探討水源熱泵在供熱空調系統中的應用

劉 艦 董傲霜

(遼寧工業大學土木建筑工程學院，遼寧 錦州 121001)

0 引言

目前水源熱泵技術在我國建筑工程領域的供熱與空調系統中應用十分廣泛，并且伴隨著國家經濟地迅猛發展我國建筑使用能耗在逐年增加，因此節約常規化石類能源利用和開發可再生能源就顯得尤為重要，節能環保已經成為如今從事建筑行業人士最為關心的問題之一，水源熱泵技術恰恰具有節能、高效、低碳環保、運行穩定、費用較低、冷熱兼用等優點適應了當前國家新形勢這一要求。水源熱泵是利用地下水資源且以花費一部分高質電能等為代價可同時向建筑供熱、供冷、供熱水的新型空調系統形式。水源熱泵技術雖然具有很大的發展前景和諸多優點，但同時也存在有特定建筑是否具備使用熱泵技術的水源地質條件和地下水回灌技術是否達到技術要求等一些問題，這就需要從事本專業的教學科研、勘察設計、施工運行管理等各方人士共同努力研究探討才能較好解決它。

1 當前我國建筑能源利用情況

隨著我國近年來改革開放的不斷深入進行和人民生活水平的顯著提高，夏季空調的擁有率快速的增加，根據有關資料統計：全國城鎮空調的擁有率已達20%，北京、上海、廣州等一線城市空調的擁有率已高達70%，因此生活用能耗正以驚人的速度在增長。隨著時代不斷進步發展必然導致各類一次性常規能源的大量消耗，環境污染和能源利用已經成為了全世界各國共同面臨的主要社會問題。其中用于發電和冬季供熱而消耗的一次性化石類燃料越來越多，在日本、歐美等經濟發達國家中用于建筑供熱和空調能耗約占社會總能耗的1/3以上。當今在我國建筑能源結構中煤炭消耗量仍占有很大比重，燃煤發電量約占全國總發電量的一半以上，況且每年供熱用煤CO2排放量多達1.9億m3，SO2排放量達到300 t以上，可以看出供熱空調消耗了巨大的礦產資源而且會對環境造成嚴重的污染與破壞。因為煤炭為代表的非可再生常規能源貯存量非常有限終會枯竭，在過去幾十年我國工業化、城鎮化進程中由于人們毫無限制地使用大量傳統常規能源，勢必造成不可再生資源的巨大浪費和城鎮人們生活居住環境逐漸惡化。尤其是在我國三北地區民用建筑冬季采暖期漫長，供熱工程通常是以燃煤大區域鍋爐房為主、燃油、燃氣小型鍋爐換熱裝置為輔，致使北方冬季霧霾天氣越來越多，同時二氧化硫、氮氧化物產生的酸雨破壞人們居住和自然生態環境，因此常規礦石燃料產生的溫室效應是導致環境污染和自然災害的原因之一。尤其是20世紀70年代西方主要發達國家都經歷了石油危機，嚴重制約了當時世界經濟地快速發展，使人們認識到節約能源的重要性，可以說建筑節能是當今世界大趨勢和重大戰略問題，也是現代建筑科學技術發展的一個基本方向。建筑節能不僅有利于生態環境的改善，反過來也會促進社會經濟發展。為了使我國建筑業長遠可持續發展，我們必須有效合理地利用好現有的不可再生能源同時，積極努力開發新能源技術。

2 水源熱泵機組系統運行特點

2.1 水源熱泵機組工作原理及系統組成

所有熱泵機組都是按照逆卡諾循環原理進行工作，其主要由蒸發器、冷凝器、制冷壓縮機、節流閥四大部件等構成的一種高效能量轉換裝置。制冷循環過程如下：首先氣態制冷劑經過壓縮機加壓后，進入冷凝器中冷凝液化放熱，而后經過節流膨脹裝置降壓后進入蒸發器中不斷吸熱氣化蒸發，最后氣態制冷劑又回到壓縮機中，其中制冷壓縮機通過輸入一定的電能實現低品位能量向高品位能量轉移往復循環工作過程。水源熱泵就是利用這個原理運行工作的熱泵機組形式之一，因為通常地球表面淺層地下水源的水溫四季較為恒定，夏季地下水溫度較低可以將建筑物內余熱吸收轉移到地下水源中去(節省了冷卻塔)以備冬用，而在冬季地下水溫度相對較高，機組可以通過四通換向閥的轉換從中吸取熱量，通過空氣—水或水—水熱泵機組向室內建筑物供熱，使水源熱泵機組實現對建筑物夏季空調制冷冬季供熱功能。水源熱泵系統主要由三大部分組成：即地表取水構筑物(深水井、回灌井等)、熱泵機組設備和末端空氣處理裝置。整個機組外循環水系統是經過滅藻、殺菌、除垢等一些軟化消毒水處理過程后由輸配水管網連接而成。水源熱泵機組根據所利用的水源水側換熱器外循環方式的不同可分為閉式和開式兩種形式。開式系統是指直接利用較為清潔的河流、湖泊水或地表深井水后，經過熱泵機組水側換熱器后直接排放到周邊水體環境中，可見這種系統形式簡單、初投資省，所以大部分水源熱泵工程常采用此種系統形式。閉式系統形式較為復雜，初投資及日常費用較高故這里不做過多論述。

2.2 水源熱泵機組系統運行的主要優點

首先應用水源熱泵技術的淺層地表水體(如深水井)與其上覆的土壤層本身不斷地進行著能量交換，可以吸收大量太陽輻射熱量，其本身也就相當于是一個太陽能集熱器，可見水源熱泵本質上是利用太陽能作為動力來源從而進行熱量轉換的供熱、空調制冷技術，所以水源熱泵利用的是可再生清潔能源同時其環保效果顯著，夏季空調不需要傳統的冷卻塔而無噪聲污染，冬季機組不存在燃燒過程而無灰渣煙塵污染；其次水源熱泵目前在供熱空調中應用節約常規能源主要體現在一機多用上，夏季可以利用其空調供冷、冬季可以利用其供熱采暖，在過渡季節還可以利用其設備向建筑供給生活用熱水，從而減少了系統全年運行費用和設備的初投資；最后淺層地表水體(尤其是深井水)因為上面土壤層的隔斷、蓄熱作用，使其水溫一年四季變化不大且較為恒定，另外水源熱泵通常為自動化控制程度較高的模塊式組裝機組，操作靈活且維修便利，這些都可以使水源熱泵系統更加平穩運行。

2.3 水源熱泵機組系統運行的主要缺點

首先由于在我國一些地區地下水的水質較差，水源熱泵機組實際運行過程中有時會出現淺層地表水或深井地下水根本沒有經過適當水處理過程就直接應用到機組中去，水源熱泵機組水管路系統中就可能會存在一些微生物或污泥雜質，所以在熱泵系統工作過程中容易出現進水管路堵塞、腐蝕、結垢等問題，從而加大了系統運行能耗，將必然導致熱泵機組能效比、熱效率降低，減少機組設備使用壽命；其次水源熱泵機組運行還會對淺層地下水的水質狀況造成不同程度影響破壞，回灌技術不成熟有時還會出現水源地附近地面沉降等一些實際問題，這就需要解決好水源熱泵系統的鉆井、回灌、日常運行及保養問題；最后還應明確水源熱泵技術需要考慮水源要滿足建筑物使用要求這一問題(如適合的水量、水質、溫度)，以及建設單位能夠負擔的開采和日常使用費用，何況地下水資源分布和水質情況在我國南北各地差別都是很大的，同一地區不同地質狀況的水源地水質情況也不近相同，所以是否具有適合熱泵供熱空調實際工程的水源地成為水源熱泵技術應用中存在的一個現實問題，我們應該很好地解決它。

3 水源熱泵技術在建筑供熱空調系統中應用現狀

水源熱泵技術在我國建筑供熱空調系統中應用已有多年，經過工程技術人員不斷探索努力，從理論、設計、施工調試到運行管理都積累了諸多經驗，成功的案例有很多，但從大規模推廣來看還存在著發展不均衡和地域性差別等問題。由于我國地域遼闊而地質條件千差萬別，還存在地域文化背景不同，各地社會經濟發展程度不均衡，這樣就會造成當前我國水源熱泵技術應用中存在一些功利性、盲目性問題。還有我國水源熱泵技術利用與開發往往沒有深入考慮建筑物由于所處區域不同而氣象條件存在差異性，僅僅考慮的是水源熱泵機組本身的長處與優點(可以用于對建筑冬季物供熱而夏季空調)而忽略了環境問題和綜合建筑能耗因素，另外由于一些從事本專業的設計工程師理論水平較低、工程經驗缺乏，經常出現本來不太適合的我國南方某些地區應用較多，反而最適合全年綜合使用的我國北方地區應用較少的現狀。當今水源熱泵作為環保節能新技術在全社會得到了大家普遍關注，可是水源熱泵技術在供熱空調系統中應用終究是不是真的環保與節能，還有待于實際工程進一步論證和考驗。目前從機組實際運行效果上看要求回灌水的水質至少要等于原淺層地下水的水質，這樣做才不會破壞原水源水質狀況而造成地下水環境污染，當機組設備連續正常工作期間確?；毓嗨乃|始終達到技術要求還需要從業人員共同努力，同時水源熱泵回灌技術受不同的水文、地質等條件的限制，應當具體情況具體分析，熱泵系統的運轉存在著不可逆性。還有環境污染問題并不是在短時間內馬上就可以被人們所感知覺察，人們日常生活生產等活動對環境造成的影響，經常經歷了幾十上百年漫長的時間才逐漸地被人們發現及認識，其具有一定的延遲性、滯后性。再者如果水源熱泵機組全年長時間運轉不間斷地向地下取水，會使地下含水層分布狀況發生一些改變，況且回灌技術相對還不夠成熟，地下水有時會回灌到不同含水層中去，可能會導致地下含水層水量不均勻、不穩定等現象發生，長期以往會對地下水的水質造成一些影響破壞，若干年后還可能會發生取水構筑物附近地面沉降問題，而影響人們正常居住生活。所以要高度重視地下水回灌技術，進一步加強設備運行管理，保障回灌過程順利實現，才不會對地下水及周邊環境產生污染，在某些水源熱泵工程中甚至出現將尾水直接泄入市政排水管網中，而不進行有效回灌工作，勢必將造成能源的極大浪費且破壞這一局部地區的地質構造，將直接影響人們正常生存環境。以上這些都是對水源熱泵技術在我國建筑供熱空調系統中應用現狀所做的分析與探討。

4 結語

目前水源熱泵技術在我國建筑供熱空調系統中應用較為廣泛，其可以減少不可再生能源消耗，同時降低熱泵機組運行管理維護費用，由此可見水源熱泵在國家提倡環保低碳、構建節約型社會大背景下是具有一定應用空間的。但是我們知道任何事物都是相對的，尤其是對于工程技術更不能離開嚴謹科學的工作態度，在看到水源熱泵技術自身優點同時還必須要看到其技術上的缺陷和不足，切忌不顧本地區實際情況盲目跟風操作，所以在水源熱泵技術應用評估期間，應事先做好當地土壤地質、水源狀況等勘察調研工作，最后經過多方面探討分析在確保環保與節能前提下才可以適當推廣應用。