暖通工程中水源熱泵技術(shù)的具體應(yīng)用

梁福生

(太原重工工程技術(shù)有限公司，山西 太原 030000)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段，能源是發(fā)展的主要?jiǎng)恿?lái)源之一。新時(shí)期，人類(lèi)已經(jīng)邁入到現(xiàn)代化建設(shè)行列，對(duì)能源需求量日益提升。為了讓人與自然始終處于和諧發(fā)展?fàn)顟B(tài)，綠色清潔能源開(kāi)發(fā)與應(yīng)用勢(shì)在必行。水源熱泵技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)暖通空調(diào)技術(shù)的取代，其環(huán)保和節(jié)能效果更加明顯，能夠在暖通工程中得到大面積應(yīng)用。

1 水源熱泵技術(shù)概述

水源熱泵技術(shù)是一種以水體為熱源或冷源的能源利用系統(tǒng)，通過(guò)充分利用地下水、湖泊或河流等水體的相對(duì)恒定溫度，實(shí)現(xiàn)高效供暖、制冷和熱水生產(chǎn)的系統(tǒng)。該技術(shù)主要包括：水源熱泵機(jī)組、水泵循環(huán)系統(tǒng)、換熱器和控制系統(tǒng)等組成部分。在水源熱泵系統(tǒng)中，地下水或水體作為吸熱源，通過(guò)水泵被抽到地下熱泵機(jī)組中，經(jīng)過(guò)換熱器與制熱或制冷工質(zhì)進(jìn)行熱量交換。在冬季，地下水的溫度相對(duì)較高，可以提供充足的熱量，用于加熱建筑物；而在夏季，地下水的溫度較低，可用于制冷系統(tǒng)的冷卻循環(huán)。通過(guò)這種方式，水源熱泵系統(tǒng)在不同季節(jié)和氣候條件下都能夠?qū)崿F(xiàn)高效的能源利用。水源熱泵技術(shù)相較于傳統(tǒng)的空氣源熱泵具有明顯優(yōu)勢(shì)。由于水體的熱容量大，溫度變化緩慢，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，能夠提高能源利用效率。此外，水源熱泵系統(tǒng)對(duì)環(huán)境影響較小，不產(chǎn)生廢氣排放，有利于降低碳排放和保護(hù)空氣質(zhì)量[1]。

2 水源熱泵技術(shù)在暖通工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)明顯

相比于傳統(tǒng)暖通空調(diào)技術(shù)，水源熱泵技術(shù)應(yīng)用加工期間，主要是將地下水系統(tǒng)作為能源來(lái)源，總的來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)自身容量較大，在運(yùn)行階段，并不需要投入太多的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，在成本規(guī)模方面，會(huì)比暖通空調(diào)低18%～54%。除了運(yùn)行費(fèi)用方面的優(yōu)勢(shì)之外，系統(tǒng)維護(hù)成本同樣不高。從這里也能夠看出，水源熱泵技術(shù)在應(yīng)用時(shí)具備較高的經(jīng)濟(jì)性。一般來(lái)說(shuō)，在水源熱泵技術(shù)應(yīng)用后，暖通工程安裝容量一般會(huì)在528kW以上，在工程井身范圍處于180～540m時(shí)，系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的整體經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)更加明顯。另外，經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)人員的評(píng)估，地下水源熱泵技術(shù)的投資增量稅收期年限范圍集中在4～10年之間。

2.2 具備良好的節(jié)能優(yōu)勢(shì)

地下水常見(jiàn)溫度與地表水溫度不同，冬暖夏涼的特點(diǎn)更加明顯，這主要是由于地球表層具備隔熱以及蓄熱能力。因此，在應(yīng)用地下水的水源熱泵技術(shù)時(shí)，能夠?qū)⒔ㄖ飪?nèi)部熱量帶出，所呈現(xiàn)出的制熱和制冷效果均十分明顯[2]。

2.3 具備良好的環(huán)保特性

通過(guò)對(duì)水源熱泵技術(shù)原理分析，其主要的傳熱介質(zhì)為地下水，因此，在冬季取暖階段，并不需要應(yīng)用鍋爐系統(tǒng)，燃料燃燒時(shí)所產(chǎn)生的污染物也能得到控制，為環(huán)境保護(hù)工作的開(kāi)展提供更大支持。另外，在水源熱泵技術(shù)幫助下，燃料消耗規(guī)模大幅下降，節(jié)能優(yōu)勢(shì)更為明顯。夏季制冷階段，同樣不需要應(yīng)用到冷卻水塔，確保水資源消耗規(guī)模以及霉菌污染程度等能得到控制。

3 水源熱泵技術(shù)在暖通工程中應(yīng)用期間存在的問(wèn)題

盡管水源熱泵技術(shù)在暖通工程中得到了廣泛應(yīng)用并展現(xiàn)出高效、節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些問(wèn)題。首先，水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)成本相對(duì)較高，包括水井的打井費(fèi)用、管道敷設(shè)及設(shè)備維護(hù)等方面，這可能制約了一些項(xiàng)目的推廣和普及。其次，由于水源熱泵系統(tǒng)對(duì)水體質(zhì)量要求較高，水質(zhì)的波動(dòng)可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能，因此，需要對(duì)水質(zhì)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)和處理，增加了運(yùn)行管理的難度。另外，在寒冷地區(qū)，水源熱泵系統(tǒng)可能面臨凍結(jié)的問(wèn)題，需要采取額外的防凍措施，如往地下水循環(huán)系統(tǒng)中添加防凍劑。此外，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試對(duì)于不同地區(qū)的氣候和水源特點(diǎn)需要進(jìn)行個(gè)性化的優(yōu)化，以確保系統(tǒng)在各種環(huán)境條件下都能夠穩(wěn)定高效運(yùn)行[3]。

3.1 勘查分析以及設(shè)計(jì)問(wèn)題

水源熱泵技術(shù)在應(yīng)用時(shí)面臨著勘查分析以及設(shè)計(jì)上的諸多挑戰(zhàn)。由于我國(guó)地域廣闊，水文地質(zhì)條件多種多樣，項(xiàng)目所在地區(qū)的水質(zhì)狀況和污染物含量的異質(zhì)性較大，因此，在應(yīng)用前必須進(jìn)行詳盡的地下水勘查和調(diào)研工作。這包括對(duì)地下水的水質(zhì)進(jìn)行全面評(píng)估，確保其符合系統(tǒng)運(yùn)行的要求，同時(shí)需了解地下水源周邊場(chǎng)地的地質(zhì)條件，為地源井的布置提供有利條件。然而，在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，一些設(shè)計(jì)者在水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中過(guò)于依賴(lài)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，缺乏對(duì)項(xiàng)目所在地區(qū)適宜性和系統(tǒng)應(yīng)用方案的充分論證。這導(dǎo)致了系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)與前期規(guī)劃方案之間存在較大差異，從而節(jié)能效果無(wú)法得到充分展示。因此，在水源熱泵技術(shù)的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地下水資源的深入調(diào)查，綜合考慮地質(zhì)、水質(zhì)、水源周邊環(huán)境等因素，以確保系統(tǒng)在特定地區(qū)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，最大程度地發(fā)揮水源熱泵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

3.2 回灌技術(shù)問(wèn)題

地下水源熱泵技術(shù)在暖通工程中的應(yīng)用需要更加重視生態(tài)系統(tǒng)平衡問(wèn)題，特別是對(duì)地下水過(guò)度開(kāi)采可能導(dǎo)致的地表下沉等問(wèn)題。過(guò)度開(kāi)采不僅危及生態(tài)環(huán)境，還可能對(duì)地表的道路和建筑物造成不安全隱患。在地下水的開(kāi)采階段，一些工作人員未能及時(shí)進(jìn)行回填或未能實(shí)現(xiàn)100%的同層回灌，更缺乏根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況確定具體的回灌技術(shù)，導(dǎo)致大量地下水資源被浪費(fèi)。根據(jù)對(duì)我國(guó)水源熱泵技術(shù)應(yīng)用的實(shí)踐調(diào)查研究結(jié)果顯示，由于受懸浮物、化學(xué)沉淀物等問(wèn)題的影響，地下水很難實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效的回灌。這使得整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法有序運(yùn)行，長(zhǎng)期下去，地下水系統(tǒng)可能會(huì)受到嚴(yán)重破壞，進(jìn)而影響到周?chē)鷱V大群眾的正常生活。因此，在水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用中，必須采取有效的回灌措施，保障地下水的可持續(xù)利用，同時(shí)注重生態(tài)平衡[4]。

3.3 水質(zhì)問(wèn)題

在地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行階段，地下水作為重要的熱量存儲(chǔ)介質(zhì)，系統(tǒng)規(guī)模不足可能導(dǎo)致地下水的冷熱量平衡問(wèn)題。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大到一定程度時(shí)，長(zhǎng)期冷熱量轉(zhuǎn)移任務(wù)可能引發(fā)更為顯著的地下水冷熱量失衡，最終影響周?chē)鷳B(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行分析表明，回灌水與原始含水層之間存在溫度差異，這導(dǎo)致回灌井和抽水井周?chē)叵滤疁囟劝l(fā)生變化，產(chǎn)生“熱短路”問(wèn)題，對(duì)地下水系統(tǒng)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。地下水源熱泵系統(tǒng)對(duì)地下水的水質(zhì)影響不可忽視。抽取地下水后，其與外界環(huán)境接觸，改變了水體內(nèi)部的含氧量，同時(shí)可能引入微生物，導(dǎo)致地下水受到污染。這種水質(zhì)變化可能對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)采取措施來(lái)監(jiān)測(cè)和保護(hù)地下水質(zhì)量，以確保系統(tǒng)的可持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，并減小對(duì)周?chē)鷳B(tài)系統(tǒng)的不良影響。

3.4 運(yùn)行管理問(wèn)題

暖通工程中應(yīng)用地下水源熱泵技術(shù)，為了呈現(xiàn)出良好的技術(shù)效果，運(yùn)行管理過(guò)程的合理設(shè)定顯得尤為重要。但由于部分部門(mén)的報(bào)批以及監(jiān)管等制度的設(shè)定不夠完善，導(dǎo)致地下水源熱泵建設(shè)質(zhì)量無(wú)法滿(mǎn)足相關(guān)要求，甚至還會(huì)引發(fā)地下水環(huán)境污染，增加資源浪費(fèi)數(shù)量。其次，在地下水源熱泵系統(tǒng)維護(hù)過(guò)程中，應(yīng)由專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行，確保系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保效益得到展示。但從現(xiàn)實(shí)角度來(lái)說(shuō)，參與該系統(tǒng)運(yùn)行管理人員的專(zhuān)業(yè)度不足，部分管理者很難將系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題及時(shí)解決，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率大幅下滑，應(yīng)用效果也很難得到保障。

3.5 回灌技術(shù)應(yīng)用不合理

水源熱泵技術(shù)作為一項(xiàng)綠色節(jié)能技術(shù)，在與暖通工程結(jié)合時(shí)，不僅有助于維護(hù)生態(tài)平衡，還可以有效控制地下水的開(kāi)采。然而，目前我國(guó)在水源熱泵技術(shù)應(yīng)用中存在回灌技術(shù)應(yīng)用不合理的問(wèn)題。受微生物生長(zhǎng)、氣泡堵塞等因素的影響，地下水資源很難實(shí)現(xiàn)全部回灌，從而對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。這些問(wèn)題不僅降低了水源熱泵系統(tǒng)的效率，還可能導(dǎo)致地下水系統(tǒng)受到破壞，整個(gè)暖通工程建設(shè)的效益大幅下滑。應(yīng)用不合理的回灌技術(shù)可能導(dǎo)致未能充分利用地下水資源，造成水資源浪費(fèi)。同時(shí)，由于系統(tǒng)未能達(dá)到預(yù)期的運(yùn)行效果，可能會(huì)引發(fā)更多的環(huán)境問(wèn)題，如地下水位下降、生態(tài)系統(tǒng)失衡等。因此，在水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用中，需要更加科學(xué)合理地制定回灌技術(shù)方案，克服微生物和氣泡堵塞等問(wèn)題，以確保系統(tǒng)高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，同時(shí)最大程度地減小對(duì)地下水系統(tǒng)和周邊環(huán)境的不良影響[5]。

4 暖通工程中水源熱泵技術(shù)的具體應(yīng)用

4.1 風(fēng)機(jī)、風(fēng)管的選擇和布置

在執(zhí)行風(fēng)機(jī)、風(fēng)管布置任務(wù)時(shí)，相關(guān)人員需要首先確定機(jī)組形式、機(jī)組容量以及風(fēng)道設(shè)計(jì)情況等內(nèi)容，并根據(jù)機(jī)外余壓數(shù)值確定風(fēng)管尺寸，并滿(mǎn)足具體的防火、防結(jié)露等要求。與此同時(shí)，工作人員還需要對(duì)送風(fēng)口、回風(fēng)口位置的合理布置，確保送風(fēng)量得到正確分配。更為重要的是，工作人員還需要根據(jù)建筑特點(diǎn)、建筑負(fù)荷特性等內(nèi)容，選擇最佳的機(jī)組容量。管理者可根據(jù)機(jī)組的具體運(yùn)行情況，應(yīng)用能效比更高的設(shè)備。

4.2 豎直埋管材料和深度的確定

在豎直埋管系統(tǒng)中，選擇合適的埋管材料和確定埋管的深度是至關(guān)重要的。針對(duì)埋管材料的選擇，塑料管是首選，因?yàn)槠渚哂袕?qiáng)大的耐腐蝕性、簡(jiǎn)單的加工過(guò)程和良好的傳熱性能。相比之下，金屬管可能受到腐蝕的影響，并且制造和安裝相對(duì)繁瑣。常用的塑料管材料包括高密度聚乙烯管和鋁塑管，它們能夠有效降低投資成本。在豎直埋管的管徑確定方面，有多種選擇，如DN20、DN25、DN32等，具體選擇應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目需求和性能要求來(lái)決定。埋管的深度需要根據(jù)具體的地質(zhì)條件確定，通常在20～200m的范圍內(nèi)施工。深度的確定可以考慮占地面積、鉆孔設(shè)備和成本等因素，以找到最經(jīng)濟(jì)有效的深度。如果地表土壤層較厚，降低了鉆孔成本，可以考慮選擇較深的豎直埋管；反之，如果土壤層較薄，可以選擇淺埋形式。控制埋管之間的間距也是關(guān)鍵，一般保持在5m以上，確保系統(tǒng)的熱交換效率。此外，要根據(jù)項(xiàng)目所在地的地質(zhì)和土壤傳熱能力進(jìn)行明確，以確保豎直埋管系統(tǒng)在不同地質(zhì)條件下都能夠穩(wěn)定高效地運(yùn)行。

4.3 系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化策略

根據(jù)水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，該系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的節(jié)能優(yōu)勢(shì)十分明顯。為此，相關(guān)人員應(yīng)做好初始供水溫度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了將該系統(tǒng)的實(shí)際節(jié)能效果展示出來(lái)，冷凍水供水溫度調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)以及旁通閥關(guān)閉實(shí)驗(yàn)開(kāi)展尤為重要。具體操作包括以下幾個(gè)步驟：首先，制定冷凍水供水溫度調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的供水溫度范圍應(yīng)集中在-1～2℃之間。一旦出現(xiàn)供水溫度超出極限值后，工作人員可借助壓縮機(jī)的開(kāi)啟和關(guān)閉進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果氣象數(shù)據(jù)具備相似性，系統(tǒng)在不同溫度下的運(yùn)行功率也能得到計(jì)算。其次，制定旁通閥關(guān)閉測(cè)試流程。相關(guān)人員可根據(jù)水源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，了解旁通閥開(kāi)啟和關(guān)閉之后，對(duì)主冷凍水中主供水溫度的影響情況。如果冷凍水主供水溫度處于控制范圍下限，壓縮機(jī)需做到自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)上述氣象數(shù)據(jù)得到后，旁路閥的開(kāi)啟以及關(guān)閉階段系統(tǒng)運(yùn)行效率同樣也能計(jì)算出來(lái)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行得到優(yōu)化后，可將供水溫度設(shè)定值處于較低狀態(tài)的情況規(guī)避，另外，如果外界溫度和變化趨勢(shì)能夠保持一致，冷凍水供水溫度也會(huì)由11℃提升到12℃。由于旁通閥啟閉對(duì)于循環(huán)水泵功耗會(huì)產(chǎn)生影響，當(dāng)系統(tǒng)在25Hz頻率下運(yùn)行3h之后，工作人員可將旁通閥關(guān)閉，保證累計(jì)耗電量能夠降低7kW·h左右。

4.4 在集中系統(tǒng)中的應(yīng)用

在水源熱泵技術(shù)應(yīng)用階段，集中暖通系統(tǒng)屬于最為理想的應(yīng)用場(chǎng)景，再加上水源熱泵技術(shù)與集中系統(tǒng)之間的相互結(jié)合，能夠?yàn)闊岜醚b置應(yīng)用提供更多保障。例如，在北方地區(qū)，供暖公司往往會(huì)集中開(kāi)展供暖服務(wù)，在確保設(shè)備以及各類(lèi)裝置合理安裝的前提下，熱泵裝置便能保持長(zhǎng)期的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過(guò)管道將熱能輸送給建筑物，預(yù)防間斷作業(yè)、供暖關(guān)系發(fā)生變化等問(wèn)題。更為重要的是，水源熱泵技術(shù)應(yīng)用，能夠讓水路、風(fēng)道等設(shè)置更加合理，工作人員也可以借助于集中暖通系統(tǒng)分析，規(guī)避供暖偏差、不能及時(shí)供暖等不良現(xiàn)象。

4.5 現(xiàn)場(chǎng)預(yù)組裝施工技術(shù)應(yīng)用

暖通工程施工現(xiàn)場(chǎng)，相關(guān)人員應(yīng)保證在U型管布設(shè)時(shí)，以預(yù)組裝方式為基礎(chǔ)。只有這樣，才能幫助人們對(duì)管材變形問(wèn)題進(jìn)行控制，還要確保布設(shè)U型管的位置具備較高的平整度，以水平布設(shè)為主，避免在外部受壓時(shí)出現(xiàn)明顯變形。對(duì)于U型管的堆放，其主體堆放高度不能超過(guò)2m。管件存儲(chǔ)方面，相關(guān)管理者也要做到成箱堆放。當(dāng)HDPE管進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)后，工作人員可利用彩布條將其覆蓋，避免HDPE管在陽(yáng)光直射下出現(xiàn)損壞。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著人們環(huán)保意識(shí)的提升，暖通工程水源熱泵技術(shù)應(yīng)用范圍得到了大幅拓寬，也正是在該項(xiàng)技術(shù)幫助下，能夠讓人們的制冷以及取暖需求更好的被滿(mǎn)足。從目前水源熱泵技術(shù)應(yīng)用角度來(lái)說(shuō)，所涉及到的運(yùn)行方式、系統(tǒng)配置等均會(huì)對(duì)該技術(shù)應(yīng)用效果產(chǎn)生影響，相關(guān)人員應(yīng)通過(guò)勘察設(shè)計(jì)，讓水源熱泵技術(shù)效果得到發(fā)揮，降低不利問(wèn)題出現(xiàn)的概率。