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发展可再生能源是优化我国能源结构和改善环境质量的要求。地源热泵利用散布在地球表面浅层水源和浅层土壤中的低品位热能，是一项节能环保的可再生能源技术。地源热泵包括土壤源热泵、地下水源热泵和地表水源热泵。土壤源热泵和地下水源热泵在我国已经有一些应用，但地表水源热泵的应用较少，地表水源热泵研究方面的积累也较少。本文结合我国南方地区的地表水温特点和气候特点，对地表水源热泵系统的运行特性和运行优化问题进行了研究。论文的第一部分对开式地表水源热泵、闭式地表水源热泵、混合地表水源热泵的运行特性以及地表水源热泵运行时地表水温的变化进行了一系列试验与理论研究；第二部分研究了地表水源热泵系统的运行优化问题。论文的工作和所获得的成果具有明确的工程应用价值，主要的工作和成果有： (1) 在对国内外研究现状进行分析和总结的基础上，自主设计了湖南省湘潭市城市中心区大型地表水源热泵区域供冷供热系统。对该系统夏、冬季实际运行情况进行了全面的测试，包括水质、湖水温度恢复情况、气温、进出水温度、COP等。还对南方地区地表水源热泵系统与风冷热泵的性能进行了对比测试。为今后国内发展大型地表水源热泵区域供冷供热系统积累了设计与运行数据，提供了参考依据。 (2) 完整、系统地建立了闭式地表水源热泵系统的动态模型，应用该模型能够根据逐时的负荷和气象参数模拟出闭式系统全年运行的动态特性。对位于长沙市的一处拟建的闭式地表水源热泵系统在制冷制热期的动态特性进行了模拟。分析了水底盘管大小对进液温度的影响；分析了水体深度、面积对进液温度和底层水温的影响；比较了无负荷和有负荷时的底层水温变化；分析了该系统的性能。 (3) 在工程应用中会出现地表水量不稳定或不足的情况，有必要发展混合地表水源热泵系统。针对本文提出的带喷泉的混合地表水源热泵系统，建立了预测水池喷淋冷却效果的简化模型。对某种型号喷嘴的喷淋冷却效果进行了模拟，模拟结果与实测结果吻合得较好。该模型的输入参数少，可以方便地用于设计带喷泉的混合地表水源热泵系统。