我國水源熱泵研究現狀
分析了近年來(lái)我國水源熱泵的發(fā)展動(dòng)態(tài)，對應用較多的地下水水源熱泵、地熱水水源熱泵等的研究狀況進(jìn)行了重點(diǎn)論述，并在此基礎上進(jìn)一步指出了我國水源熱泵研究與應用中存在的一些不足之處及有待深入研究和改進(jìn)的方向。
1、引言
水源熱泵根據水來(lái)源不同(如：地熱水、地下水、地表水、河川水、海水等)，可分為：地熱水水源熱泵，地下水水源熱泵，地表水水源熱泵，河川水水源熱泵，海水水源熱泵等。本文將近年來(lái)我國水源熱泵方面的一些主要的研究現狀進(jìn)行介紹并指出有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究的方向。
2、研究現狀
2.1、地下水水源熱泵
地下水水源熱泵的經(jīng)濟性是決定地下水水源熱泵能否得到廣泛應用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。根據對寧波市某一空調面積為72132m2 的實(shí)際工程分別采用地下水水源熱泵和溴化鋰吸收式制冷系統的經(jīng)濟性比較得出，采用地下水水源熱泵系統比溴化鋰吸收式制冷系統單位面積初投資可節省75132 元/m2，制冷總運行費減少451.5%，供暖總運行費減少35.5%。而在湖南地區氣候條件下，由投資及運行費用折合成的現值成本作為比較依據，對地下水水源熱泵機組、風(fēng)冷熱泵機組、溴化鋰直燃機組、水冷冷熱水機組+ 燃油熱水鍋爐這四種不同的系統的經(jīng)濟性進(jìn)行比較的結果表明：在給定的建筑面積和冷負荷條件下，地下水水源熱泵機組的現值成本比其它三種系統都要小20%以上，其中，溴化鋰直燃機組的現值成本最高，同時(shí)，隨著(zhù)空調面積從10000m2 增大到80000m2，風(fēng)冷熱泵的現值成本增加最快。
深井蓄熱型地下水熱泵系統是對地下水水源熱泵系統的一種改進(jìn)。該系統采用冬灌夏用、 夏灌冬用的地下水使用技術(shù)，在供冷時(shí)，冷水井為抽水井，熱水井為回灌井，而在供熱時(shí)，則以熱水井為抽水井，冷水井為回灌井，這樣，利用深井地下水的蓄熱特性，就可以將熱泵供冷時(shí)冷凝器產(chǎn)生的熱量蓄藏于熱水井中供供熱時(shí)使用,而將供熱時(shí)蒸發(fā)器產(chǎn)生的熱量蓄藏于冷水井中供供冷時(shí)使用，如此可充分利用熱泵產(chǎn)生的冷量和熱量。計算表明，在標準空調工況下，該系統比常規地下水熱泵系統節能20% ~ 30%，同時(shí)該方法還可有效控制地面沉降問(wèn)題。
在相關(guān)文獻給出的井水與土壤間傳熱數學(xué)模型的基礎上，對地下水水源熱泵系統在冬季工況進(jìn)行了數值模擬的結果表明，當井水溫度達到一定程度時(shí)，井水與土壤間的換熱基本達到平衡，此時(shí)熱泵的取熱量都是從井周?chē)耐寥乐蝎@得的,而井水與土壤間的換熱主要依賴(lài)兩個(gè)因素：井內水的流動(dòng)強弱和井水與周?chē)寥篱g溫差的大小;同時(shí)，井的結構尺寸( 如：深度和直徑) 對取熱量有很大的影響，在制熱量確定時(shí)，井的結構尺寸應與之相匹配; 此外，不同的運行方式和時(shí)間對井水溫度和取熱量也有不同的影響。此外，關(guān)于水源熱泵系統設計的應用程序也有相關(guān)介紹。
2.2、地熱水水源熱泵
低溫地熱水水源熱泵系統一般有三種不同的應用方案：?jiǎn)为氉鞴┡�，供暖與供生活熱水兼顧，供暖、供生活熱水與夏季空調兼顧。比較這三個(gè)方案可以發(fā)現，方案三既有供暖，又有生活熱水供應，同時(shí)還兼顧夏季空調，運行成本最低，投資費用處在方案一和方案二之間，是三者當中的優(yōu)選方案。
針對地熱水溫度高、腐蝕性強、礦化度高等特點(diǎn)，可以考慮使用井下?lián)Q熱器技術(shù)來(lái)利用地熱水熱能 其優(yōu)點(diǎn)是：只取熱，不取水，對環(huán)境的影響小，不會(huì )引起地面沉降和地震危險。但與此同時(shí),也就對井下?lián)Q熱器部分的防腐提出了很高的要求。另外，針對地熱水水源熱泵系統的特點(diǎn)，應對系統中板式換熱器進(jìn)行優(yōu)化設計。目前已有研究分析了板片材料、單片面積、流程、流道、流體速度等選取的原則，并在綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境效益及節能的基礎上，提出了一種板式換熱器計算機優(yōu)化算法。這些可在今后板式換熱器設計選用中作為參考依據。
另外，近年來(lái)關(guān)于水源熱泵系統的新工質(zhì)也有不少研究。在大量計算的基礎上，有學(xué)者提出一種低環(huán)害非共沸二元混合工質(zhì)應用于低溫及中高溫地熱水水源熱泵系統中，并結合實(shí)驗給出了該系統運行中EER 等重要參數的數據及變化曲面，不僅證明了該混合工質(zhì)優(yōu)秀的循環(huán)性能，并有利于該系統進(jìn)行智能控制，為該項技術(shù)在實(shí)際工程中的推廣應用奠定了基礎。遺憾的是，關(guān)于該種二元混合工質(zhì)的具體成分及實(shí)驗配比尚缺少詳細的介紹。
2.3、其它類(lèi)型的水源熱泵
綜合土壤源熱泵和空氣源熱泵的優(yōu)缺點(diǎn)，利用淺水池水作為冷熱源將是一種很好的水源熱泵系統改進(jìn)形式。結合理論分析和實(shí)驗可以看出:提高淺水池水下?lián)Q熱器性能，改善土壤特性，優(yōu)化水池設計，利用太陽(yáng)能等措施可以有效提高整個(gè)淺水池水源熱泵系統的性能。
在一般的水源熱泵系統中，往往都要加裝輔助熱源或輔助排熱裝置。如果能夠在水源熱泵系統中合理利用太陽(yáng)能，對于節能和環(huán)保而言都將有重大意義。目前，關(guān)于利用太陽(yáng)能的開(kāi)式環(huán)路水源熱泵空調系統形式已有初步的研究 ，對7種不同的工況下系統的運行情況進(jìn)行了比較，并由此得出引入太陽(yáng)能后系統的特點(diǎn)。但這些研究大部分是理論研究，尚需具體的實(shí)驗進(jìn)行論證。生活及工業(yè)廢水屬于未利用能，也是一種很好的水源熱泵水源，在有條件的地區，可積極推廣應用，關(guān)于利用生活及工業(yè)廢水的水源熱泵，目前典型的應用實(shí)例主要有兩個(gè)，一個(gè)是大連電力住宅大廈利用大連第一發(fā)電廠(chǎng)冷卻循環(huán)水為熱源的水源熱泵系統，另一個(gè)是山東兗州興隆莊礦區單身職工公寓和新建住宅小區利用礦區內礦井水為熱源的水源熱泵系統。
3、有待解決的問(wèn)題及改進(jìn)方向
3.1、系統研究方面
水源熱泵機組工況參數的確定以及性能的適用性直接關(guān)系到水源熱泵系統的全年正常運行和能量消耗，但是目前我國還沒(méi)有具體的標準可循。由于水源熱泵是采用井水、地熱水、湖泊水、河流水、生活及工業(yè)廢水等作為熱源，而地下井水溫度一般為8 ~ 20℃ ，河湖地面水溫度一般為0 ~24℃ ，地熱水溫度一般都在40~45 ℃以上，其溫度范圍有較大差異，將其籠統納入一個(gè)標準是否合適也值得進(jìn)一步研究討論。同時(shí)，在水源熱泵系統中，不同的換熱方式、不同的換熱器形式對整個(gè)系統影響尚缺少詳細的比較。此外，不同地區、不同深度的地下水水溫不同，它們對系統各部分的工況以及系統整體性能的影響目前還沒(méi)有很詳細的研究。同時(shí)，如何實(shí)現水源熱泵機組的各部分優(yōu)化匹配也需要進(jìn)行更詳細的研究。
在以往的熱泵中，一般都采用R22 作為制冷劑，而根據蒙特利爾議定書(shū)，作為中間替代物的R22 也將于2010年禁止使用。所以，應該考慮采用新的工質(zhì)如：R134a，R407c，R410A，混合工質(zhì)(HCFC-123/HFC-134a) 以及天然工質(zhì)CO2在熱泵中的應用，以進(jìn)一步提高熱泵的工作及環(huán)保性能。受到不同地區、不同用戶(hù)及國家能源政策、燃料價(jià)格的影響，水源的基本條件的不同，水源熱泵的一次性投資及運行費用會(huì )隨著(zhù)用戶(hù)的不同而有所不同。雖然總體來(lái)說(shuō)，水源熱泵的運行效率較高、費用較低，但與傳統的空調制冷取暖方式相比，在不同的地區不同需求的條件下，水源熱泵的投資經(jīng)濟性會(huì )有所不同。如果能夠對水源熱泵適用的各個(gè)主要地區進(jìn)行詳細的經(jīng)濟性分析，將對水源熱泵的推廣使用起到積極的作用。
關(guān)于空氣源熱泵、土壤源熱泵、水環(huán)熱泵等已有相關(guān)的全年能耗分析軟件可為其應用提供重要參考，但對于水源熱泵而言，這方面還有待進(jìn)一步研究。另外，目前國產(chǎn)水冷式空調器用于地下水水源熱泵不盡合理，需開(kāi)發(fā)與之相適應的產(chǎn)品。
3.2、關(guān)于水體應用研究方面
由于水源熱泵的應用受地域限制較多，不同地區的不同政策、不同水質(zhì)地層結構將對水源的出水、打井投資、回灌技術(shù)等提出不同程度的要求; 而各個(gè)地區的初投資、運行維護費用等也不盡相同，因此應對水源熱泵作出更為合理的技術(shù)經(jīng)濟評價(jià)。這也是水源熱泵可以得到進(jìn)一步推廣和應用的關(guān)鍵。我國國土廣闊，不同地區的具體條件不同，水源熱泵等并非都適用，現在還缺少對各個(gè)典型地區水源熱泵應用情況的分析，以便進(jìn)一步明確水源熱泵合理的應用區域范圍。另外，關(guān)于水井老化、回灌困難等問(wèn)題，一般文獻都說(shuō)得很籠統，并沒(méi)有很明確地指出水井的一般使用年限是多少，在實(shí)際應用中有可能遇到什么問(wèn)題，怎解決。關(guān)于水質(zhì)凈化的實(shí)現方式及經(jīng)濟分析也少有研究介紹。而水源熱泵采用閉環(huán)系統，其中地表水、河川水、海水等自然水體經(jīng)升溫或降溫后再排回水源當中去，這從生態(tài)上來(lái)講是否合理也應加以探討。
技術(shù)方面，水源的探測開(kāi)采技術(shù)需要提高，但相應的開(kāi)采費用需要降低。為了避免可能產(chǎn)生的地面沉降問(wèn)題，還應該盡量使含水層抽灌水量平衡，即求抽灌水盡量在同一含水層進(jìn)行(這項技術(shù)目前還很難達到，應結合當地情況考慮回灌方式) 。
3.3、關(guān)于太陽(yáng)能與水源熱泵綜合利用的新技術(shù)關(guān)于太陽(yáng)能和水源的組合使用問(wèn)題目前還沒(méi)有太多的研究，其應用合理性、經(jīng)濟性還未得到詳細的論證。關(guān)于太陽(yáng)和土壤的聯(lián)合使用雖然有研究，但從文獻中可以看到，其總體平均供熱系數僅為2.78，如何進(jìn)一步提高COP 值還值得進(jìn)一步研究。此外還可以因地制宜開(kāi)展關(guān)于土壤、水源、空氣、太陽(yáng)能、地熱、廢熱等的雙聯(lián)甚至三聯(lián)熱泵的研究，以此來(lái)擴大熱泵的應用范圍，滿(mǎn)足用戶(hù)需求。
