文/郭曉琴 武漢科技大學(xué)城市學(xué)院 湖北武漢 430083

曾令文 湖北省電力勘測設(shè)計院有限公司 湖北武漢 430040

1、熱泵的原理及經(jīng)濟(jì)性

熱泵與水泵具有相同的特點。水泵通過輸入電能，將水從低位提升到高位。熱泵的原理與之相似——冬季，熱泵消耗一定電能，將低溫側(cè)室外的熱量抽吸到高溫側(cè)室內(nèi)，提升熱量的品質(zhì)，最終實現(xiàn)室內(nèi)制熱的功能。

以一次能源天然氣為例：直接燃燒能夠產(chǎn)生9kWh的熱量；發(fā)電能產(chǎn)生4kwh的電，電制熱能產(chǎn)生4kwh的熱量；如果用一方天然氣所發(fā)的4kwh電能輸入到熱泵機(jī)組中，總共能產(chǎn)生12kwh的熱量。通過對比發(fā)現(xiàn)，消耗同樣的一次能，熱泵機(jī)組制取的熱量最多，經(jīng)濟(jì)性最好。

2、地源熱泵系統(tǒng)簡介

2.1 地源熱泵系統(tǒng)定義

地源熱泵系統(tǒng)是指利用地下土壤、地下水、地表水為低溫?zé)嵩?，以水為傳熱介質(zhì)，采用熱泵技術(shù)對建筑進(jìn)行制冷、供暖或加熱生活熱水的系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)主要分為三種形式：地下水地源熱泵系統(tǒng)、地表水地源熱泵系統(tǒng)、土壤源熱泵系統(tǒng)。

2.2 地源熱泵系統(tǒng)組成

地源熱泵系統(tǒng)的核心主要是熱泵機(jī)組，通常熱泵機(jī)組主要由四個主要部件組成：蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和膨脹閥。把機(jī)組和地源這塊稱為冷熱源；水泵和管路稱為輸送系統(tǒng)；用戶側(cè)稱為末端。

2.3 地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的區(qū)別

常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)通常采用水冷冷水機(jī)組，通過水泵和冷卻塔把室內(nèi)熱量散入到空氣中，實現(xiàn)系統(tǒng)制冷功能；冬季由于循環(huán)水易結(jié)冰，因此這種系統(tǒng)在冬季通常配備鍋爐實現(xiàn)冬季制熱。地源熱泵系統(tǒng)通常是將冷卻塔換成地源，然后機(jī)組內(nèi)部作一定的改進(jìn)。夏季運(yùn)行流向與冷水機(jī)組類似，工作參數(shù)稍有區(qū)別。冬季時，即便室外空氣溫度比較低，地源側(cè)的溫度通常也能達(dá)到10℃以上，這為熱泵機(jī)組制熱提供了有利的條件。這也是與常規(guī)水冷冷水機(jī)組的主要區(qū)別。

3、地下水地源熱泵系統(tǒng)介紹

3.1 系統(tǒng)簡介

根據(jù)地下水是否進(jìn)機(jī)組，地下水源熱泵系統(tǒng)通常可分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。根據(jù)地下水回灌方式不同，通常分為同井回灌系統(tǒng)和異井回灌系統(tǒng)，如圖1、2所示。異井回灌指取水和回水在不同的井內(nèi)進(jìn)行，回灌井內(nèi)的水需回到同一地下含水層中。同井回灌系統(tǒng)是國內(nèi)發(fā)明的一種新技術(shù)[1]，取水和回灌水在同一井內(nèi)進(jìn)行，通過隔板把井分成兩部分，一部分是低壓吸水區(qū)，一部分是高壓回水區(qū)。同井回灌存在熱貫通的可能性，應(yīng)進(jìn)行合理設(shè)計避免熱貫通現(xiàn)象。

圖1 單井循環(huán)

圖2 異井循環(huán)

3.2 地下水地源熱泵系統(tǒng)特點

地下水地源熱泵系統(tǒng)主要包含5個特點[1]：

（1）該系統(tǒng)利用可再生能源的技術(shù)，節(jié)能環(huán)保效益顯著；

（2）機(jī)組制冷和制熱都處于高效運(yùn)行，通常主機(jī)的制熱性能系數(shù)為3.5～4.4，比空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)約23～44%的能量；

（3）該系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)北京市統(tǒng)計局信息咨詢中心對采用地下水地源熱泵技術(shù)的多個項目的冬季運(yùn)行分析報告：63%的項目低于燃煤集中供熱的價格；全部項目低于其他鍋爐供暖。投資增量回收期約4～10年。

（4）由于地下水全年溫度相當(dāng)穩(wěn)定，故主機(jī)能夠持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行；

3.3 地下水地源熱泵系統(tǒng)適用性

地下水地源熱泵系統(tǒng)的適用性一般需要考慮兩方面的因素 [2]。一是資源性條件，二是系統(tǒng)性條件。其中，資源性條件主要有水溫地址因素、場地施工因素、社會經(jīng)濟(jì)因素、氣象因素和環(huán)境保護(hù)因素。僅從資源性條件考慮，適合采用該系統(tǒng)的地區(qū)主要分布在我國東部，平原盆地及富水性較好的地區(qū)。而系統(tǒng)性條件主要指節(jié)能型、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

3.4 地下水地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計流程

地下水地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計主要包含地質(zhì)勘查設(shè)計和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計兩大塊。地質(zhì)勘查與設(shè)計率先進(jìn)行，包括水文地質(zhì)條件論證，其中涉及到地下水水溫、水質(zhì)、水量的論證，同時水資源論證應(yīng)經(jīng)過專家審查和水務(wù)部門審批。根據(jù)工程所在地的地質(zhì)條件設(shè)計熱源井形式。無論采用何種回灌方式，必須確?；毓嘀镣缓畬?，不得造成地下水浪費(fèi)及污染。如果不能100%回灌于同一含水層，會帶來一系列的生態(tài)環(huán)境問題。空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計主要包含建筑物內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計、水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計和地下?lián)Q熱系統(tǒng)設(shè)計。

3.5 地下水地源熱泵系統(tǒng)存在的問題

主要存在四個方面的問題：一是回灌堵塞，此問題的主要解決包括回?fù)P、預(yù)消毒和酸化等；二是腐蝕水質(zhì)問題，為此需按規(guī)范要求設(shè)計合理的水處理工藝；三是井水泵功耗過高的問題。調(diào)查表明，不良設(shè)計中井水泵功耗可以占到系統(tǒng)總能耗的25%甚至更高，為此一般采用的措施包括采用變頻泵、設(shè)計閉式系統(tǒng)，確保回水管在靜水線以下等；四是運(yùn)行管理方面的問題。

4、地表水地源熱泵系統(tǒng)

4.1 地表水類型

地表水主要分為三種類型：一、流動水體：包括江、河、城市污水等；二、靜止且水量較大的水體：包括海、湖、水庫等；三、靜止且水量較小的水體：包括水塘、水景、人造湖等。

4.2 地表水地源熱泵類型

根據(jù)是否直接取用地表水，將地表水地源熱泵系統(tǒng)分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。

4.3 地表水地源熱泵系統(tǒng)特點

首先是它的節(jié)能性，相比于傳統(tǒng)的冷熱源系統(tǒng)，其節(jié)能優(yōu)勢明顯，但總體而言系統(tǒng)效率低于地下水地源熱泵系統(tǒng)；在經(jīng)濟(jì)性方面，開式地表水地源熱泵系統(tǒng)的初投資是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中最低的；在穩(wěn)定性方面，地表水溫度一般隨季度和水深變化，其特征類似于空氣源熱泵，故穩(wěn)定性不如地下水地源熱泵系統(tǒng)。

4.4 地表水地源熱泵系統(tǒng)適用性

常規(guī)地表水地源熱泵系統(tǒng)（不包括海水源和污水源），主要從能效、經(jīng)濟(jì)性和社會環(huán)境方面評價其適用性，比如機(jī)組是否能處于高效運(yùn)行、系統(tǒng)的初投資、運(yùn)行費(fèi)用、水體是否存在污染等等，適宜地區(qū)主要分布在中南部地區(qū)[3]。

海水源熱泵主要從資源條件，如海水溫度和系統(tǒng)性條件來進(jìn)行評價；污水源熱泵系統(tǒng)主要從經(jīng)濟(jì)、能耗和環(huán)境三方面進(jìn)行評價。

4.5 地表水地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計

主要討論以下三個方面：一是水源勘測方面，主要包含水位、面積、流速、流量、水溫、水質(zhì)、用途等；二是水環(huán)境評估，系統(tǒng)設(shè)計前，應(yīng)對系統(tǒng)運(yùn)行對水環(huán)境的影響進(jìn)行評估，減小地表水水體及其生態(tài)環(huán)境和行船等影響。在前期項目中，完成環(huán)境影響評價相對比較困難，對于流動的地表水，一般取水量小于總流量的20%；對于靜止的地表水可以按面積指標(biāo)進(jìn)行估算。

5、土壤源熱泵系統(tǒng)

5.1 土壤源熱泵系統(tǒng)分類

根據(jù)埋管方式的不同，通常分為水平式埋管換熱系統(tǒng)和豎直式埋管換熱系統(tǒng)。

5.2 豎直埋管換熱器形式

水平埋管換熱器的形式和閉式地表水地源熱泵系統(tǒng)類似。豎直埋管換熱器最常見的有兩種形式：雙U和單U。雖然雙U比單U的管長大了一倍，但是換熱能力僅提高15%～20%。

5.3 兩種埋管形式區(qū)別

水平埋管通常埋深為1.2～3.0m，每個水平溝內(nèi)埋1～6支管。埋管成本相對較低，安裝靈活，一般用于地表面積充裕的場合。

豎直埋管中淺埋一般為8～10m，深埋為33～180m。實際項目中通常埋管深度為23～92m。該方式管材耗量少，系統(tǒng)阻力小，由于埋深較深，因此受季節(jié)的影響小，但是初投資比較高。

實際項目中，應(yīng)根據(jù)項目用途、所在地的地質(zhì)條件等因素綜合選擇埋管方式。

5.4 土壤源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點

優(yōu)點：蓄熱性能良好；相比于傳統(tǒng)的空氣源熱泵，機(jī)組效率更高；無需除霜，沒有結(jié)霜和融霜的能耗損失；運(yùn)行費(fèi)用低[4]。

缺點：長期運(yùn)行，土壤的溫度勢必會受到波動，這種波動會影響熱泵機(jī)組的性能；地下埋管換熱器的性能受土壤的熱物性參數(shù)的影響較大。計算表明，傳遞相同的熱量所需傳熱管管長在潮濕土壤中為干燥土壤的1/3；初投資高，僅地下埋管換熱器的投資約占系統(tǒng)投資的20～30%。

5.5 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計

土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計中主要有三個方面的問題：熱物性測試、土壤熱平衡和水力平衡。

巖土熱物性測試是為地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計提供巖土基本熱物參數(shù)（導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等）。目前國內(nèi)外應(yīng)用于工程中的巖土熱物性測試方法是巖土熱響應(yīng)試驗法[5]。

如果冬夏季取熱和排熱不平衡，地下土壤溫度將過高過低，影響熱泵機(jī)組效率和穩(wěn)定性。地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)進(jìn)行全年動態(tài)負(fù)荷計算。計算周期內(nèi)地源熱泵系統(tǒng)總釋熱量宜與其總吸熱量相平衡。為此，在夏熱冬冷地區(qū)一般采用土壤源熱泵+冷卻塔的形式，寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)采用土壤源熱泵+太陽能的耦合系統(tǒng)。

水力平衡：地埋管各并聯(lián)支路若長短不一，各支路將水力失調(diào)，短管路會承擔(dān)更多冷熱負(fù)荷，地下溫升或溫降更大，嚴(yán)重影響熱泵機(jī)組效率。因此埋地管網(wǎng)盡可能采用并聯(lián)同程布置。

結(jié)論：

為了降低用冷和用熱的能耗，尋找更高效的制冷供熱系統(tǒng)勢在必行。在這樣的背景下，地源熱泵系統(tǒng)逐漸得到大力的應(yīng)用。然而在應(yīng)用過程中，暴露了諸多問題導(dǎo)致系統(tǒng)無法發(fā)揮其優(yōu)勢。故理清地源熱泵系統(tǒng)的特點、經(jīng)濟(jì)性、適用條件等顯得尤為重要，通過詳細(xì)介紹所有地源熱泵系統(tǒng)形式，得到如下結(jié)論：

（1）不同地源熱泵形式的特點和適用性均不相同，設(shè)計時，需因地制宜，選擇合理的形式，確保充分發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢；

（2）不同的系統(tǒng)在使用過程中均存在一定的問題，設(shè)計時應(yīng)針對其問題配置合理的方案。