水源熱泵取水回灌技術(shù)研究應(yīng)用

賈銀勇

【摘要】現(xiàn)如今，國家鼓勵(lì)建筑節(jié)能技術(shù)進(jìn)步與引進(jìn)國外先進(jìn)的建筑節(jié)能技術(shù)，鼓勵(lì)發(fā)展太陽能、地?zé)岬瓤稍偕茉磻?yīng)用技術(shù)和設(shè)備及空調(diào)制冷節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品。文章對地源熱泵的三種形式進(jìn)行了分析，從理論方面進(jìn)行了論述，提出了讓地源熱泵和太陽能熱泵等熱泵結(jié)合的方法，并對地源熱泵優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展前景進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】水源熱泵；熱源井；取水回灌技術(shù)；應(yīng)用

一、地源熱泵的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

國外學(xué)者和企業(yè)對地源熱泵技術(shù)進(jìn)行了較早的研究和應(yīng)用，國外的相關(guān)發(fā)展歷程可分為三個(gè)階段：（1）瑞士人Zoelly早在1912年就提出了利用土壤作為熱泵熱源的設(shè)想。一直到二戰(zhàn)結(jié)束，地源熱泵才興起研究熱潮，但因?yàn)楫?dāng)時(shí)能源價(jià)格低廉，這一階段并沒有持續(xù)太長時(shí)間就結(jié)束了。（2）第二階段是在1973年“能源危機(jī)”出現(xiàn)之后，出于需求，歐美國家對于地源熱泵的研究達(dá)到高潮。在政府的支持下，美國多所高校和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成了一系列的實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)模擬并形成了現(xiàn)在的地源熱泵的理論基礎(chǔ)。（3）第三階段是在20世紀(jì)90年代之后，地源熱泵進(jìn)入了全面應(yīng)用的新時(shí)代，歐美國家全面推廣，地源熱泵成為了家用熱泵的主力。地源熱泵的應(yīng)用在歐美國家取得了良好的效果并已進(jìn)入成熟階段，截至2015年，地源熱泵的裝機(jī)容量占全球地?zé)岙a(chǎn)能的68.3%。

地源熱泵技術(shù)在我國的發(fā)展歷程呈現(xiàn)出“起步晚、增長快”的特點(diǎn)，2005年后進(jìn)入了高速發(fā)展階段。20世紀(jì)80年代以來，隨著改革開放后經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動(dòng)的建筑產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，建筑能耗增加，亟需尋找可再生能源以減輕傳統(tǒng)石化能源消耗引起的環(huán)境污染問題，國內(nèi)相關(guān)高校和企業(yè)開始關(guān)注地源熱泵技術(shù)。20世紀(jì)90年代，北京、上海、天津、重慶、山東等地高校研究人員對土壤源熱泵進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，論證了地源熱泵技術(shù)在我國實(shí)施的適宜性，是地源熱泵推廣應(yīng)用的重要依據(jù)。90年代中后期，地源熱泵技術(shù)開始大規(guī)模應(yīng)用于國內(nèi)的公共建筑和居住建筑。

二、水源熱泵熱源井取水回灌技術(shù)研究應(yīng)用

（一）地表水源熱泵

地表水源熱泵機(jī)組通過布置在水底的閉合換熱系統(tǒng)與江河、湖泊、海水等進(jìn)行冷熱交換。按照熱交換的原理，地表水源熱泵系統(tǒng)可以分為閉路、開路系統(tǒng)兩種形式。開路式系統(tǒng)在熱交換過程中地表水進(jìn)入熱泵設(shè)備內(nèi)部，因此開路式系統(tǒng)對地表水水質(zhì)要求較高。閉路式系統(tǒng)不同于開路式系統(tǒng)，熱交換過程中避免了地表水與熱泵設(shè)備的直接接觸。在大連、青島等城市均有采用海水源熱泵的建筑投入實(shí)際運(yùn)行中并在不斷探索研究中。不僅在建筑行業(yè)，交通、石油等行業(yè)也紛紛投入水源熱泵的建設(shè)應(yīng)用中。但這種地表水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)受到自然條件的限制，寒冷地區(qū)一般只采用閉路系統(tǒng)，在冬季北方地區(qū)應(yīng)用時(shí)需進(jìn)行防凍處理。而我國南方地區(qū)氣候溫暖，擁有眾多江河湖泊，為推廣地表水源熱泵提供便利。相比于其他兩種熱泵類型，地表水源熱泵的研究較少。

（二）地下水源熱泵

地下水源熱泵系統(tǒng)從水井或廢棄的礦井中抽取地下水作為熱源，利用熱泵技術(shù)，輸入少量高位電能，實(shí)現(xiàn)冷熱量由低熱能向高位能的轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到為用戶供熱或供冷的目的。地下水源熱泵系統(tǒng)在使用時(shí)具有一定局限性，適合于地下水資源充沛的地區(qū)，并且要得到當(dāng)?shù)刭Y源管理部門的允許才可以合理開采利用地下水。近幾年，地下水的水質(zhì)處理及地下水的回灌技術(shù)成為研究的主要內(nèi)容，一些城市專門成立了專家組來攻克有關(guān)地下水的研究課題。我國地下水源熱泵發(fā)展出現(xiàn)了地下水質(zhì)惡化和地下水超量開采的嚴(yán)峻問題，雖然地下水源熱泵并不是導(dǎo)致這個(gè)問題的主要原因，但也會(huì)加深這個(gè)問題的嚴(yán)重性。地下水作為珍貴的水資源，應(yīng)當(dāng)?shù)玫奖Ｗo(hù)和儲(chǔ)存，所以地下水源熱泵具有很大的限制性。但是在條件具備，100%回灌的前提下，還是因積極推廣使用。

（三）土壤源熱泵

土壤源熱泵利用了地下土壤溫度的穩(wěn)定性這一特點(diǎn)。10m以下的土壤溫度全年保持在12℃～20℃的恒溫，相對于地上溫度變化幅度小。土壤源熱泵除了室外管路系統(tǒng)，還有熱泵工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)和室內(nèi)空調(diào)管路系統(tǒng)為主要組成部分。它的工作原理是：冬天，從地下土壤吸取熱量輸送到地上為用戶進(jìn)行供暖；夏天，吸收室內(nèi)熱量輸送到地下再釋放到土壤中，這樣可以保證土壤溫度保持平衡，減小對地下土壤的破壞程度，也避免了污染室外空氣。土壤源熱泵有水平埋管、垂直埋管和螺旋型埋管三種埋管方式。水平埋管形式適用于有足夠空間的場所，埋管深度在1.2m～3m之間，采用單層或多層串、并聯(lián)水平平鋪埋管方式，水平埋管安裝方便、投入低，但相對來說它的應(yīng)用效果差，不僅占用面積大還會(huì)在很大程度上受到地面溫度的影響。垂直埋管形式適用于10m～100m深度的U形垂直埋管或套管，該類型占地面積小，地下溫度穩(wěn)定不易受影響，熱泵效果運(yùn)行良好，但初投資過高。螺旋型埋管結(jié)合了水平埋管和垂直埋管的優(yōu)勢，解決了占地面積大和造價(jià)高的問題，但螺旋型埋管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易施工，后期維護(hù)困難，且系統(tǒng)運(yùn)行阻力大。

三、結(jié)語

綜上所述，由實(shí)際數(shù)據(jù)測試可得，采用新型井水回灌技術(shù)后，通過對比供、回水井的流量、壓力、水位，回灌井的抽回比可達(dá)100%，能夠保證系統(tǒng)高效長時(shí)間的運(yùn)行。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過利用高效沉淀過濾器，可以有效避免回地源熱泵系統(tǒng)還有巨大的發(fā)展空間和發(fā)展前景，發(fā)展地源熱泵也是勢在必得的事情，地源熱泵技術(shù)的完善也有利于節(jié)能減排和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。