摘要：本文首先介紹了水源熱泵技術的概念和工作原理，并與鍋爐和空氣源熱泵在能源利用角度作了對比，得出水源熱泵技術是利用可再生能源的一種技術。隨后，詳細地描述了水源熱泵的特點并介紹了國內外關于地源應用的基本情況和中國目前水源熱泵開發應用的前景，最后，特別介紹了清華同方水源熱泵的技術特點和中國水源熱泵推廣應用中的一些問題。 

一、水源熱泵技術的概念和工作原理 
    水源熱泵技術是利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽能和地熱能而形成的低溫低位熱能資源，并采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。 
    地球表面淺層水源如深度在1000米以內的地下水、地表的河流和湖泊和海洋中，吸收了太陽進入地球的相當的輻射能量，并且水源的溫度一般都十分穩定。水源熱泵機組工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉移到水源中，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，而冬季，則從水源中提取能量，由熱泵原理通過空氣或水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中。通常水源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。 
    水源熱泵根據對水源的利用方式的不同，可以分為閉式系統和開式系統兩種。閉式系統是指在水側為一組閉式循環的換熱套管，該組套管一般水平或垂直埋于地下或湖水海水中，通過與土壤或海水換熱來實現能量轉移。（其中埋于土壤中的系統又稱土壤源熱泵，埋于海水中的系統又稱海水源熱泵）。開式系統是指從地下抽水或地表抽水后經過換熱器直接排放的系統。 
    與鍋爐（電、燃料）和空氣源熱泵的供熱系統相比，水源熱泵具明顯的優勢。鍋爐供熱只能將90％～98％的電能或70～90%的燃料內能轉化為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省二分之一以上的能量；由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數可達3.5～4.4，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40％左右，其運行費用為普通中央空調的50～60％。因此，近十幾年來，尤其是近五年來，水源熱泵空調系統在北美如美國、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發展，中國的水源熱泵市場也日趨活躍，可以預計，該項技術將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調技術。  
    在中國的傳統的空調系統概念中，由于國家的經濟發展狀況和政策的影響，在相當長的時期中，北方一般以燃煤鍋爐解決冬季取暖問題，在南方以水冷機組解決夏季制冷問題。在二十世紀八十年代以后，制冷機組的方式開始多樣化，此時，出現了溴化鋰機組、風冷機組，機組的容量也從原有的大中型機組過渡為大中小型機組，在二十世紀九十年代以后，對于取暖方式也開始有新的嘗試和探討，特別是隨著可持續發展和公眾環保意識的提高，世界和中國能源利用的結構都正在轉變，從原有的煤、石油取暖過渡到以天然氣及電等清潔能源。北京作為大氣污染最為嚴重的城市之一，其治理大氣污染的政策中就包括能源結構的調整，從以煤為主改為天然氣和電力替代能源。但是，替代能源雖然可以部分解決大氣污染的問題，可是天然氣和石油等都屬于不可再生的能源，從可持續發展的角度看，必須提高能源利用效率或者尋找可以再生的能源，而水源熱泵機組就是比較理想的一種設備。  

二、水源熱泵的特點 
    由于水源熱泵技術利用地表水作為空調機組的制冷制熱的源，所以其具有以下優點： 
    1、屬可再生能源利用技術 
    水源熱泵是利用了地球水體所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。其中可以利用的水體，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水體不僅是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47％的太陽輻射能量，比人類每年利用能量的500倍還多（地下的水體是通過土壤間接的接受太陽輻射能量），而且是一個巨大的動態能量平衡系統，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發散的相對的均衡。這使得利用儲存于其中的近乎無限的太陽能或地能成為可能。所以說，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術。
    2、高效節能 
    水源熱泵機組可利用的水體溫度冬季為12～22℃，水體溫度比環境空氣溫度高，所以熱泵循環的蒸發溫度提高，能效比也提高。而夏季水體為18～35℃，水體溫度比環境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風冷式和冷卻塔式，機組效率提高。據美國環保署EPA估計，設計安裝良好的水源熱泵，平均來說可以節約用戶30～40％的供熱制冷空調的運行費用。 
    3、運行穩定可靠  
    水體的溫度一年四季相對穩定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動。是很好的熱泵熱源和空調冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點問題。 
    4、環境效益顯著 
    水源熱泵的使用電能，電能本身為一種清潔的能源，但在發電時，消耗一次能源并導致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。所以節能的設備本身的污染就小。設計良好的水源熱泵機組的電力消耗，與空氣源熱泵相比，相當于減少30％以上，與電供暖相比，相當于減少70％以上。水源熱泵技術采用的制冷劑，可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代共質，水源熱泵機組的運行沒有任何污染，可以建造在居民區內，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。 
    5、一機多用，應用范圍廣 
    水源熱泵系統可供暖、空調，還可供生活熱水，一機多用，一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統。特別是對于同時有供熱和供冷要求的建筑物，水源熱泵有著明顯的優點。不僅節省了大量能源，而且用一套設備可以同時滿足供熱和供冷的要求，減少了設備的初投資。水源熱泵可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，小型的水源熱泵更適合于別墅住宅的采暖、空調。 
    6、自動運行 
    水源熱泵機組由于工況穩定，所以可以設計簡單的系統，部件較少，機組運行簡單可靠，維護費用低；自動控制程度高，使用壽命長可達到15年以上。當然，象任何事物一樣，水源熱泵也不是十全十美的，其應用也會受到制約。 
    ⑴、可利用的水源條件限制 
    水源熱泵理論上可以利用一切的水資源，其實在實際工程中，不同的水資源利用的成本差異是相當大的。所以在不同的地區是否有合適的水源成為水源熱泵應用的一個關鍵。目前的水源熱泵利用方式中，閉式系統一般成本較高。而開式系統，能否尋找到合適的水源就成為使用水源熱泵的限制條件。對開式系統，水源要求必須滿足一定的溫度、水量和清潔度。 
    ⑵、水層的地理結構的限制 
    對于從地下抽水回灌的使用，必須考慮到使用地的地質的結構，確保可以在經濟條件下打井找到合適的水源，同時還應當考慮當地的地質和土壤的條件，保證用后尾水的回灌可以實現。 
    ⑶、投資的經濟性 
    由于受到不同地區、不同用戶及國家能源政策、燃料價格的影響，水源的基本條件的不同；一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同。雖然總體來說，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，在不同地區不同需求的條件下，水源熱泵的投資經濟性會有所不同。

三、國內外水源熱泵的發展及特點 
    在國外，關于水源熱泵的研究分屬于兩種熱泵系統：一種為地源熱泵，一種為海水熱泵。其中地源熱泵真正意義的商業應用也只有近十幾年的歷史，但發展相當迅速。如美國，截止1985年全國共有14,000臺地源熱泵，而1997年就安裝了45,000臺，到目前為止已安裝了400,000臺，而且每年以10％的速度穩步增長。1998年美國商業建筑中地源熱泵系統已占空調總保有量的19％，其中新建筑中占30％。美國地源熱泵工業已經成立了由美國能源環境研究中心（Energy&EnvironmentalResearchCenter）、美國地下水資源聯合會（NationalGroundWaterAssociation）、愛迪生電力研究所（EdisonElectricInstitute）及眾多地源熱泵制造設計銷售公司以及政府機構和建筑商等146家成員組成的美國地源熱泵協會，該協會在近年中將投入一億美元從事開發、研究和推廣工作。美國計劃到2001年達到每年安裝40萬臺地源熱泵的目標，其中，水源熱泵占15％，屆時將降低溫室氣體排放1百萬噸，相當于減少50萬輛汽車的污染物排放或種植樹1百萬英畝，年節約能源費用達4.2億美元，此后，每年節約能源費用再增加1.7億美元。 
    美國水源熱泵的制造廠商有著名的公司有AddisonProductsCompany、AdvancedGeothermalTechnology、CarrierCorporation、ClimateMasterInc.、EconarEnergySystemsCorporation、FHPManufacturing、MammothInc.、TheTraneCompany、WaterFurnaceInternational等公司。美國的水源熱泵的研究和應用更偏重用于住宅和商業小型系統（20RT以下），多采用水-空氣系統，如大家熟知的TRANE等推出的產品。在大型建筑方面，美國推行WLHP系統，即水環熱泵系統。 
與美國的地源熱泵發展有所不同，中、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用淺層地熱資源，地下土壤埋盤管（埋深<400米深）的地源熱泵，用于室內地板輻射供暖及提供生活熱水。據1999年的統計，為家用的供熱裝置中，地源熱泵所占比例，瑞士為96％，奧地利為38％，丹麥為27％。同時，中、北歐海水源熱泵的研究和應用也比較多。 
    中國最早在50年代，就曾在上海、天津等地嘗試夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，天津大學熱能研究所呂燦仁教授就開展了我國熱泵的最早研究，1965年研制成功國內第一臺水冷式熱泵空調機。目前，國內的清華大學、天津大學、重慶建筑大學、天津商學院、中國科學院廣州能源研究所等多家大學和研究機構都在對水源熱泵進行研究。其中清華大學在多工況水源熱泵經過多年的研究已形成產業化的成果，已建成數個示范工程。國內的水源熱泵制造廠商中清華同方人工環境設備公司、山東海陽富爾達是比較早的水源熱泵制造廠家，但目前也有相當多的制冷空調廠家將其普通的水冷機組改造為水源熱泵。中國的水源熱泵的研究和應用才剛剛起步，與國外相比，在熱泵機組的優化設計和工程應用上還存在較大差距。 
    目前，世界特別看好中國的市場。美國能源部和中國科技部于1997年11月簽署了中美能源效率及可再生能源合作議定書，其中主要內容之一是“地源熱泵”，該項目擬在中國的北京、杭州和廣州3個城市各建一座采用地源熱泵供暖空調的商業建筑，以推廣運用這種“綠色技術”，緩解中國對煤炭和石油的依賴程度，從而達到能源資源多元化的目的。據稱“華亭嘉園”即是此項目的應用。2000年6月19至23日在北京由國家科學技術部高新技術開發與產業化司召開了中美地熱泵技術交流會，會議的主題就是“提供運用地熱泵技術為住宅小區或公用樓宇采暖制冷，大幅降低運行費用的節能解決方案”的主題。 
    在未來的幾年中，中國面臨著巨大的能源壓力。一方面，中國的經濟要保持較高速度的增長，另一方面，又必須考慮環保和可持續發展問題。所以要求提高能源利用效率，要求能源結構調整。能源利用效率提高，會鼓勵各種節能設備和技術的推廣，能源結構調整的方向就是從以煤為主轉為以燃氣，直至以電為主。在中國的能源消耗中，建筑耗能的比例相當高。為了適應市場要求和參加國際競爭，我們必須加快中國品牌的水源熱泵的產業化研究開發。 
四、清華同方水源熱泵的技術特點 
    清華同方開發的水源熱泵機組是針對大中型的建筑開發的可以實現模塊組合的水-水熱泵機組。可以利用地下水和以及江河湖泊的水源以及地熱尾水。對不同的水源，可以通過是否加裝中間換熱器來構成閉式或開式系統。機組在工作時的冷熱切換，通過對水系統的管路的切換而實現，氟系統保持穩定不變。 
    根據對制冷壓縮機的研究和對市場的預測，規劃中的水源熱泵包括4種規格：GHP300、GHP500、GHP600、GHP1000。其中GHP300和GHP500為基本模塊，分別為2個壓縮機獨立系統和3壓縮機獨立系統，GHP600和GHP100為GHP300和GHP500組合體。GHP300在標準地下水制熱工況熱量為309KW，在標準地下水制冷工況冷量為265KW。 
    清華同方的水源在產品的設計時，采用的技術路線是：選用R22做制冷劑，采用成熟的熱泵技術，考慮中國的實際國情，重點放在高出水溫度和寬使用溫度的實現上，選擇并確定壓縮機工作點和工作范圍，本著節水節能的思想，設計大溫差的分段水換熱器。氟系統的設計采用分系統完全獨立的模塊化思想，系統部件數量少而品質精良。控制系統充分考慮多系統的協調統一控制，并設置多種的安全保護，同時考慮水系統的水泵控制和遠程的操作。清華同方的水源熱泵機組除了具有傳統的水源熱泵的所有的特點以外，作為針對中國國情設計的系統，其值得注意的特點有： 
    1、供熱出水溫度高 
    我們提供的水源熱泵在標準的工況下，可以保證出水溫度穩定在52℃，在測試和用戶實際使用中，曾做過56℃的運行實驗。提供高的出水溫度，可以提高效率，減小室內側設備的選型容量，并保證室內的熱舒適性。 
    2、水源側進出水溫差大，節約水資源 
    在機組工作時，水源側在冬季的進出水溫差為7℃，而夏季的進出水溫差為10℃。區別于傳統的5℃的溫差設計，可以省水20％-50％，并相應地減少了取水（如打井和水泵運行）的費用。該思想彥啟森先生曾在1997年的《我國制冷空調業技術發展現狀及前景》中論證過。 
    3、系統優化簡潔，部件精良可靠 
    通過對系統的優化設計和獨立模塊的組合，最終的機組系統相當的簡單可靠，但制冷部件選擇均為行業中品質精良的品牌，保證機組可靠運行。 
    4、機組容量大，適用范圍廣 
    機組設計的單機最小的容量為150KW的熱量，可以采用開式系統或閉式系統，可以通過打井回灌利用地下水，也可以增加中間換熱器利用河水湖水甚至海水。甚至可以利用地熱的尾水。 
    5、運行簡單、寧靜 
    由于采用的智能自動控制，機組的運行相當簡單，由于采用了高效的防護消聲措施，機組的運行噪音不再難以接受。

五、目前中國水源熱泵推廣應用中存在的問題 
    水源熱泵作為一種新型的制冷供暖方式，從技術的角度，尤其是熱泵機組的角度上看應當是相當成熟、沒有問題的。但考慮到中國的國情，以及將水源熱泵制冷供暖作為一個整體的系統來推廣應用時，還是存在一些問題： 
    1、水源的使用政策 
    我國目前為了保護有限的水資源，制訂了《中華人民共和國水法》，各個城市也紛紛制訂了自己的《城市用水管理條理》。這些政策均強調用水審批，用水收費。而審批的標準中對類似水源熱泵技術的要求沒有規定，所以水源熱泵很容易被用水指標所限制。即使通過了用水審批，由于有些地方將水源的抽取和排放兩次受費，受費的標準全國又不統一，所以結果可能導致水費偏高，使得水源熱泵的運行節能費用不足增加的水費，水源熱泵的經濟性變查。所以水源熱泵的推廣需要政府從可持續發展的角度，綜合能源環保和資源各個方面的考慮，調整水源熱泵水源使用的政策，需重新確定水源如何管理和收費，才能促使其大規模的發展。 
    2、水源的探測開采技術和費用 
    在中國，目前對水源，尤其是城市水源的的探測開采技術應當提高，水源熱泵的應用的前提之一就是必須了解當地的水源的情況，在水源熱泵使用的前期，必須實地對水源的狀況進行調查，地下水量是否有水、水量是否會足夠，場地是否適合打井和回灌。而探測開采的技術的提高和費用的降低，會推動水源熱泵機組的更好應用。 
    3、地下水的回灌技術 
    水源熱泵若利用地下水，必須考慮水源的回灌，對于回灌技術，必須結合當地的地質情況來考慮，來考慮回灌技術方式。我們對不同地區的地質結構了解的還不多，這也制約了水源熱泵機組的推廣使用。 
    4、整體系統的設計 
    水源熱泵系統的節能作為一個系統，必須從各個方面考慮，如果水源熱泵機組可以做到利用較小的水流量提供更多的能量，但系統設計對水泵等耗能設備選型不當或控制不當，也會降低系統的節能效果。同樣，若機組提供了高的水溫，但設計的空調系統的末端未加以相應的考慮，也可能會使整個系統的效果變差，或者使得整個系統的初投資增加。所以，水源熱泵的推廣應用，需要更多的各個專業各個領域的人來共同努力共同配合，從政府政策、主機設計制造、系統的設計和運行管理等各個方面都來共同參與。