水源热泵技术介绍及工作原理

水源热泵技术介绍及工作原理

水源热泵技术是利用地球表面浅层水源中吸收的太阳能和地热能而形成的低温

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。

地球表面浅层水源（地下水、河流、湖泊、海洋等）中吸收了太阳进入地球的相

当的辐射能量，并且水源的温度一般都十分稳定。水源热泵中央空调系统是由末端系

统，水源热泵中央空调主机系统和水源热泵水系统三部分组成。冬季为用户供热时，

水源热泵中央空调系统从水源中提取低品位热能，通过电能驱动的水源热泵中央空调

主机（热泵）“泵”送到高温热源，以空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中

满足用户供热需求。夏季为用户供冷时，水源热泵中央空调系统将用户室内的余热通

过水源中央空调主机（制冷）转移到水源水中，由于水源温度低，所以可以高效地带

走热量，以满足用户制冷需求。通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以

上的热量或冷量。

水源热泵的特点及优势

属于可再生能源利用技术

水源热泵是利用了地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供

暖空调系统。其中可以利用的水体，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以

及海洋。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳辐射能

量，比人类每年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射

能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接

受和发散的相对的均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可

能。所以说水源热泵是一种清洁的可再生能源的技术。

高效节能

水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12-22℃，水体温度比环境空气温度高，

所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体为18-35℃，水体温度比

环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，

机组效率提高。

运行稳定可靠

水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。是很好的热

泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，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。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。

环境效益显著

水源热泵的使用电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗一次能源

并导致污染物和二氧化碳温室气体的排放。所以节能的设备本身的污染就小。设计良

好的水源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比，相当于减少30％以上，与电供暖

相比，相当于减少70％以上。水源热泵机组的运行没有任何污染，可以建造在居民区

内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距

离输送热量。

一机多用，应用范围广

水源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原

来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水

源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和

供冷的要求，减少了设备的初投资。水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等

建筑，小型的水源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。

自动运行

水源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少，机组运行简

单可靠，维护费用低，使用寿命长可达到15年以上。

水源热泵在各国的发展应用

美国计划到2001年达到每年安装40万台地源热泵的目标，其中，水源热泵占15%，

届时将降低温室气体排放1百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树1

百万英亩，年节约能源费用达4.2亿美元，此后，每年节约能源费用再增加1.7亿美

元。

美国的水源热泵的研究和应用更偏重用于住宅和商业小型系统（20RT以下），多

采用水-空气系统，如大家熟知的TRANE 等推出的产品。在大型建筑方面，美国推行

WLHP系统，即水环热泵系统。

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，地下土壤埋盘管（埋深<400米深）的地源热泵，用于室内地

板辐射供暖及提供生活热水。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％。 同时，中、北欧海水源热泵的

研究和应用也比较多。

中国最早在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、重庆建筑大学、天津

商学院、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。

目前，世界特别看好中国的市场。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。据称“华亭嘉园”即是此项目的应用。2000年6月１９至２３日在

北京由国家科学技术部高新技术开发与产业化司召开了中美地热泵技术交流会，会议

的主题就是“提供运用地源热泵技术为住宅小区或公用楼宇采暖制冷，大幅降低运行

费用的节能解决方案”的主题。

热泵技术的特点

与传统的锅炉（电、燃料）供热系统相比，水源热泵具有明显的优势。锅炉供热

只能将90％～95％的电能或55～80%的燃料内能转化为热量，因此水源热泵要比电锅

炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量。概括来讲，

主要有以下特点：

1）属可再生能源利用技术。热泵机组是利用了地球水体所储藏的能源作为冷热源，

进行能量转换的供暖、空调系统，其中可以利用的水体包括地下水、地表水、工艺循

环冷却水、矿井排水等。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％

的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的

接受太阳辐射能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然

地保持能量接受和发散的相对均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地

能成为可能。所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。

由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为8～30℃，其制冷、制热系数可达

3.8～4.4。因此，近十几年来，尤其是近五年来，水源热泵空调系统在北美如美国、

加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，中国的水源热泵市场也日

趋活跃，可以预计，该项技术将会成为本世纪最有效的供热和供冷空调技术。

2）高效节能。水源热泵机组可利用的水体温度冬季为8～30℃，水体温度比环境

空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。据美国环保署EPA估计，

设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用户30～40％的运行费用。热泵系统之

所以节能，很重要的一点就是它所提供的热量中大部分是从低温侧无偿获得，如果热

泵的制热系数为4，相当于有3份能量从低温侧无偿获得，而只消耗了1份电能。对

于水源热泵机组来讲，换热过程是和地下水、地表水、循环水等水体来完成的，一般

在10～22℃左右，基本不受外界环境的影响。

3）运行稳定可靠。水体的温度一年四季相对稳定，是很好的热泵热源，水体温度

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。

与燃气和燃油锅炉系统相比，省去了储油设备和燃气管道的敷设，若是燃煤锅炉

系统则可以省去锅炉房及与之配套的煤场和渣场，大大减少了机房的占地面积，节约

了土地资源，产生附加经济效益，提高了建筑物的使用率。

4）环境效益显著。水源热泵使用电能，电能本身为一种清洁的能源。设计良好的

水源热泵机组的电力消耗，与电供暖相比，相当于减少70％以上。水源热泵技术采用

的制冷剂，可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代共质，水源热泵机组的运行

没有任何污染，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

热泵系统在冬季供热时省去了锅炉房系统，没有燃烧过程，无燃烧设备，避免了

有害烟尘和有害物质的排放，从而不存在爆炸、燃烧的隐患。热泵机组运行安全、可

靠、稳定，几乎不受天气及环境温度变化的影响，符合环保理念。

5）一机多用，应用范围广。水源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机

多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供

热和供冷的需求，水源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备

可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。

6）自动运行。水源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少，

机组运行简单可靠，维护费用低；使用寿命长可达到20年以上。

实施水源热泵技术的意义

如果系统采用传统的燃煤、燃气锅炉供热，则设备的效率低下、耗能较高；造成

的后果是：运行费用较高，对环境的污染严重。而水源热泵技术通过回收低品位热能，

在降低对环境污染的同时，还大大减少了运行费用，同时根据国家相关政策，如果实

施了该项技术，还可申请较为可观的政策性补贴。

根据水源条件和供热方式可知，若能采用水源热泵这种可再生能源系统，将会从

根本上改变传统的供热方式，节约大量的常规能源，减排大量的CO2和其他有害物质，

为建设环境友好型、资源节约型社会探索出新的出路。本项目的实施，将会对今后水

源热泵应用起到示范、促进和推动作用，特别是对周边地区应用可再生能源提供有益

借鉴。

水源热泵主要优势

1.环保：在规划建设的居住区域范围内，不用建设采暖供热锅炉房，利用循环水

作热源，清洁、环保且可再生。

2.节水：供热用水比传统设计节省40%。

3.节资：初期投资较燃煤锅炉高、较其他方式低,运行费用只有传统的1/2-2/3。

运行成本较低，经济效益显著。

4.安全可靠：低温管道系统，无高温、高压管道和压力容器，安全可靠。

5.设备先进，运行稳定：分专业进行系统设计，先进的控制技术与网络功能。

6.适用范围广：可充分利用各种工业余热：循环水、废水等。

7.不用消耗煤炭、石油、天然气等宝贵的一次性不可再生的能源。

8.常年供应生活热水可提高商品房的品位。

9.可减少热电厂、工厂循环冷却水的蒸发量，同时降低了大气的温度，起到了双

向节能、环保的作用。

结论

1、应用水源热泵技术决建筑采暖，比原有供热方式节约大量运行费的同时，实现

了节能减排。

2、系统简单、供热温度稳定可靠、操作管理方便、维护费用低、设备寿命长。

3、废热利用、经济节能。

采用水源热泵机组能源利用率提高，投入1kW的电能可得到4kW以上的高品位热

能，运行费用与常规方式相比更节约。符合国务院关于加强节能工作的决定中所指出

的：大力推进节能技术进步，全面实施重点节能工程，区域热电联产、余热余压利用

的方针。如果考虑除建筑采暖外，在非采暖季应用于洗浴热水等，则节能效果更加明

显。

4、绿色环保、效益显著。

冷却水余热利用可取得很好的环保效应和经济效应，每年可比常规系统节约大量标煤

消耗，同时可减少排放CO2、CO、SO2 、NOx、粉尘等污染物。节省了化石燃料的

输送、储存费用等、同时解决了燃煤锅炉污染物排放对环境造成的大气污染的问题，

符合当前节能减排的战略方针。

地源热泵系统的优点

高效节能：埋管式地源热泵系统不燃油、不燃气、不燃煤。土壤源是取之不尽、用之不完的

可再生能源，能效比可高达1:4以上。

绿色环保：埋管式地源热泵系统，不破坏地下水资源、低噪音，又不排放废气和废弃物，对

空气不造成热污染，具备零污染的良好环保品质。

节省投资：地源热泵投资一套设备，服务两个季节。传统的中央空调制冷和供暖，一般是由

两套系统分别完成，而每个系统的使用率不足半年，设备利用率低，埋管式地源热泵系统则“一

机两用”，既可夏季制冷，又可冬季供暖，节省了投资。

节约费用：采用埋管式地源热泵系统可大量降低运行费用，比其它系统的中央空调运行费用

降低30%~100％以上。

节约用水：埋管式地源热泵的水系统采用全封闭循环，借助于地下土壤源的温度场取冷或散

热。因此不蒸发、不补水、循环往复，是节水型的中央空调。

灵活控制：埋管式地源热泵系统以人为本，根据需要灵活控制，开关由己，冷暖自如，温馨

舒适，分户计量。

健康舒适：埋管式地源热泵系统，不用冷却塔，从根本上杜绝了军团菌的滋生，保障了人们

的身心健康。

性能可靠：埋管式地源热泵系统，其主机及系统匹配科学、合理；选用世界名牌产品，高强

度、高密度的聚氯乙烯管材也选进口原料生产，则使用寿命可长达五十年。经主机、系统、末端

的优化组合、科学配置，则系统运行稳定可靠，便于操作。

安全实用：埋管式地源热泵系统无易燃易爆隐患，系统自动化程度高，能实现温度、压力、

流量、关键部位的多参数自动调节，且安全性能良好。

建筑整体美观：埋管式地源热泵不用冷却塔，没有室外机和室外挂机，不用锅炉房，减少占

地和建筑面积。

地源热泵系统的技术优势

属可再生能源利用技术

地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换

的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能（Earth Energy），是指地表土壤、地下水

或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层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。它不受地域、资源等限制，真正是

量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再

生能源一种形式。

属经济有效的节能技术

地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，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，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率

要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组

运行更可*、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。

据美国环保署EPA估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30～40%的供热

制冷空调的运行费用。

环境效益显著

地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。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，

也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

一机多用，应用范围广

地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加

空调的两套装置或系统；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、

空调。

此外，机组使用寿命长，均在15年以上；机组紧凑、节省空间；维护费用低；自动控制程

度高，可无人值守。

当然，象任何事物一样，地源热泵也不是十全十美的，如其应用会受到不同地区、不同用户

及国家能源政策、燃料价格的影响；一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同；采用

地下水的利用方式，会受到当地地下水资源的制约，实际上地源热泵并不需要开采地下水，所使

用的地下水可全部回灌，不会对水质产生污染。

地源热泵的应用历史和国外发展情况

地源热泵的历史可以追朔到1912年瑞士的一个专利，欧洲第一台热泵机组是在1938年间制

造的。它以河水低温热源，向市政厅供热，输出的热水温度可达60oC。在冬季采用热泵作为采

暖需要，在夏季也能用来制冷。1973年能源危机的推动，使热泵的发展形成了一个高潮。目前，

欧洲的热泵理论与技术均已高度发达，这种“一举两得”并且环保的设备在法、德、日、美等发

达国家业已广泛使用。如美国，截止1985年全国共有14,000台地源热泵，而1997年就安装了

45，000台，到目前为止已安装了400，000台，而且每年以10%的速度稳步增长。1998年美国

商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%，其中有新建筑中占30%。美国地源热泵工业

已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组成的美国地源热泵

协会，该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。美国计划到2001年达到每

年安装40万台地源热泵的目标，届时将降低温室气体排放1百万吨，相当于减少50万辆汽车的

污染物排放或种植树1百万英亩，年节约能源费用达4.2亿美元，此后，每年节约能源费用再增

加1.7亿美元。

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，地下土壤埋盘管（埋深<400米深）的地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生

活热水。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%。

热泵工作原理

地源热泵做为热泵的一种形式它的工作原理和其他热泵形式并没有本质区别，热泵的工作原

理如下：

作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低温。但人们可

以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热

量从低温抽吸到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分能量，把环

境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三

分之一或更低，这也是热泵的节能特点。

地源热泵原系统理图

热泵与制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的，对蒸汽压缩式热泵（制冷）系统主要由

压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成：

压缩机起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的

心脏；

蒸发器是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物

体的热量，达到制冷的目的；

冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器

中被冷却介质带走，达到制热的目的；

膨胀阀或节流阀对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。

根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工质不断地从低温

环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。

地源热泵于其他热泵方式的区别

地源热泵是利用水地下水或土壤作为冷热源进行冷热交换，冬季把地能中的热量“取”出来，

供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，

此时地能为“冷源”。

地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末

端系统。只有室外地能换热系统与其他热泵系统不同。

地源热泵同空气源热泵相比，有许多优点：（1）全年温度波动小。冬季温度比空气温度高，

夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵，一般可高于40%，因此

可节能和节省费用40%左右。（2）冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失。（3）地源

有较好的蓄能作用。