本文首先介紹了水源熱泵技術(shù)的概念和工作原理，并與鍋爐和空氣源熱泵在能源利用角度作了對(duì)比，得出水源熱泵技術(shù)是利用可再生能源的一種技術(shù)。隨后，詳細(xì)地描述了水源熱泵的特點(diǎn)并介紹了國(guó)內(nèi)外關(guān)于地源應(yīng)用的基本情況和中國(guó)目前水源熱泵開(kāi)發(fā)應(yīng)用的前景。
一、水源熱泵技術(shù)的概念和工作原理
水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽(yáng)能和地?zé)崮芏纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源，并采用熱泵原理，通過(guò)少量的高位電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。
地球表面淺層水源如深度在1000米以?xún)?nèi)的地下水、地表的河流和湖泊和海洋中，吸收了太陽(yáng)進(jìn)入地球的相當(dāng)?shù)妮椛淠芰?，并且水源的溫度一般都十分穩(wěn)定。水源熱泵機(jī)組工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，而冬季，則從水源中提取能量，由熱泵原理通過(guò)空氣或水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中。通常水源熱泵消耗1kW的能量，用戶(hù)可以得到4kW以上的熱量或冷量。
水源熱泵機(jī)組工作的原理：
水源熱泵根據(jù)對(duì)水源的利用方式的不同，可以分為閉式系統(tǒng)和開(kāi)式系統(tǒng)兩種。閉式系統(tǒng)是指在水側(cè)為一組閉式循環(huán)的換熱套管，該組套管一般水平或垂直埋于地下或湖水海水中，通過(guò)與土壤或海水換熱來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。（其中埋于土壤中的系統(tǒng)又稱(chēng)土壤源熱泵，埋于海水中的系統(tǒng)又稱(chēng)海水源熱泵）。開(kāi)式系統(tǒng)是指從地下抽水或地表抽水后經(jīng)過(guò)換熱器直接排放的系統(tǒng)。
與鍋爐（電、燃料）和空氣源熱泵的供熱系統(tǒng)相比，水源熱泵具明顯的優(yōu)勢(shì)。鍋爐供熱只能將90%~98%的電能或70～90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶(hù)使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量；由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的50～60％。因此，近十幾年來(lái)，尤其是近五年來(lái)，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在北美如美國(guó)、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國(guó)家取得了較快的發(fā)展，中國(guó)的水源熱泵市場(chǎng)也日趨活躍，可以預(yù)計(jì)，該項(xiàng)技術(shù)將會(huì)成為21世紀(jì)最有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)。
在中國(guó)的傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)概念中，由于國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和政策的影響，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期中，北方一般以燃煤鍋爐解決冬季取暖問(wèn)題，在南方以水冷機(jī)組解決夏季制冷問(wèn)題。在二十世紀(jì)八十年代以后，制冷機(jī)組的方式開(kāi)始多樣化，此時(shí)，出現(xiàn)了溴化鋰機(jī)組、風(fēng)冷機(jī)組，機(jī)組的容量也從原有的大中型機(jī)組過(guò)渡為大中小型機(jī)組，在二十世紀(jì)九十年代以后，對(duì)于取暖方式也開(kāi)始有新的嘗試和探討，特別是隨著可持續(xù)發(fā)展和公眾環(huán)保意識(shí)的提高，世界和中國(guó)能源利用的結(jié)構(gòu)都正在轉(zhuǎn)變，從原有的煤、石油取暖過(guò)渡到以天然氣及電等清潔能源。北京作為大氣污染最為嚴(yán)重的城市之一，其治理大氣污染的政策中就包括能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，從以煤為主改為天然氣和電力替代能源。但是，替代能源雖然可以部分解決大氣污染的問(wèn)題，可是天然氣和石油等都屬于不可再生的能源，從可持續(xù)發(fā)展的角度看，必須提高能源利用效率或者尋找可以再生的能源，而水源熱泵機(jī)組就是比較理想的一種設(shè)備。
二、水源熱泵的特點(diǎn)
由于水源熱泵技術(shù)利用地表水作為空調(diào)機(jī)組的制冷制熱的源，所以其具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1. 屬可再生能源利用技術(shù)
水源熱泵是利用了地球水體所儲(chǔ)藏的太陽(yáng)能資源作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。其中可以利用的水體，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水體不僅是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47％的太陽(yáng)輻射能量，比人類(lèi)每年利用能量的500倍還多（地下的水體是通過(guò)土壤間接的接受太陽(yáng)輻射能量），而且是一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發(fā)散的相對(duì)的均衡。這使得利用儲(chǔ)存于其中的近乎無(wú)限的太陽(yáng)能或地能成為可能。所以說(shuō)，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術(shù)。
2. 高效節(jié)能
水源熱泵機(jī)組可利用的水體溫度冬季為12-22℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。而夏季水體為18-35℃，水體溫度比環(huán)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(fēng)冷式和冷卻塔式，機(jī)組效率提高。據(jù)美國(guó)環(huán)保署EPA估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的水源熱泵，平均來(lái)說(shuō)可以節(jié)約用戶(hù)30～40％的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。
3. 運(yùn)行穩(wěn)定可靠
水體的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，其波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動(dòng)。是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)問(wèn)題。
4. 環(huán)境效益顯著
水源熱泵的使用電能，電能本身為一種清潔的能源，但在發(fā)電時(shí)，消耗一次能源并導(dǎo)致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。所以節(jié)能的設(shè)備本身的污染就小。設(shè)計(jì)良好的水源熱泵機(jī)組的電力消耗，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少30％以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70％以上。
水源熱泵技術(shù)采用的制冷劑，可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代共質(zhì)。
水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行沒(méi)有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒(méi)有燃燒，沒(méi)有排煙，也沒(méi)有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場(chǎng)地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。
5. 一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣
水源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來(lái)的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對(duì)于同時(shí)有供熱和供冷要求的建筑物，水源熱泵有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設(shè)備可以同時(shí)滿(mǎn)足供熱和供冷的要求，減少了設(shè)備的初投資。水源熱泵可應(yīng)用于賓館、商場(chǎng)、辦公樓、學(xué)校等建筑，小型的水源熱泵更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。
6. 自動(dòng)運(yùn)行
水源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，部件較少，機(jī)組運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠，維護(hù)費(fèi)用低；自動(dòng)控制程度高，使用壽命長(zhǎng)可達(dá)到15年以上。
當(dāng)然，象任何事物一樣，水源熱泵也不是十全十美的，其應(yīng)用也會(huì)受到制約。
⑴ 可利用的水源條件限制
水源熱泵理論上可以利用一切的水資源，其實(shí)在實(shí)際工程中，不同的水資源利用的成本差異是相當(dāng)大的。所以在不同的地區(qū)是否有合適的水源成為水源熱泵應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵。目前的水源熱泵利用方式中，閉式系統(tǒng)一般成本較高。而開(kāi)式系統(tǒng)，能否尋找到合適的水源就成為使用水源熱泵的限制條件。對(duì)開(kāi)式系統(tǒng)，水源要求必須滿(mǎn)足一定的溫度、水量和清潔度。
⑵ 水層的地理結(jié)構(gòu)的限制
對(duì)于從地下抽水回灌的使用，必須考慮到使用地的地質(zhì)的結(jié)構(gòu)，確保可以在經(jīng)濟(jì)條件下打井找到合適的水源，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)和土壤的條件，保證用后尾水的回灌可以實(shí)現(xiàn)。
⑶ 投資的經(jīng)濟(jì)性
由于受到不同地區(qū)、不同用戶(hù)及國(guó)家能源政策、燃料價(jià)格的影響，水源的基本條件的不同；一次性投資及運(yùn)行費(fèi)用會(huì)隨著用戶(hù)的不同而有所不同。雖然總體來(lái)說(shuō)，水源熱泵的運(yùn)行效率較高、費(fèi)用較低。但與傳統(tǒng)的空調(diào)制冷取暖方式相比，在不同地區(qū)不同需求的條件下，水源熱泵的投資經(jīng)濟(jì)性會(huì)有所不同。
