水源热泵的概念是什么？

水源热泵技术作为一种有益于环境保护和可持续发展的冷热源形式，已经引起了国内建设机构设计单位、房地产商和生产厂商以及公众的广泛兴趣，“水源热泵”作为一个新兴的名词，越来越广泛的被人们谈及。

这一技术自从上世纪90年代开始已经广泛应用于国内的空调工程领域，目前已经成为华北和中原地区空调系统的一大热点，而且其应用地区，已经从北京、天津、山东、河南、河北，迅速扩大到湖北、湖南、内蒙和东北等地。

最近几年国内空调设备生产厂家纷纷推出了各式各样的水源热泵产品，冠之以诸如“地能中央空调系统”、“水源中央空调系统”、“地温中央空调系?”、“中央液态冷热源”等等的名称，这不但没有令人明白“水源热泵”的内涵，反而在一定程度上起到了混淆视听的作用。因此，非常有必要从学术界的定义出发，阐述“水源热泵”这一名词的学术渊源并给出科学的定义和分类。此外，由于水源热泵工程的设计与施工是一项系统性工作，因此需要从空间和时间的角度来分析这一工程的特点，并就其水源和机组部分目前急需解决的问题作了相应的描述。按照这一思路，本文进行了全面细致的阐述。

最后，给出了北京地区某高层住宅公寓利用深井回灌分户水源热泵系统的工程实例，该住宅楼为一高层住宅建筑，亦具有普通的商用建筑的空调采暖的特点，对于水源热泵的推广极具参考价值。

二.水源热泵概念原理和归类

水源热泵是一种利用地球表面或浅层水源（如地下水、河流和湖泊），或者是人工再生水源（工业废水、地热尾水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。水源热泵技术利用热泵机组实现低温位热能向高温位转移，将水体和地层蓄能分别在冬、夏季作为供暖的热源和空调的冷源，即在冬季，把水体和地层中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到水体和地层中去。

从学术角度来说，当利用的对象都是水体和地层（含水地层）蓄能，而且都是以水作为热泵机组的冷热源供给载体时，都可以将之归类为水源热泵系统。

根据 ASHRAE Handbook: HVAC Applications.（1995）的分类，将地热能资源按温度范围不同分为三类，其中地源热泵应用类包括了水源热泵的两种方式：地下水源和地表水源热泵。

下面对于四种地源热泵应用方式作出相应的介绍：

另外，水源热泵中的地下水源热泵方式也可以归类于地下季节性蓄能应用领域。北欧及中欧部分国家倡导利用浅层地热以及地下蓄能为建筑物提供冬夏季供暖及空调，这些国家更为关注地下季节性蓄能应用，作出了下图所示的分类：

从原理上来说，含水层蓄能应用领域与深井回灌式水源热泵方式具有很多相同之处，两者涉及的系统地下部分的施工工艺、设计原则以及相关的理论大致相同。北欧及中欧部分国家对于含水层蓄能的应用研究的许多成果都可以加以借鉴，应用于深井回灌式水源热泵方式的相关应用和研究。

综上所述，水源热泵可以归属为地源热泵的两个分支：地下水源热泵以及地表水源热泵；也可以归属为地下季节性蓄能应用与热泵技术的结合应用。但是需要强调的是，不同应用方式的分类，是为了让人们更为便捷的去了解或推广应用某种技术，而实际上各种不同的分类之间可能存在一定的交集。

以季节性地下蓄能方式为例，其冷热源提供可以为天然冷热源，例如将冬季室外的降雪或冷水回灌入蓄冷井群，夏季抽取被蓄存的冷水作为空调的冷源，夏季将温度较高的地表水回灌入蓄热井群，冬季抽取被蓄存的热水作为空调预热的热源；而当采用热泵机组作为冷热源的提供时，也就是说冬季将热泵机组出口的冷水回灌入蓄冷井群，而夏季将热泵机组出口的热水回灌入蓄热井群，这一方式也可以归类为典型的深井回灌式水源热泵方式。

三.水源热泵的特点

◆ 属可再生能源利用技术

水源热泵是利用了地球表面或浅层水源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地球表面水源和土壤是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。水源热泵技术利用储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，为人们提供供暖空调，当之无愧的成为可再生能源一种形式。

而水源热泵技术利用地下水以及地表水源的过程当中，不会引起区域性的地下以及地表水污染。实际上，水源水经过热泵机组后，只是交换了热量，水质几乎没有发生变化，经回灌至地层或重新排入地表水体后，不会造成对于原有水源的污染。可以说水源热泵是一种清洁能源方式。

◆ 属经济有效的节能技术

地球表面或浅层水源的温度一年四季相对稳定，一般为10～25℃，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度特性使得水源热泵的制冷、制热系数可达3.5～5.5。

与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能为热量，供用户使用。

与传统的空气源热泵相比，空气源热泵的制冷、制热系数通常为2.2～3.0，水源热泵方式的能量利用效率要比空气源热泵高出40%以上。

另外，地球表面或浅层水源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。

◆ 环境效益显著

水源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25％的充灌量；属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此，制冷剂泄漏机率大为减少。

四.国内外水源热泵发展动态

以下部分将对国内外水源热泵的大致发展动态作出相应描述。鉴于水源热泵归属于不同的应用分类方式，本部分的内容将包括水源热泵系统以及相关方式的应用研究领域。

◆ 国外应用部分

美国以及加拿大等北美国家主要关注地源热泵中埋管方式地源热泵应用，更偏重用于住宅和小型商用系统（20冷吨以下）的地源热泵方式，多采用水－空气系统，而在大型建筑方面，美国推行WLHP（Water loop heat pump）系统，即水环热泵系统。其地源热泵领域的主要发展参见下图：

与美国的地源热泵发展有所不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源和地下季节性蓄能应用。对于埋管式土壤源热泵的应用，据1999年的统计，为家用的供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士为96％，奥地利为38％，丹麦为27％。

◆ 国内应用部分

中国早在50年代，就曾在上海、天津等地尝试夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，天津大学热能研究所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究，1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。目前，国内的清华大学、天津大学、重庆大学、天津商学院、山东建工学院、中国科学院广州能源研究所等多家大学和研究机构都在对水源热泵进行研究。其中清华大学经过多年在多工况水源热泵的研究已经形成产业化的成果，已建成多个示范工程。

美国能源部和中国科技部于1997年11月签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书，其中主要内容之一是“地源热泵”，该项目拟在中国的北京、杭州和广州3个城市各建一座采用地源热泵供暖空调的商住建筑或工业建筑，以推广运用这种“绿色技术”，缓解中国对煤炭和石油的依赖程度，从而达到能源资源多元化的目的。

◆ 国内外水源热泵研究进展

目前美国和国内的科研机构对于深井水源热泵（GWHP）应用工程的研究，多集中于地面以上部分，即热泵机组运行效率分析，和循环系统的优化设计及长年运行分析等。

M.J.Hatten在其论文Groundwater Heat Pumping: Lessons Learned in 43 Years at one Building.（ASHRAE Transactions, 92-11-5.）中，对位于美国的某建筑水源热泵系统的历史运行进行了总结。提出关于深井回灌水源热泵系统设计中应当注意的方面，其中提及必要的地下含水层的地质分析，及井的尺寸的合理设计和系统设计应满足未来增长的负荷需求，应考虑井的供水和回灌能力在长时间运行后的下降。但没有给出关于前期勘察设计的理论依据。

A.L. Snijders在其论文Aquifer Seasonal Cold Storage for Space Conditioning: Some Cost-effective Applications.（ASHRAE Transactions, 92-11-3.）中，提出了水源热泵应用的可行性条件，认为为避免回灌水对抽水井井水的影响，应令两井之间保持一定的距离，但距离大小的确定没有进一步的论述。该文献还提及早在1991年IAE（International Energy Agency）已经进行了推广利用土壤及地下水资源作为蓄热载体的工作。

美国的B.R.Meloy 在其论文Free Cooling Works for Cowlitz County Hall of Justice.中对美国某建筑的水源热泵系统的设计与运行进行了总结，提及系统运行中所遇到的问题：

1.井壁出现结垢现象，需定期清洗。

2.换热器亦出现结垢，需定期清洗。 （没有将井水和机组水隔离，本文作者按。）

3.设计中没有考虑系统运行损耗。

B.R.Meloy的论文中还提及在该工程设计准备阶段，对于井的位置及井水水温的确定，往往通过咨询资深地质人员并凭借主观经验及主观作出判断。

天津大学地热研究培训中心的Li Xinguo分析了水源热泵机组在建筑物冷热负荷共存时的运行工况，未涉及地下土壤流动换热问题。

张昆峰等进行了利用土壤中多孔材料竖直埋管提取土壤热量，作为冬季热源的热泵机组运行的试验研究，得出不同埋管尺寸，不同水循环方式以及各种工况下运行参数对热泵性能和取热量的影响，并分析了井水流量及温度对热泵机组性能的影响。

张昆峰等随后在其实验数据结果基础上, 通过理论计算并进行模拟分析, 考察井水热泵运行时, 循环水流量、井的直径和深度、运行方式及时间对井水温度和取热量的影响。其选取的数学模型忽略了土壤中的地下水流动，不考虑抽水井和回灌井之间的相互影响，以及假设土壤的热物理参数为常数，即不考虑土壤中的水热耦合。

◆ 单井承压含水层蓄能研究

早在七十年代末及八十年代初，国外及国内的科研单位及学者已经进行了有关单井承压含水层季节性蓄能的现场实验和数值模拟。美国Auburn大学在阿拉巴马州的Mobile进行了多次现场实验，取得一定的实测数据。每轮实验的基本过程为：向一承压含水层中的完整井连续注入50～80摄氏度的热水，注入时间为1～2个月；然后经过1～2个月的储存时间，从同一口井中连续抽取热水。实验记录位于试验井周围多个观测井的温度和水位数据，以及灌注和抽取的水量及水温。美国加州大学的Lawrence Berkeley Laboratory（LBL）针对Auburn大学现场实验建立了相应的有限差分数值模拟程序，并通过该程序对实验进行了模拟和分析。清华大学的陈兆祥亦建立了有关的承压含水层蓄冷数值模拟程序ASMP，并根据Auburn大学的现场实测数据对该程序进行了验证。

◆ IEA Annex 8 国际能源协会附件8：地下蓄能的实现

为推动地下蓄能的应用和发展，国家能源协会开展了ANNEX 8（Implementing Underground Thermal Energy Storage ）的相关工作。

IEA Annex 8 最初由加拿大、德国、荷兰、瑞典发起，后来比利时、土耳其、美国、日本相继加入，澳大利亚、丹麦、芬兰、波兰、西班牙和英国作为观察员国家参加了相关的专家会议。

1993年10月在斯图加特Stuttgart (Oct. 1993) 召开IEA Annex 8 的第一次预备会议。

1994年5月在瑞典的乌普萨拉召开了IEA Annex 8的第一次专家会议Uppsala, Sweden (May 1994).

2000年11月在日本东京召开最后一次专家会议Tokyo（November 2000）。

ANNEX 8这一项目的相关工作主要包括下图所示的5个子项目：

五.水源热泵在中国的前景

水源热泵工程是一项系统工程，从空间角度可将其分为地面以上部分（热泵机组及相关设备系统）和地面以下部分（井群、地表蓄水体及其周边土壤）。从时间角度看，系统的运行工况是随建筑物负荷及当地气象地质条件等全年变化的外部因素而不断改变的。

不同于其它的常规能源方式，水源热泵方式的设计应用过程中需要同时考虑系统地面上下两部分的全年联合运行，或者说是水源部分和系统设备部分的整体运行。

5.1 水源部分

水源热泵技术所利用自然水源包括地下水和地表水两种类型，使用这一技术的关键前提是当地是否有适合的水源供给，需要考虑水源满足一定的温度、水量和甲方能够承担的开采利用成本。另外，对于开式水源热泵系统，水源还需要满足更高的水质要求。

除此之外，还需要考虑当地水文、地质、气象条件以及工程措施的影响，对于以下问题作出相应的考虑：

◆ 全国不同气候带、不同区域的水源热泵技术适用性问题研究。利用技术经济学的分析方法和区域分析和规划的方法，给出地下水源热泵在我国不同地区的适用性。涉及当地水文地质条件，包括水温、水量、水质以及地热尾水资源等。

还包括在不同气候带、不同地区和不同建筑类型的条件下，水源热泵的投资经济性

比较问题。涉及对现有水源的探测开采技术的提高和成本的降低问题。

◆ 地表蓄水体的传热过程分析，地下水的传热流动过程分析。涉及地下蓄热体（包括水、土壤和岩石等）的传热与流动研究，通过这一方面的研究，对于抽水井及灌水井的运行调度、深井回灌式地源热泵机组可提供的最大出力，冬季和夏季冷热不平衡时的对策等问题作出具有理论依据的科学分析。对于深井回灌式水源热泵系统，井群的建造具有不可改动性，而井群的正常运行对于一个水源热泵系统的作用是重要的，井群的设计布局应当是慎之又慎的关键环节。

◆ 取水构筑物对于邻近建筑的影响。涉及地面沉降问题，单井对建筑基础的影响。

◆ 深井回灌式水源热泵的回灌问题。回灌能力受当地水文地质条件、回灌工艺的限制。另外，水源热泵设备系统的设计会对地下水的化学、物理因素造成不同程度的改变，也会影响回灌能力的大小。需要解决深井回灌式水源热泵系统的钻井、回灌、保养、长期运行等方面的问题。

水源热泵系统设计中，建筑物当地的地质、水文、气象条件等基础资料决定着水源热泵系统能否成功的关键，但是令人遗憾的是，这项重要工作，在以往的工程实践过程中往往被忽略，由此造成系统失败，或效率大打折扣的例子并非罕见。

5.2 设备部分

水源热泵机组设备的技术经过数十年发展已经相当成熟，而一个水源热泵系统工程的成功运行，除了高性能的机组和满足相应的水源条件外，还涉及到系统的组合形式、总体设计等方面的问题。

◆ 水源热泵系统设计方法的研究。分析水源系统设计需要考虑的问题，开展水源热泵系统设计方法的研究，得出一套成熟的、可靠的系统能够设计方法。

◆ 考虑温差与流量的合理利用问题。

◆ 寒冷地区应用水源热泵系统的冬季冻结问题。需要通过适当的机组工况选择和相应的机组连接方式，以及相关的冻结保护措施避免这一问题的发生。

◆ 水源热泵技术的研究。包括取水方式的选择，耐腐蚀设备的选择。

◆ 住宅水源热泵系统的外网运行费用分担问题。

5.3 系统全生命周期的运行模拟分析

需要通过对系统的计算机模拟，将地理位置（气象条件）、建筑类型和规模、水源和相关地质水文条件等因素对水源热泵系统全年运行能耗的影响，进行计算机模拟分析，以系统的模拟预测分析来判断建筑采用水源热泵系统的可行性及合理性，指导这一技术的推广和应用。

5.4 推广需要政府的相关政策支持

水源热泵技术的推广需要政府从可持续发展的角度，综合能源环保和资源的各个方面的考虑，调整水源热泵水源使用的政策，从新确定水源如何管理和收费，才能促使其大规模的发展。

六.应用工程实例

◆ 北京某公寓深井回灌式分户水源热泵系统。

北京某高档住宅式公寓，占地14175 m2，总建筑面积87948.7 m2，为三座塔式建筑，地上最高32层，地下3层。该公寓整个建筑的空调采暖方式采用深井回灌式水源热泵中央空调系统。

整个建筑空调面积约为70.000 m2。建筑冷负荷64W/ m2，热负荷51.8 W/ m2。其基本情况如下：

a） 公寓住宅采用户式水源热泵机组，全空气系统，无组织进新风。

b） 外部冷热源采用深井抽取回灌技术。在建筑物周围共打有4口深约为170m的深井，井与井之间距离约为120m。每口井出水量约200t/h，井管管径为Φ500mm。4口深井可开采水层累计深度约为35-40m，地下水位埋深约24m。根据该处的水文地质资料，井水出水温度恒定在12～14℃之间。

c） 4口井作为空调系统的冷源和热源，其中2口抽取，2口回灌以保证建筑物周围的地下水系统的均衡。为保证回灌效果，采用加压回灌方式。

深井水通过板式换热器与水源热泵环路进行热交换，提供冷源和热源。夏季出水温度为14℃，换热后水温升至22℃再进行回灌。冬季出水按14℃设计换热后水温降至8℃再进行回灌。若冬季出水温度低于14℃，则投入备用锅炉加热至14℃，再进行换热。深井水抽取回灌温差：夏季8℃，冬季6℃，每口井均设一台深井泵，可抽取，可回灌。根据用户端用热情况变频运行，以节约电能及减少深井水抽取量，延长深井使用寿命。

d） 各个水源热泵机组相互并联，组成封闭的双管回路系统，通过板式换热器与热源进行热交换。水环路以循环泵为动力24小时运行。系统定压方式均采用变频泵补水定压。

e） 本系统采用低温型的地热水源热泵机组。水环路温度为：夏季18～32℃，冬季12～6℃，水系统采用双管异程系统，并以16层为界竖向分为高低区。高低区水流量均为327 m3/h。

f） 住宅视面积的大小和建筑平面，设1～2台热泵机组，落地或吊顶安装。为保证住户房间噪音的要求，风管内风速保持在4m/s以下，风口出风速在2.5m/s以下。风管用消声型超级玻纤风管。热泵机组的出风管均经过消声弯头或静压箱消声。