水源热泵技术研究进展

水源热泵技术研究进展

王晓玥康智强夏晓东周晓茜纪强

沈阳建筑大学市政与环境工程学院沈阳110168

热泵的起源可以追溯到1824年[1]，由法国科学家萨迪·卡诺提出“卡诺循环”的概念，到1852年，开尔文正式提出将逆卡诺循环用于加热的热泵设想[2]，从那之后，学者和科学家开始了热泵的研究之路。热泵具有较好的应用性能，随着科学技术的发展，各国对于热泵的研究越来越深入，热泵技术也有了较大的发展。对于既可以有效节约能源、减少大气污染且降低CO2的新型供热方式，学者和专家都在认真钻研热泵的节能及适应性应用，极力推广热泵在自己的国家大力发展，逐步取代耗热量多、环境污染的集中供热系统，我国的专家学者着重于加强热泵技术的研究，热泵在我国的发展也越来越受到重视，应用前景非常广阔。

热泵形式多样、种类繁多，其中系统根据热源获取来源可以分为以下几类：水源热泵，地源热泵，空气源热泵和双源热泵系统，热泵热源可以是自然界中的空气、水、土壤中的热量，也可以是生活和生产中的排热热源（从建筑内部回收的热量，废水中的余热量等）。热泵系统中应用最广泛的是地源热泵，地源热泵有三种形式：以地下水为冷热源的地下水源热泵、以地表水为冷热源的地表水源热泵、以土壤源为冷热源的土壤源热泵[3]。水源热泵热源来源最为广泛，总体来说可以使用地下水和地表水进行取热供暖，包括海水、江水、湖水、地下水、污水等都可作为水源热泵低位热源，热源的多样性使水源热泵应用更加广泛。美国采暖制冷与空调工程师学会（ASHRAE）对常用的热泵冷热源特点和适应性做了评价，以便之后的研究学者更好的应用热泵系统[4]。

表1冷热源特点与适用性

Table1Characteristicsandapplicabilityofcoldandheatsources

水源热泵属于地源热泵的一个分支。而地源热泵的概念，是1912年一位瑞士的专家提出的。1946年，第一台地源热泵系统在美国俄勒冈州的波兰特市中心区安装成功[5]，美国也由于对地源热泵的深入、细致的研究逐渐成为世界上地源热泵生产、使用和发展的头号大国。地下水源热泵机组是20世纪60年代最先在美国提出的，自此人们发现了地下水源热泵具有优异的运行性能，且投资及运行费用较其他类型机组都低，因此广泛运用于工厂、船舶、宾馆、医院等。20世纪70年代时，日本十分看好水源热泵的应用前景，因此进行水源热泵的推广和应用技术[6]，地下水源热泵技术由于其稳定供热的特点在上世纪初开始得到应用并逐步发展成熟。

20世纪80年代我国开始应用水源热泵技术[7]，虽然我国水源热泵技术的起步较晚，但我国专家学者通过借鉴他国经验，积极认真开展水源热泵技术的应用研究，使我国水源热泵技术也取得了很大的成功。1988年我国第一个关于热泵的专题研讨会“热泵在我国应用与发展问题”在广州召开[8]，邀请全国热泵研究专家与学者，对热泵技术在我国的推广起到了很好的宣传作用。1997年中国科技部与美国能源部签署了《中美地热开发利用合作协议书》[9]，开启了与欧洲国家的研究合作，使我国热泵研究进程缩短，并取得较大的突破。从南方的深圳、上海、广州等地到北方的北京、大连，各地纷纷开始水源热泵技术的应用于研究。2005年建设部将水源热泵列为建筑类十项新技术之一，并制定相关规范政策推动其发展。2008年北京奥运的奥运村也采用了水源热泵作为空调系统[10]。根据建设部发布的新闻信息可知，截至2010年3月我国应用地源热泵的供暖制冷的项目共2236个，供暖面积可达1.4亿m2，其中地下水源热泵占了40%[11]。水源热泵在中国的应用越来越广，全国工程数量已经达到了23000个，总面积达24000万m2[12]。1976年世界能源组织成立了国际热泵委员会，随后原苏联、丹麦、法国、英国、瑞典、联邦德国等国家都加入了该组织[13]，这一时期水源热泵技术的研究已经趋于成熟，并且具备了大规模推广和进行商业应用的条件。

但是，水源热泵在繁荣发展20年之后也走入过低潮期。上世纪七十年代，由于全世界范围内石油危机的出现，以及世界各国对能源的需求和油价的不断攀升，能源的高效利用和节能减排再次成为人们关注的焦点，人们对于地下水源热泵使用的高潮以失败告终，但是其节能环保的技术特点又再一次引起人们的关注。由于热泵应用具有多样性和可操作性，可以与其他系统联合使用，专家与学者开始探讨热泵的运行方式与优化方法，使其达到最优化运行，热泵技术也重新得到广泛关注与应用[14]。

目前来看，对水源热泵的研究主要集中在以下几个方面：地下水的回灌技术及最佳井间距分析；环保型水源热泵的研究与应用，如污水源、海水源、湖水源热泵的应用；水源热泵适宜性分析及分区域研究；污水源回收的防除垢与强化换热实验研究；取回水及温度场模拟分析以及水源热泵与其他能源的耦合利用。

为了使热泵系统获得更好的应用范围，90年代，外国学者开始复合式热泵系统的研究，主要是对太阳能复合热泵的研究，把两种技术有机的结合起来，既可以更大限度的满足供暖系统要求，还可以提高两者的性能。最早的太阳能热泵由美国的Sporn和Ambrose在1955年提出[15]。我国对复合热源的研究比国外稍晚些，开始于90年代的中期[16]，主要对太阳能复合热泵、太阳能—水源热泵、太阳能—土壤源热泵进行研究。但是复合热泵的研究最近几年才受到国内外学者的关注，中国目前更是处于研究的初期阶段，既没有完整的计算理论，也没有完备的实验研究，针对严寒、寒冷地区的系统研究更是少之又少。但是对于以供暖为主的北方地区，复合式热泵的节能效果和环保效益是显而易见的，值得学习与研究。不仅要加强理论研究还要进行实验工作，因地制宜促进我国热泵系统的多元化发展，大力推广热泵在我国的发展。

参考文献

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[2]SannerB，KarytsasC，MendrinosD，etal.CurrentStatusofGroundSourceHeatPumpsandUndergroundThermalEnergyStorageinEurope[J].Geothermics，2003，32（4）：579-588.

[3]白宏洁，方永伦，郭健.开封市超深层地下水回灌研究[J].人民黄河，2010（09）：48-49.

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[6]TarnawskiVR，LeongWH，MomoseT，etal.AnalysisofgroundsourceheatpumpswithhorizontalgroundheatexchangersfornorthernJapan.[J].RenewableEnergy，2009，34（1）：127-134.

[7]江辉民，王洋，赵丽莹，等.国内外热泵的发展与新技术[J].建筑热能通风空调，2003，22（4）：7-9.

[8]朱家玲，苗常海，董志林，等.地热水源热泵技术应用市场前景[J].太阳能学报，2002，23（6）：10-14.

[9]李新国，胡璟，赵军，等.地源热泵—供暖空调节能环保技术[J].节能与环保，2001（2）：19-21.

[10]可再生能源蓄能技术在低能耗建筑的应用课题组.中国地源热泵发展研究报告.2013[M].中国建筑工业出版社，2013.

[11]蔡哲.地下水源热泵系统冬季采暖优化运行研究[D].天津：天津大学，2014.

[12]刘剑.地表水源热泵技术发展现状及历程[J].智能建筑，2016（08）：63-65.

[13]周正.严寒地区地源热泵垂直式埋管系统研究[D].大庆：东北石油大学，2016.

[14]姜超.地下水源热泵系统回灌技术及最佳井间距优化分析[D].长春：吉林大学，2017.

[15]SpornP，AmbroseER.Theheatpumpandsolarenergyproceedingsoftheworldsymposiumonapplied[J].PowerandEnergyEngineering，1955（4）：21-25.

[16]旷玉辉，王如竹.太阳能热泵[J].太阳能，2003（2）：20-24.

基金项目：沈阳市科技计划项目（F16-211-6-00）。