分析了近年來我國(guó)水源熱泵的發(fā)展動(dòng)態(tài)，對(duì)應(yīng)用較多的地下水水源熱泵、地?zé)崴�水源熱泵等的研究狀況進(jìn)行了重點(diǎn)論述，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步指出了我國(guó)水源熱泵研究與應(yīng)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(jù)水來源不同(如：地?zé)崴�、地下水、地表水、河川水、海水�?，可分為：地?zé)崴�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。本文將近年來我�?guó)水源熱泵方面的一些主要的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹并指出有待進(jìn)一步開發(fā)研究的方向。

2、研究現(xiàn)狀

　　2.1、地下水水源熱泵

　　地下水水源熱泵的經(jīng)濟(jì)性是決定地下水水源熱泵能否得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。根據(jù)對(duì)寧波市某一空調(diào)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(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性比較得出，采用地下水水源熱泵系統(tǒng)比溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)單位面積初投資可節(jié)省75132 元/m2，制冷總運(yùn)行費(fèi)減少451.5%，供暖總運(yùn)行費(fèi)減少35.5%。而在湖南地區(qū)氣候條件下，由投資及運(yùn)行費(fèi)用折合成的現(xiàn)值成本作為比較依據(jù)，對(duì)地下水水源熱泵機(jī)組、風(fēng)冷熱泵機(jī)組、溴化鋰直燃機(jī)組、水冷冷熱水機(jī)組+ 燃油熱水鍋爐這四種不同的系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較的結(jié)果表明：在給定的建筑面積和冷負(fù)荷條件下，地下水水源熱泵機(jī)組的現(xiàn)值成本比其它三種系統(tǒng)都要小20%以上，其中，溴化鋰直燃機(jī)組的現(xiàn)值成本最高，同時(shí)，隨著空調(diào)面積從10000m² 增大到80000m²，風(fēng)冷熱泵的現(xiàn)值成本增加最快。

　　深井蓄熱型地下水熱泵系統(tǒng)是對(duì)地下水水源熱泵系統(tǒng)的一種改進(jìn)。該系統(tǒng)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(jì)算表明，在標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)工況下，該系統(tǒng)比常規(guī)地下水熱泵系統(tǒng)節(jié)能20% ~ 30%，同時(shí)該方法還可有效控制地面沉降問題。

　　在相關(guān)文獻(xiàn)給出的井水與土壤間傳熱數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)地下水水源熱泵系統(tǒng)在冬季工況進(jìn)行了數(shù)值模擬的結(jié)果表明，當(dāng)井水溫度達(dá)到一定程度時(shí)，井水與土壤間的換熱基本達(dá)到平衡，此時(shí)熱泵的取熱量都是從井周圍的土壤中獲得的,而井水與土壤間的換熱主要依賴兩個(gè)因素：井內(nèi)水的流動(dòng)強(qiáng)弱和井水與周圍土壤間溫差的大小;同時(shí)，井的結(jié)構(gòu)尺寸( 如：深度和直徑) 對(duì)取熱量有很大的影響，在制熱量確定時(shí)，井的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)與之相匹配; 此外，不同的運(yùn)行方式和時(shí)間對(duì)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(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序也有相關(guān)介紹。

　　2.2、地?zé)崴�水源熱�?/p>

　　低溫地?zé)崴�水源熱泵系統(tǒng)一般有三種不同的應(yīng)用方案：?jiǎn)为?dú)作供暖用，供暖與供生活熱水兼顧，供暖、供生活熱水與夏季空調(diào)兼顧。比較這三個(gè)方案可以發(fā)現(xiàn)，方案三既有供暖，又有生活熱水供應(yīng)，同時(shí)還兼顧夏季空調(diào)，運(yùn)行成本最低，投資費(fèi)用處在方案一和方案二之間，是三者當(dāng)中的優(yōu)選方案。

　　針對(duì)地?zé)崴疁囟雀�、腐蝕性強(qiáng)、礦化度高等特點(diǎn)，可以考慮使用井下?lián)Q熱器技術(shù)來利用地?zé)崴疅崮?其優(yōu)點(diǎn)是：只取熱，不取水，對(duì)環(huán)境的影響小，不會(huì)引起地面沉降和地震危險(xiǎn)。但與此同時(shí),也就對(duì)井下?lián)Q熱器部分的防腐提出了很高的要求。另外，針對(duì)地?zé)崴�水源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)中板式換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(jì)、環(huán)境效益及節(jié)能的基礎(chǔ)上，提出了一種板式換熱器計(jì)算機(jī)優(yōu)化算法。這些可在今后板式換熱器設(shè)計(jì)選用中作為參考依據(jù)。

　　另外，近年來關(guān)于水源熱泵系統(tǒng)的新工質(zhì)也有不少研究。在大量計(jì)算的基礎(chǔ)上，有學(xué)者提出一種低環(huán)害非共沸二元混合工質(zhì)應(yīng)用于低溫及中高溫地?zé)崴�水源熱泵系統(tǒng)中，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)給出了該系統(tǒng)運(yùn)行中EER 等重要參數(shù)的數(shù)據(jù)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(tǒng)進(jìn)行智能控制，為該項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。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(yàn)配比尚缺少詳細(xì)的介紹。

　　2.3、其它類型的水源熱泵

　　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(tǒng)改進(jìn)形式。結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)，利用太陽能等措施可以有效提高整個(gè)淺水池水源熱泵系統(tǒng)的性能。

　　在一般的水源熱泵系統(tǒng)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(tǒng)中合理利用太陽能，對(duì)于節(jié)能和環(huán)保而言都將有重大意義。目前，關(guān)于利用太陽能的開式環(huán)路水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)形式已有初步的研究 ，對(duì)7種不同的工況下系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了比較，并由此得出引入太陽能后系統(tǒng)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(yàn)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(qū)，可積極推廣應(yīng)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(yīng)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)電廠冷卻循環(huán)水為熱源的水源熱泵系統(tǒng)，另一個(gè)是山東兗州興隆莊礦區(qū)單身職工公寓和新建住宅小區(qū)利用礦區(qū)內(nèi)礦井水為熱源的水源熱泵系統(tǒng)。

3、有待解決的問題及改進(jìn)方向

　　3.1、系統(tǒng)研究方面

　　水源熱泵機(jī)組工況參數(shù)的確定以及性能的適用性直接關(guān)系到水源熱泵系統(tǒng)的全年正常運(yùn)行和能量消耗，但是目前我國(guó)還沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)可循。由于水源熱泵是采用井水、地?zé)崴�、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?zé)崴疁囟纫话愣荚?0~45 ℃以上，其溫度范圍有較大差異，將其籠統(tǒng)納入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)中，不同的換熱方式、不同的換熱器形式對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響尚缺少詳細(xì)的比較。此外，不同地區(qū)、不同深度的地下水水溫不同，它們對(duì)系統(tǒng)各部分的工況以及系統(tǒng)整體性能的影響目前還沒有很詳細(xì)的研究。同時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)水源熱泵機(jī)組的各部分優(yōu)化匹配也需要進(jìn)行更詳細(xì)的研究。

　　在以往的熱泵中，一般都采用R22 作為制冷劑，而根據(jù)蒙特利爾議定書，作為中間替代物的R22 也將于2010年禁止使用。所以，應(yīng)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(yīng)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(qū)、不同用戶及國(guó)家能源政策、燃料價(jià)格的影響，水源的基本條件的不同，水源熱泵的一次性投資及運(yùn)行費(fèi)用會(huì)隨著用戶的不同而有所不同。雖然總體來說，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，在不同的地區(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。如果能夠?qū)λ�源熱泵適用的各個(gè)主要地區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)性分析，將對(duì)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(yīng)用提供重要參考，但對(duì)于水源熱泵而言，這方面還有待進(jìn)一步研究。另外，目前國(guó)產(chǎn)水冷式空調(diào)器用于地下水水源熱泵不盡合理，需開發(fā)與之相適應(yīng)的產(chǎn)品。

　　3.2、關(guān)于水體應(yīng)用研究方面

　　由于水源熱泵的應(yīng)用受地域限制較多，不同地區(qū)的不同政策、不同水質(zhì)地層結(jié)構(gòu)將對(duì)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(qū)的初投資、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等也不盡相同，因此應(yīng)對(duì)水源熱泵作出更為合理的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。這也是水源熱泵可以得到進(jìn)一步推廣和應(yīng)用的關(guān)鍵。我國(guó)國(guó)土廣闊，不同地區(qū)的具體條件不同，水源熱泵等并非都適用，現(xiàn)在還缺少對(duì)各個(gè)典型地區(qū)水源熱泵應(yīng)用情況的分析，以便進(jìn)一步明確水源熱泵合理的應(yīng)用區(qū)域范圍。另外，關(guān)于水井老化、回灌困難等問題，一般文獻(xiàn)都說得很籠統(tǒng)，并沒有很明確地指出水井的一般使用年限是多少，在實(shí)際應(yīng)用中有可能遇到什么問題，怎解決。關(guān)于水質(zhì)凈化的實(shí)現(xiàn)方式及經(jīng)濟(jì)分析也少有研究介紹。而水源熱泵采用閉環(huán)系統(tǒng)，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(dāng)中去，這從生態(tài)上來講是否合理也應(yīng)加以探討。

　　技術(shù)方面，水源的探測(cè)開采技術(shù)需要提高，但相應(yīng)的開采費(fèi)用需要降低。為了避免可能產(chǎn)生的地面沉降問題，還應(yīng)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(xiàng)技術(shù)目前還很難達(dá)到，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r考慮回灌方式) 。

　　3.3、關(guān)于太陽能與水源熱泵綜合利用的新技術(shù)關(guān)于太陽能和水源的組合使用問題目前還沒有太多的研究，其應(yīng)用合理性、經(jīng)濟(jì)性還未得到詳細(xì)的論證。關(guān)于太陽和土壤的聯(lián)合使用雖然有研究，但從文獻(xiàn)中可以看到，其總體平均供熱系數(shù)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展關(guān)于土壤、水源、空氣、太陽能、地?zé)�、廢熱等的雙聯(lián)甚至三聯(lián)熱泵的研究，以此來擴(kuò)大熱泵的應(yīng)用范圍，滿足用戶需求。