引言
能源的有效利用是当今世界的重大研究课题，如何解决这一问题，已成为全人类研究的热点。在此背景下，以节能和环保为主要特征的热泵技术供暖空调系统应运而生。热泵就是可以把热量由低温热源送到高温热源的机械设备。在建筑空调上，高温热源就是室内空气，它是以花费一部分高质能为代价，从环境中获取能量并能同所花费的高质能一起向用户供热，从而有效利用了低品位的热能。水源热泵是利用地球表面浅层水的低温热能资源和生产或生活中排放的余热，通过输入少量电能，实现低品位热能向高品位热能转移，从而达到向建筑物供热的一种节能环保装置。
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1水源热泵的基本概念
水源热泵是一种利用地球表面或浅层水源(如地下水、河流，湖泊，海洋)，或是人工再生水源(工业废水，地热尾水等)等低温热源，通过输入一定的高品位能量(如电能)，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热能向高温位转移，将水体和地层的蓄能分别在冬，夏季作为供暖的热源和空调冷源，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。水源热泵的工作示意图如图1所示。
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水源热泵既是利用可再生能源的一种形式．又是一种经济有效的节能技术。其能量利用率要比空气源热泵高约40％。水的比热容较大，传热性能好。因此热泵机组中换热器的尺寸较小．而且不存在蒸发器表面结霜的问题。因此，在容易获得温度较稳定水源的地方。水是理想的冷热源。
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2水源热泵系统制冷制热工作原理
地球表面浅层水源吸收了太阳进入地球的辐射能量，这些水源的温度一般都十分稳定。水源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量。而冬季，则从水源中提取能量。由热泵通过空气或水作为传热物质提升温度后送到建筑物中。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。水源热泵系统是由末端(室内空气处理末端等)系统，水源热泵系统和水源系统三部分组成。
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为用户供热时，水源热泵系统从水源中提取低品位热能，通过电能驱动的水源热泵系统主机(制热)“泵”送到高温热源．以满足用户供热需求。为用户供冷时，水源热泵系统将用户室内的热量通过水源热泵系统主机(制冷)转移到水源中，以满足用户制冷需求。
水源热泵根据对水源的利用方式的不同，可以分为闭式系统和开式系统两种：闭式系统需要构造地下埋管换热器或者地表水埋管换热器．形成封闭的地源水循环系统，向地下土壤或者地表水散热或者取热。开式系统的特点是抽取地下水或者地表水，在板式换热器中与机组的循环工质进行热交换，实现散热或取热后．再回灌到地下或者河流。本文主要讨论开式系统。水源热泵无论是在制热还是制冷过程中均以水为热源和冷却介质。即用切换工质回路来实现制热和制冷的运行。然而，更为方便的是由水回路中的四通电磁换向阀来完成。
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3水源热泵系统的主要优点
（1）节能。与电供暖相比减少70％以上的电力消耗。以某一公共建筑为例：该建筑面积为l 000 平方米；室内设计温度冬季为18―20℃，夏季为24―26 摄氏度；单位面积冷负荷指标为83．42 W／m2，总冷负荷为83．42 kW；单位面积热负荷指标为58．58 w／m2，总热负荷为58．58 kW．选用WFI生产的EKW090热泵，制冷量为90 kW，制热量为120 kW；采用R22为制冷剂，双涡旋压缩机，制热最大输入功率为37 kW，单压缩机功率为18．5 kW．
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（2）环保。无废气、废水、废渣产生，对环境无热效应产生。
（3）高效。据美国环保署EPA估计，设计安装良好的水源热泵，平均可以节约用户30％～40％的供热制冷空调的运行费用。
（4）应用范围广。可广泛的应用于宾馆、住宅小区的集中供热制冷，以及室内种植和恒温养殖等行业上。
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（5）实惠。一套设备可供冷，可供热，其总投资额仅为传统空调系统的60％。
（6）运行稳定、可靠．维护方便。另外不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题，所以维护方便，使用寿命可长过20年以上。
4水源热泵的节能原理
热泵是通过消耗一部分高品质的能量从低温热源(如水，空气，土地等)转移到高温热源中的一种装置。衡量热泵的性能指标是性能系数COP，COP是与低温热源的热力参数相关的函数，如对于空气源热泵而言，其值随空气的温度、湿度等参数的改变而变化，但无论如何变化，显然COP值恒大于1，经过严格测试及不同地区热泵的应用实例测算，水源热泵制热的性能系数在3．3～4．4之间。制冷的性能系数在4．1―5．8之间。而传统的靠消耗煤、石油、天然气以及用电制热，制冷设备的效率是小于1的，即热泵的制冷制热效率突破了传统设备的热效率极限100％，这就是热泵高效节能的热力学依据。
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5提高水源热泵系统节能效果的措施
（1）根据机组的应用类型，必须选用合适的工质，如高温水源热泵机组要选择高温工质。
（2）选择高换热效率的蒸发器和冷凝器，以及压缩比和流量范围都满足设计要求的高温高效率压缩机；
（3）机组优化设计方法，一般思路是，在一定的成本限制下以机组设计工况下COP或能效比最大为优化目标，就是成本和性能的折衷，以机组稳态数学模型为约束条件，求出机组各部件的优化设计参数，特别是换热器类型、面积等几何参数。
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（4）采用多级压缩循环、复叠型循环和级联型机组。多级压缩或级联型机组在原理上很成熟，国内外有大量的研究和工程应用。
（5）依据机组模型，应用相应的控制理论和方法论，解决机组的安全和经济运行问题。这里所说的“控制”不仅是简单的开停机控制和系统实时运行数据采集，而是一种学科上的概念，包括一整套理论和方法论。控制是指根据系统的数学模型，实时调节系统控制量，使系统运行状态保持在“好”的轨迹上或范围内。
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6水源热泵系统节能运行控制问题的探讨
（1）水源热泵系统的热力、流动、传热过程机理分析从系统控制动力学的观点出发，对大型热泵系统内发生的物理过程及其相互的作用进行深入的分析。划分的系统的控制量、状态量、输出量，系统的边界。
（2）动态数学模型的建立
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基于热力、流动、传热规律，同时考虑建模非确定性和干扰对系统模型的影响，对每个子系统按照“状态空间法”建立动态数学模型。构造子系统模型之间的联结关系式，组成能描述水源热泵系统完整动态行为的非确定非线性动态数学模型。水源热泵系统的动态数学模型为偏微分方程组，必须采用合适的方法空间离散化方法，如有限差分法或有限元法，转化成面向控制的常微分方程组。还必须采用数值仿真和试验相结合的方法完成模型校核。
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（3）水源热泵系统的最优控制策略求解
由于水源热泵的数学模型是非线性的，而线性系统的优化控制理论已非常完善，并在工程实践中得到了广泛的应用。而非线性优化控制问题的求解涉及到太多的数学知识，难于理解。在处理非线性问题时，一般是把非线性数学模型在系统状态空间的平衡点的邻域内进行局部线性化，再用线性最优控制理论求解。但局部线性化会有一个难以克服的缺点：当系统的状态偏离平衡点太远时，或当我们要揭示系统的全局动态行为时，这种方法就完全失效。Woham提出了应用“微分几何理论”解决数学模型的非线性问题，他的最大贡献在于应用微分几何理论实现了非线性动态数学模型的“全局线性化”。Hunt于1983年、Kravaris于1990年也探讨了微分几何理论解非线性方程的问题。微分几何理论是一种对微分动态方程组实现空间变换的理论，要寻找非线性空间的状态变量到另一个线性空间的状态变量的坐标变化关系式，实现同坯映射，原来系统的属性在变换前后保持不变，所以是一种精确的全局线性化。
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得到水源热泵系统的全局线性化数学模型后，下一步就是按照我们的控制目标，如COP实时最优，构造节能运行控制问题，采用最优控制理论求解节能最优控制策略的解析式。最后设计实际硬件设备并编程实现最优控制率，用于验证节能控制效果或现场机组的节能运行控制。
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7水源热泵系统的采用节能措施、节能运行控制后的节能效果
水源热泵机组节能表现如下：在夏季运行时COP（能效比）达5.2-6.0，制冷效果因不受气温影响，其装机容量可以低于常规冷水机组10-20%；配套设备功率降低20%左右。冬季制热效率COP为4.2-5.0。根据上述优势，水源热泵机组在夏季比常规制冷机组节约运行费用20%，冬季比电、油锅炉节约费用70%，比集中供热节约50%，比燃气锅炉、风源机组节约费用40%。
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以某小区水源热泵中央空调系统为例，该项目共12栋楼，建筑面积43000平方米，选用“科莱智星”满液式水源热泵机组KFWH8701型1台，KFWH7101型2台，总制冷量2295KW，制热量2431KW（冬季实际运行负荷为2000KW）。冬夏运行均按120天计算，则采用水源热泵技术，全年空调电费为平均每天每平方米0.085元。
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结束语
热泵就是可以把热量由低温热源送到高温热源的机械设备。在建筑空调上，高温热源就是室内空气，它是以花费一部分高质能为代价，从环境中获取能量并能同所花费的高质能一起向用户供热，从而有效利用了低品位的热能。水源热泵系统节能运行控制问题会逐渐成为热泵研究领域的一个热点，如热泵的其他研究领域一样，其研究内容也是颇为丰富。
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参考文献：
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【3】张莉，胡松涛．海水作为热泵系统冷热源的研究【J】．建筑热能通风空调，2006，25(3)：34-38．
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【4】邢秀强．应用海水源热泵系统存在的问题及解决措施【J】．流体机械。2006。34(8)：71-74．
