有一半能量以长波的形式辐射出去，但剩余的能量也十分丰富。在缺乏地下水或者利用地下水源不经济的地区这种形式尤为显得可观。该系统有两个环路组成，即一次环路、二次环路。当冬季周边区供热量大于内区向二次环路中排热量时，至到二次环路温度降低 13时开启二次环路从土壤中吸收热量以保证环路水温。当夏季机组都处于制冷工况时，机组向二次环路中不断的放出热量，至到温度达到 32时开启一次环路，
11、此时一次环路向土壤中散热，以保证整个系统的水温。 1.4 井水源水环热泵空调系统 根据地下水循环系统和水环热泵空调系统水环路（建筑物内循环水环路）是否分隔开，可以分为闭式和开式二种。闭式就是通过板式换热器把地下水环路和建筑物内循环水环路分开，如图 1.4.1 所示；开式就是直接把地下水和室内的小型水/空气热泵机组连接起来，如图 1.4.2所示。之所以应用地下水作为低位热源是因为地下水终年基本水温维持在一个固定的范围内，是很好的天然热/冷源。 在闭式系统中，夏季制冷工况运行时当水环热泵循环水温度高于32时打开井水源循环系统，二者通过板式换热器把热量散发给地下水。冬季当水环热泵循环水系统的水温低于
12、 13时打开井水源循环水系统，二者通过板式换热器把地下水的热量传给室内循环水以保证室内循环水的温度。开式系统同闭式系统原理相同，不同的是开式系统中室内的水环热泵循环水就是直接应用地下井水。 （附加我国不同地区深井水温度如下表） 东北北部 中部 南部 华北 华东 西北 深井水温（常年） 4 812 1214 1519 1920 1820 1.5 双级耦合水环热泵空调系统 该系统是空气/水热泵和水/空气热泵机组的结合供暖，与传统的水环热泵空调系统相比，差异在于是用空气/水热泵机组代替传统系统中的锅炉。 夏季制冷工况运行：当水环热泵空调室内循环水系统的温度高于32时打开冷却水系统，室内循环水系统和室
13、外开式冷却塔系统循环水通过板式换热器实现散热的。冬季制热工况运行: 当循环水温度低于13时带开室外的空气/水热泵机组，此设备也是通过板式换热器把热量传给室内循环水系统以达到加热循环水的目的。 可再生能源在水环热泵应用中的优缺点 2.1 太阳能在水环热泵空调系统应用中的优缺点 优点：我国太阳能资源丰富可用空间大。太阳能水环热泵拓宽了水环热泵空调系统的应用范围，使内部余热小或无余热的建筑物也可以运用该系统。用消防水池做蓄热池既节省投资又解决了太阳能的不稳定性，同时多余热量还可以供生活用水。缺点：太阳能热水供应不足或阴天时需要设置辅助加热器。夏季仍需冷却设备 2.2 土壤源在水环热泵空调系统应用中的
14、优缺点 优点：地表浅层土壤源是一个巨大的太阳能集热器，蕴含巨大天然能量。省去传统的辅助加热（锅炉）和散热设备（冷却塔） 。缺点：占地面积大，如果埋设浅了土壤温度和受热特性易受季节等因素影响，深埋时施工要求和钻井费用高。 2.3 井水源在水环热泵空调系统应用中的优缺点 优点：我国大部分地区常年地下水温度保持稳定，冬夏均可利用。省略辅助加热和散热设备节省投资。缺点：钻井时费用高，抽水井和回灌井的维护要求高。在采用开式系统时管道容易堵塞和腐蚀。 2.4 双级耦合水环热泵空调系统的优缺点 优点：空气的利用没有污染，有利于实现能源、供暖、和环境的协调发展。有利于降低室外大气温度避免“热岛效应”的产生。缺
15、点：整个系统仍需要冷却设备。在我国北方寒冷地区冬季空气/水热泵机组容易结霜。 可再生能源在水环热泵空调系统中应注意的问题 3.1 太阳能水环热泵利用方面 太阳能的利用具有间歇性和不可靠性，因此设计水环热泵空调系统时应设置蓄热曹。可以将太阳能和其他热源共同作为热泵的低位热源使热泵的低位热源多元化，例如将太阳能与土壤源结合。太阳能是稀薄的能源，在地球表面上的能源密度极低，因此利用太阳能与目前所利用的矿物能相比需要较大的设备投资。 3.2 土壤源水环热泵利用方面 此系统最关键的就是土壤源热交换器的埋设问题，在使用该系统前首先应对现场进行勘测，先确定热交换器是采用竖井还是水平方式布置，其次应考虑建筑物
16、的高度，最后还应考虑垂直式或水平式热交换器的预定位置6 。地下埋管设计中应注意几个问题：土壤的传热性能取决于土壤的热导率、密度和比热容。地下埋管换热器中各管内水流量要分配均匀。注意换热器的承压问题，尤其是垂直埋管，设计中应注意系统最下端管道的静压在管路最大额定承压范围之内。注意管沟回填材料的使用。地下埋管换热器的最小埋设深度也应在冻土层以下。 3.3 井水源水环热泵利用方面 该系统最大的问题就是地下水的回灌, 回灌一般都存在堵塞问题，也就是说不能 100%的回灌，究其原因有如下几点：一、悬浮物堵塞，因此回灌前要控制悬浮物的含量。二、微生物的生长，因此要回灌前去除水中的有机质或进行消毒杀死微生物
17、。三、化学沉淀，在碳酸盐地区加酸改变 PH 值防止化学沉淀生成。四、气泡阻塞。五、粘性颗粒膨胀或扩散，在水中可注入氯化钙来解决。另外腐蚀和水质问题也是普遍存在的问题。 3.4 双级耦合水环热泵利用方面 该系统目前主要存在的问题就是北方寒冷地区冬季室外温度过低造成室外的空气/水热泵机组压缩比过大问题，压缩比过大最终导致供热量急剧减小，系统性能系数变小。另外北方寒冷地区冬季室外的空气/水热泵机组也存在结霜问题。 结束语 能源和环保是人类生存和发展的两大主题，是全球关注的问题。进入 21 世纪人类面临着的是常规能源的过度消耗与枯竭，可再生能源的利用就显得尤其宝贵。可再生能源在水环热泵空调系统中的应用
18、达到了即节能又保护环境的目的。是新世纪我们应该大力探讨研究和应用推广的新型节能措施，但对于目前设计和施工过程中存在的技术难题应该深入研究，本文就太阳能、土壤源、井水源、双级耦合水环热泵空调系统的理论给予了介绍，加深了对这方面理论理解的同时也为更深一步研究试验奠定了理论基础。 通过上述我们应该根据当地自然条件和建筑物的实际情况，经过多方的实际经验和模拟理论分析选择利用那种可再生能源的水环热泵空调系统。 参考文献 1 马最良.水环热泵空调系统设计M.北京：化学工业出版社，2004. 2 蒋能照.空调用热泵技术及应用M.北京：机械工业出版社，1997. 3 汪训昌.水环热泵系统的热回收特性及其设计方法C. 殷平.空调设计（1）.湖南：湖南科学技术出版社，1997：61-72. 4 谢汝庸.我国水源热泵机组应用的现状与发展C.现代空调（2）. 北京：中国建筑工业出版社，1999：66-77. 5 姚杨，马最良.浅议“热泵”定义J.暖通空调，2002，32（3）：33. 6 徐伟.地源热泵工程技术指南M.北京：中国建筑工业出版社.2001.
