地下水源熱泵空調系統的應用分析

趙恩榮 徐廣才

通用技術集團工程設計有限公司

1 引言

隨著社會發展，人們生活水平不斷提升。對于室內環境有了更高的要求，希望能夠改善室內生活水平，供暖制冷是設環境調節的重要方式，也是目前居民生活中能耗最高的源頭。為了實現節能減排的目的，在日常工作中需要對供暖制冷設備的能耗進行控制，采用多種控溫方式減少這種高耗能設施的參與程度，從整體上控制室溫過程中投降低能耗。地下水源熱泵的工作原理是基于熱力學第二定律，并且利用了逆卡諾循環原理，主要的組成部分包括壓縮機，冷凝機，蒸發器，轉換閥，膨脹閥。在運轉時僅壓縮機消耗少量電能，將水作為載體，吸收或釋放熱量，經過管道流通，對途經區域進行溫度調節。整個過程額外不需再投入其他能量，所以是目前溫度調節方面能耗控制最好的一種選擇。

2 機組特點

（1）在整個地下水熱泵中，電能消耗主要用于對水進行驅動，原先的耗能大戶——溫度調節則由地熱泵完成，由于是采集地下水，溫度來源完全取決于自然界，可以節約大部分能源。不需額外消耗化石能源，可以減少對化石能源的依賴。地下水源熱泵對于使用環境的適應能力很強，可以適合所有居住區域的供暖制冷需求，不需要加裝用于祛除氣體和廢物的裝置。投入使用后維持成本較低，只需定期進行質量檢查，完成磨損零部件的更替即可。與傳統的供暖方式相比，不需要占用供暖系統附近的土地資源。過程中也不會向外排出廢水廢渣，減輕了對周圍環境的影響。在夏季需要執行制冷任務時，不需要加入額外的冷卻水塔，因此對建筑物外觀規劃不會造成破壞，可以直接引入使用，避免了在室外布置設施設備造成的噪聲污染和外形破壞。

（2）高效節能。經研究數據表明，冬季采用水源熱泵技術，水源側的水溫在10℃~20℃，明顯超過了周圍空氣環境溫度。這種溫差的存在會使得在熱泵循環的過程中，蒸發溫度大大提升，提高系統的能效比。而夏季水體溫度為18℃~35℃,制冷的冷凝溫度降低,實際的冷卻效果要好于傳統的風冷式和冷卻塔式的結構。無論是供暖還是制冷，采用水源熱泵技術都能夠較好的完成溫度調節目的，并且在使用過程中不會對周圍環境造成負擔和影響，且不需額外設置輔助機組和房屋，對于占地面積也能夠進行最大限度地節約，因此是一種很理想的替代傳統溫度調節系統的方案。通過與中央空調系統末端進行協調，在智能化系統的統一控制下，對單個節點進行精確的溫度調節，完全可以實現對日常生活環境溫度調節的需求。

（3）運行安全可靠、在整個溫度調節系統中，除集中布置的機械設備外，占地范圍最廣的是管線，只要保證在安裝過程中管線的參數規格符合設計圖紙要求，沒有出現尺寸報錯的情況，管線可以保持很長時間的穩定使用狀態。只需要在特定節點安排檢修人員對管線連接處和管壁外表進行檢查，檢查管壁是否有磨損老化腐蝕的情況。檢修過程投入的成本很低。

機械設備由于是集中安裝和布置，所以檢修可以在短時間內全部檢查完成。在設備安裝過程中就已經預留了足夠的操作空間。

地下水位的溫度常年保持恒定，而且處于地下環境，對于周圍自然環境變化影響不敏感，受周圍環境變化的影響幅度較小，可以使得水源熱泵的輸出效率在較長時間內保持穩定。與機械驅動的制熱系統相比，能夠在更長時間內保持穩定運行。在系統投入使用后不需頻繁對其基礎設備進行更換，整體運營投入的維護成本較少，主要的成本投入集中于前期建設投入。由于絕大部分結構為管線，而管線布置在室內和地下，因此出現凍管的情況較少，安全性較高。根據空氣源熱泵的運行經驗來看，當空氣源熱泵面臨需要除霜時，其30%左右的能耗會被浪費在該方面。

（4）功能多樣，設備利用率高。水源熱泵機組可以根據冬季和夏季不同溫度調節功能進行模塊化系統搭接，實現一套系統多種用途跨越。冬季夏季近六個月使用時間，提高了設備的使用時間，減少了設備故障之后對其進行零部件更換所面對的難度，是一種非常穩定成熟的系統控制方案。而且目前相關從業人員還試圖將其進行模塊化改造，通過不同的環境特點和使用需求，結合當地實際情況采用靈活多變的模塊化控制方式，將一套成熟的供暖系統拼接到不同的使用環境中，讓這套設備的環境適應性提升到一個新的高度。

（5）便于計量和收費。水源熱泵空調系統在使用過程中通過自然冷和電能來進行工作，其中電能可以直接通過電表讀數來明確，只要通過對電表數據進行提取，轉化為額定關系的供暖或制冷量，就可以完成對該客戶計量收費的工作。不需要額外再設置鍋爐供熱計費和計量的工作。電能系統收費計量完全可以接入非常成熟的電能控制收費系統，一步到位直接實現數字化控制，減少了額外安置所需投入的成本和設備。

（6）便于安裝、管理。水源熱泵機組結構簡單，安裝方便，占地面積小，施工模塊較為固定，安裝人員經過簡單培訓之后，即可熟練上手，獨立完成設備安裝和檢修工作任務。整個系統中除了集中布置的壓縮機等裝置外，大部分管線不需要通過專業設備的輔助檢查，在系統運行維護和養護這兩方面都有很大的優勢。

3 升級改造的余地和方向

目前水源熱泵機組在使用過程中存在的問題在于，無法實現對各覆蓋節點具體溫度調節功能的掌握。而這一點可以通過日趨成熟的智能化網點控制系統來得以實現?？刂浦行脑诟鞴濣c布置傳感設備，對所屬區域的溫度變化情況進行數據收集，經無線傳輸實現對全局狀態的掌握和收集。原本的人工操作調節系統轉變為自動化數據傳輸控制系統，由數據控制中心根據編定好的程序，對不同區域溫度變化情況進行分析，通過比對標準數值，判斷溫度控制效果是否符合預期，如果存在差異，則通過遠程控制手段調用其他輔助溫度控制系統。例如將該區原有的中央空調系統接入到自動控制系統中，額外補充的工作量由中央空調系統來完成。并且為了實現節能降耗的目的，對中央空調運行系統也要進行調整，不能采取過去大鍋飯的溫度調節模式，而是要將中央空調系統的服務對象節點化，實現對單一節點溫度的精確調節，根據不同的需求進行精準投放，這樣一來可以大幅節約系統運行過程中所需要的能耗。

智能化控制系統與傳統人工操作系統相比，智能化控制系統由眾多傳感設備和完善的數據傳輸系統構成，能夠實現24小時不間斷的監控系統內溫度變化情況，減少了工作人員的勞動強度，可以實現長時間對于整個系統運轉過程的控制，并且通過加入遠程控制的手段，能夠在發現參數差異時及時介入，通過遠程控制和干預的手段，及時對該區域的系統設備進行指令下達，在極短的時間內就彌補現有溫度調節所存在的問題?？梢源蠓冉夥殴ぷ魅藛T，使其有更多的時間和精力去完善現有系統。在現有的工作崗位上做出更多具有創新意義的行為來實現系統不斷優化改進。

4 工程實例

文中所列舉的工程原為工作廠房，后改建為居民區，安裝有中央空調供暖系統，且周圍水資源豐富，地下水溫符合地下水源熱泵系統的標準，建筑總面積15376m2，樓層高度39m。包含少量辦公區域，為改善生活辦公條件，實現更低能耗的溫度調節需求，對該區原有的調溫系統進行升級，采用地下水源熱泵系統。

該工程采用管井取水的方式，在供暖區域新鉆三口水井，平均出水量達到3200方每天。每一個水井都可以實現供水和回灌的雙重功能，保證了在水井投入使用之后，不會由于頻繁的抽水供水活動而造成地下水位的波動，最大限度地減少系統運行對于周邊環境所造成的影響。并且可以節約水體占地空間，延長水晶使用壽命，使單個水井設備的年使用天數提高。

機房水系統主要由水源循環系統和空調水源循環系統兩部分組成。為防止長時間使用造成淤泥堆積，影響出水口使用效率，還額外設置兩臺復合過濾器，用于定期對循環水系統雜質進行去除。

5 存在問題分析

近幾年地下水源熱泵系統在我國得到了迅速的發展，很多具有合適自然條件的區域都會選擇該系統作為補充溫度調節的存在。在使用過程中，該系統也確實體現了其環保，節能高效的先進使用狀態，但是在利用過程中隨著使用經驗增長還是發現了一些問題需要解決。

5.1 地質問題

作為地質資源的地下水被大量采用投入到地下水泵中，如果在過程中不設置回灌系統，就會造成嚴重后果，例如地下水位開采過多會導致地下結構應力平衡被打破，有可能會導致地面沉降，地表出現裂縫或塌陷的地質情況。我國的江蘇徐州地區，就是典型的由于地下水開采過度而導致城區出現多處地下結構沉降的案例。放眼整個華北平原，包括浙江省，江蘇省，由于這些地區人口密度大，城市建設面積廣，城市化時間長，對于地下水位開發利用的時間和總體規模都處于較大的水準。因此這些地區出現上文所提及的地面塌陷沉降的情況更為普遍，已經是一個嚴重影響城市地區經濟建設發展的重要問題。而且在目前的技術條件下，還沒有相應的措施能夠解決這一問題，因此我們目前能做到的只能通過提前預防的方式來降低過度開采地下水所導致的各類環境破壞問題。地面沉降不僅僅會造成周邊區域的建筑物使用安全威脅，在臨海城市還有可能會導致海水或河床倒灌的情況。

這種情況已經相當明顯。目前各級政府對于地下水回灌都有一套具體的量化指標，例如河北省對于地下水回灌至原含水層的比例就達到了100%，如果各開發企業能夠按照政府規定的比例來回灌地下水，地下水的供給補充就能處于平衡狀態，即使局部地區出現地下水位波動也不會造成嚴重的影響。但在實際情況下，目前國內很多地區回灌堵塞問題不被重視，還有很嚴重的滯后拖延情況，導致地下水會被直接排放到地表，一旦出現地質環境問題，對于周邊區域的正常生產生活將會帶來災難性的影響。雖然各地政府已經制定了相應的補充意見和實施方案，但是在具體實施過程中缺乏部門牽頭，在劃定職權時還有部分內容，沒有確定具體的責任人和部門，所以在實行過程中還是會存在一些問題。

5.2 水質問題

現在國內地下水源熱泵的地下水回路都不是嚴格意義上的密封系統，回灌過程中的回揚、水回路中產生的負壓和沉砂池，都會使外界的空氣與地下水接觸，導致地下水氧化。地下水氧化會產生一系列的水文地質問題，如地質化學變化、地質生物變化。另外，目前國內的地下水回路材料基本不做嚴格的防腐處理，地下水經過系統后，水質也會受到一定影響。這些問題直接表現為管路系統中的管路、換熱器和濾水管的生物結垢和無機物沉淀，造成系統效率的降低和井的堵塞。

6 結束語

空調系統是現代城市居民生活中為調節室內生活環境常常采用的設備。該系統確實能夠有效改善使用者的生活環境，但是過程中也會造成巨大的能源消耗，如果不采取有效手段進行控制，或者是找到其他替代方法，這種高能耗的運行方式會造成嚴重的能源負擔和環境污染問題。地下水源熱泵空調系統在這方面可以彌補傳統溫度控制系統的缺陷。