文 献 综 述

一、课题背景

随着世界范围的能源紧张和环境的恶化，优化能源结构，开发地热能、太阳能、生物质能和风能，以减少传统能源的使用，对能源的可持续发展是十分必要^[1,2]。地表水源热泵供热空调作为一项节能新技术，在我国发展十分迅速，日渐受到人们的青睐与关注。水源热泵系统是地源热泵的一种系统方式。它是利用地球表面水源中的低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术，具有一定的节能优点^[3]，地表水源热泵分为闭式和开式两种形式。在国外，闭式水源热泵应用项目较多^[4-7]，而开式水源热泵系统研究较少^[8]。闭式系统将换热盘管放在水体底部，通过盘管内的循环介质与水体进行换热，系统容量一般比较小。在国内，开式地表水水源热泵应用工程实例明显多于闭式水源热泵系统。中国对于地表水源热泵的研究也主要针对开式地表水源热系统^[9-11]。在开式系统中，从水体的底部抽水，送入板式换热器与循环介质换热，换热后在离取水点一定距离的地点排放。开式系统的换热效率高，适合于容量更大的系统^[11]。

二、国内外应用与研究现状

20世纪末，随着京都协议的制定，减少温室效应、保护环境成为人们关注的焦点，在热泵的发展上取得了显著进展。对地表水源热泵系统的研究，美国、瑞典、瑞士及日本等供热发达国家起步很早^[12]，20世纪50年代初建成的伦敦皇家节日音乐厅和苏黎世市的联邦工艺学院，分别使用Thames河和Limmat河的河水作为热泵的热源^{[ 13]}，美国南佛罗里达的居民使用运河水作为热泵的热源^[14]。20世纪80年代初建成的东京箱崎地区区域工人供热工程，采用隅田川的河水作为热泵热源，第一期工程为11000 kW^[15]。东京在20世纪90年代初以隅田河的低温热水为热源，使用城市煤气驱动吸收热泵向总面积为150000 m² 建筑提供生活热水^[16]。国外在地源热泵的应用较多的是在土壤源热泵和地下水源热泵上，如在瑞士2004年新建的地源热泵中，这两种分别占77. 9% 和12. 9%^[17]。我国地表水源的工程实例还较少。比较成功的地表水源热泵实例有: 山东省聊城市某湖水源热泵^[18]，天津975工程的湖水源热泵^[19]，湖南省湘潭市城市中心区开式湖水源区域供冷供热系统^[20]，杭州建德黄龙月亮湾大酒店河水源热泵，广东帝都温泉潜水式地源热泵工程^[21] 及青岛发电公司海水源热泵工程^[22] 。

在地表水源技术研究方面，Kavanaugh SP于1989年首次提出只要设计安装适当，地表水源热泵空调系统将具有非常吸引人的性能特征^[23]，并于1991年的研究中指出了地表水源热泵由于采用了江、河、湖水作为热源与热汇，水源温度冬暖夏凉，比空气源热泵具有更多优势^[24,25]。Kavanaugh SP还对美国南部利用湖水作为热源的水-空气热泵系统的运行进行了调查研究。Kavanaugh SP探讨了提高单元式水-空气热泵系统性能的可行方案^[26]，并研究了专为美国南部地区设计的两台水-空气热泵的性能^[27]。2003 年，土耳其Cukurova大学的Bocirc;yocirc;kalaca等人对Seyhan河及湖水作为热泵热源的可行性作了调查及实验研究^[28]。2003年，芬兰的Tampere 科技大学的Antero A ITTOMAKI对寒冷地区采用湖水作为热源进行研究^[29]。国内在地表水冷热源研究上起步较晚。何满潮等介绍了混合水源联动运行空调技术。该项技术利用城市中水、湖水以及地热尾水等作为主要的清洁冷、热源，地热水作为补助调峰热源，用水源热泵提取热能和冷能对城市建筑进行供暖及制冷。文远高分析了武汉地区的江河湖水等低温热能资源，可应用水源热泵技术加以利用。 并对武汉地区的低温热能资源的利用方式及其应用中可能存在的问题进行了探讨^[30]。秦红等对武汉地区地表水的能源利用作了有关分析研究^[31]。陈焰华等对武汉地区水源热泵系统应用前景分析，得出作为热泵的热源，武汉地区地表水的利用价值比地下水小的结论^[32]。陈晓等对南方地区利用湖水的水源热泵系统作了模拟分析^[33]。舒海文针对可同时为多栋建筑供冷/热的海水源热泵空调系统的具体应用形式进行讨论^[34]。

三、地表水源热泵工作原理

热泵是一种节能装置，其原理如同水泵一样，使低位能流向高位能。热泵是把热量从低温端抽吸到高温端，它可以把不可利用的低位热能(如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能和工业废热等)转换为可以利用的高位热能。热泵运行的时候要消耗一定高位能，但是用户所得到的是消耗的高位能和从低位热能中抽取的能量的总和，所以在使用热泵时，用户所得到的热量永远大于所消耗的高位能，热泵的节能意义也就在此。目前热泵主要提供100℃以下的低温用能作为暖通空调的冷热源。以欧洲为例，100℃以下的低温用能占总能耗的50%左右，所以使用热泵在为暖通空调提供100℃以下的低温用能方面具有重大的现实意义。它还因减少了矿物燃料的燃烧而降低了污染。地表水源热泵是以江、河、湖、海等地球表面的水体作为热源的可以进行制冷/制热循环的一种热泵，在制热的时候以水作为热源, 在制冷的时候以水作为排热源。

四、地表水源热泵的特点

优点

(1) 和空气相比，水的热容量大，是比较理想的传热介质。使用地表水源热泵的时候，传递一定的热量所需要的水量比较小，换热器的尺寸可以缩小。所以如果可以比较容易地取得大量温度比较稳定的水，水作为热源是比较理想的。

(2) 地表水的温度是来自于地球表面所吸收的太阳能，理论上地表水体中的热量是取之不竭的，地表水源热泵技术是一种清洁的可再生能源技术。

(3) 地表水体的温度比空气稳定，可以提高机组的效率。因为水的热容大，所以地表水体的温度变化一般比气温变化慢，夏季温度比空气低，冬季温度比空气高。

(4) 冬季供暖时，同锅炉相比，没有污染排放。减轻了环境压力。在使用燃料锅炉时，锅炉只能将燃料中部分热能转化成热能供给用户，同时排出污染物。使用电锅炉的时候，虽然电能可以完全转化为热能，但是将高位能直接转化成低位能进行利用是不合理的，损失了能量的品位。而据资料显示，地表水源热泵的制热效率可达3.5～4.4，同电锅炉相比，消耗相同的电能情况下，产生了更多热能，同电供暖相比，可以节约70%的能耗。

(5) 冬季应用地表水源热泵不存在结霜危险。避免了空气源热泵冬季运行时结霜的问题。

(6)可以实现供热、制冷、供热水同时进行，最大限度地利用了能量，提高了能源的利用率。

问题

(1) 基础水温数据不全。对取水点的水温数据，国家没有准确的数据监测使得设计方不能明确取水点温度的全年变化情况。现有的数据过于粗糙，难以适应地表水源热泵的设计需要。一般情况都是用已有的数据进行估算，或者就一个工程进行测算。

(2) 国内对于地表水源热泵的研究相对滞后。目前国内对地表水源热泵基本都以具体的工程作为研究对象，局限于这个项目的需要，并没有把相关的研究进一深入以及全面地考虑地表水源热泵的共性。国内关于地表水源热泵的研究论文数量也偏少。

(3) 地表水同其它形式相比，热的延迟效应不明显。尤其在取水点不够深的时候更是如此。夏季气温最高的时候，很有可能水温也最高，机组的效率降低，出力下降，如果要保证空调的需要，就需要将机组选大。而在非高温时候，空调负荷下降，机组效率上升，造成机组降载过快，浪费了制冷能力。根据目前的经验，如果取水点不够深的时候，可以设立喷泉，制造人工景观的同时加速地表水的自然蒸发冷却，降低水体温度。

(4) 冬季运行时大型离心机有可能不能工作。就目前数据来看，大型离心式压缩机在进水温度低于8℃的时候很难开机。所以目前的工程多采用螺杆机组。这样，如果工程比较大，需要的冷量、热量比较多的情况下，就面临着机器过多，效率不高的情况。在一定情况下限制了大型地表水源热泵在大型工程中的应用。

(5) 长途取水经济性。夏季工况依靠水的显热来带走热量，取水量大，如果取水点距离用水设备过远，则不经济。因为水源往往低于地面，而且取水点一般在水下，把水送到机组要克服从取水点到机组的扬程以及阻力，所以同样的水量条件下相比传统冷却塔系统，冷却水泵的功率能耗要大幅度增加。如果水量巨大，取水点距离机组过远，可以采用低于取水点的地下机房，这样水泵就只需要克服管路和设备的阻力，但是这样必然会带来初投资的大幅度上升。设计的时候必须特别注意水泵的能耗，避免水泵能耗过高使系统失去节能的优越性。

五、结束语

目前节能减排是我国政府工作的重中之重，关系到我国能否持续健康稳定发展的大问题。而且根据调查，建筑节能是目前耗能大户中节能潜力最大的部分。所以建筑节能进行的好坏对于我国能实现节能目标具有重要意义。热泵从其原理分析，采用热泵是节约能源、提高能源利用率的重要手段，也是当前我国重点推广的节能措施之一。地表水源热泵作为历史最悠久的热泵系统之一，至今技术比较成熟，是很有发展前景的热泵技术之一。它尤其适合于用来满足我国夏热冬冷地区，尤其是长江流域新增的供暖需求。我国目前利用各类地表水作为水源热泵热源的成功运行工程实例还很少。应该切实投入人力物力进行地表水源热泵应用的相关研究，并通过更多的实际工程的运行积累经验，明确问题，寻求解决方案。让地表水源热泵技术在我们稳步发展，切不可由于政策等原因，一拥而上，浪费人力物力，造成难以挽回的损失。

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