探討水源熱泵在供熱空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉 艦 董傲霜

(遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

0 引言

目前水源熱泵技術(shù)在我國建筑工程領(lǐng)域的供熱與空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，并且伴隨著國家經(jīng)濟地迅猛發(fā)展我國建筑使用能耗在逐年增加，因此節(jié)約常規(guī)化石類能源利用和開發(fā)可再生能源就顯得尤為重要，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為如今從事建筑行業(yè)人士最為關(guān)心的問題之一，水源熱泵技術(shù)恰恰具有節(jié)能、高效、低碳環(huán)保、運行穩(wěn)定、費用較低、冷熱兼用等優(yōu)點適應(yīng)了當(dāng)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(zhì)電能等為代價可同時向建筑供熱、供冷、供熱水的新型空調(diào)系統(tǒng)形式。水源熱泵技術(shù)雖然具有很大的發(fā)展前景和諸多優(yōu)點，但同時也存在有特定建筑是否具備使用熱泵技術(shù)的水源地質(zhì)條件和地下水回灌技術(shù)是否達(dá)到技術(shù)要求等一些問題，這就需要從事本專業(yè)的教學(xué)科研、勘察設(shè)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(dāng)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(jìn)行和人民生活水平的顯著提高，夏季空調(diào)的擁有率快速的增加，根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計：全國城鎮(zhèn)空調(diào)的擁有率已達(dá)20%，北京、上海、廣州等一線城市空調(diào)的擁有率已高達(dá)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(jìn)步發(fā)展必然導(dǎo)致各類一次性常規(guī)能源的大量消耗，環(huán)境污染和能源利用已經(jīng)成為了全世界各國共同面臨的主要社會問題。其中用于發(fā)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(jīng)濟發(fā)達(dá)國家中用于建筑供熱和空調(diào)能耗約占社會總能耗的1/3以上。當(dāng)今在我國建筑能源結(jié)構(gòu)中煤炭消耗量仍占有很大比重，燃煤發(fā)電量約占全國總發(fā)電量的一半以上，況且每年供熱用煤CO2排放量多達(dá)1.9億m3，SO2排放量達(dá)到300 t以上，可以看出供熱空調(diào)消耗了巨大的礦產(chǎn)資源而且會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染與破壞。因為煤炭為代表的非可再生常規(guī)能源貯存量非常有限終會枯竭，在過去幾十年我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程中由于人們毫無限制地使用大量傳統(tǒng)常規(guī)能源，勢必造成不可再生資源的巨大浪費和城鎮(zhèn)人們生活居住環(huán)境逐漸惡化。尤其是在我國三北地區(qū)民用建筑冬季采暖期漫長，供熱工程通常是以燃煤大區(qū)域鍋爐房為主、燃油、燃?xì)庑⌒湾仩t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(chǎn)生的酸雨破壞人們居住和自然生態(tài)環(huán)境，因此常規(guī)礦石燃料產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是導(dǎo)致環(huán)境污染和自然災(zāi)害的原因之一。尤其是20世紀(jì)70年代西方主要發(fā)達(dá)國家都經(jīng)歷了石油危機，嚴(yán)重制約了當(dāng)時世界經(jīng)濟地快速發(fā)展，使人們認(rèn)識到節(jié)約能源的重要性，可以說建筑節(jié)能是當(dāng)今世界大趨勢和重大戰(zhàn)略問題，也是現(xiàn)代建筑科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個基本方向。建筑節(jié)能不僅有利于生態(tài)環(huán)境的改善，反過來也會促進(jìn)社會經(jīng)濟發(fā)展。為了使我國建筑業(yè)長遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展，我們必須有效合理地利用好現(xiàn)有的不可再生能源同時，積極努力開發(fā)新能源技術(shù)。

2 水源熱泵機組系統(tǒng)運行特點

2.1 水源熱泵機組工作原理及系統(tǒng)組成

所有熱泵機組都是按照逆卡諾循環(huán)原理進(jìn)行工作，其主要由蒸發(fā)器、冷凝器、制冷壓縮機、節(jié)流閥四大部件等構(gòu)成的一種高效能量轉(zhuǎn)換裝置。制冷循環(huán)過程如下：首先氣態(tài)制冷劑經(jīng)過壓縮機加壓后，進(jìn)入冷凝器中冷凝液化放熱，而后經(jīng)過節(jié)流膨脹裝置降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器中不斷吸熱氣化蒸發(fā)，最后氣態(tài)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(xiàn)低品位能量向高品位能量轉(zhuǎn)移往復(fù)循環(huán)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(nèi)余熱吸收轉(zhuǎn)移到地下水源中去(節(jié)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(zhuǎn)換從中吸取熱量，通過空氣—水或水—水熱泵機組向室內(nèi)建筑物供熱，使水源熱泵機組實現(xiàn)對建筑物夏季空調(diào)制冷冬季供熱功能。水源熱泵系統(tǒng)主要由三大部分組成：即地表取水構(gòu)筑物(深水井、回灌井等)、熱泵機組設(shè)備和末端空氣處理裝置。整個機組外循環(huán)水系統(tǒng)是經(jīng)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(wǎng)連接而成。水源熱泵機組根據(jù)所利用的水源水側(cè)換熱器外循環(huán)方式的不同可分為閉式和開式兩種形式。開式系統(tǒng)是指直接利用較為清潔的河流、湖泊水或地表深井水后，經(jīng)過熱泵機組水側(cè)換熱器后直接排放到周邊水體環(huán)境中，可見這種系統(tǒng)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(tǒng)形式。閉式系統(tǒng)形式較為復(fù)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(tǒng)運行的主要優(yōu)點

首先應(yīng)用水源熱泵技術(shù)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(jìn)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(dāng)于是一個太陽能集熱器，可見水源熱泵本質(zhì)上是利用太陽能作為動力來源從而進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)換的供熱、空調(diào)制冷技術(shù)，所以水源熱泵利用的是可再生清潔能源同時其環(huán)保效果顯著，夏季空調(diào)不需要傳統(tǒng)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(diào)中應(yīng)用節(jié)約常規(guī)能源主要體現(xiàn)在一機多用上，夏季可以利用其空調(diào)供冷、冬季可以利用其供熱采暖，在過渡季節(jié)還可以利用其設(shè)備向建筑供給生活用熱水，從而減少了系統(tǒng)全年運行費用和設(shè)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(tǒng)更加平穩(wěn)運行。

2.3 水源熱泵機組系統(tǒng)運行的主要缺點

首先由于在我國一些地區(qū)地下水的水質(zhì)較差，水源熱泵機組實際運行過程中有時會出現(xiàn)淺層地表水或深井地下水根本沒有經(jīng)過適當(dāng)水處理過程就直接應(yīng)用到機組中去，水源熱泵機組水管路系統(tǒng)中就可能會存在一些微生物或污泥雜質(zhì)，所以在熱泵系統(tǒng)工作過程中容易出現(xiàn)進(jìn)水管路堵塞、腐蝕、結(jié)垢等問題，從而加大了系統(tǒng)運行能耗，將必然導(dǎo)致熱泵機組能效比、熱效率降低，減少機組設(shè)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(zhì)狀況造成不同程度影響破壞，回灌技術(shù)不成熟有時還會出現(xiàn)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(tǒng)的鉆井、回灌、日常運行及保養(yǎng)問題；最后還應(yīng)明確水源熱泵技術(shù)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(zhì)、溫度)，以及建設(shè)單位能夠負(fù)擔(dān)的開采和日常使用費用，何況地下水資源分布和水質(zhì)情況在我國南北各地差別都是很大的，同一地區(qū)不同地質(zhì)狀況的水源地水質(zhì)情況也不近相同，所以是否具有適合熱泵供熱空調(diào)實際工程的水源地成為水源熱泵技術(shù)應(yīng)用中存在的一個現(xiàn)實問題，我們應(yīng)該很好地解決它。

3 水源熱泵技術(shù)在建筑供熱空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)狀

水源熱泵技術(shù)在我國建筑供熱空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用已有多年，經(jīng)過工程技術(shù)人員不斷探索努力，從理論、設(shè)計、施工調(diào)試到運行管理都積累了諸多經(jīng)驗，成功的案例有很多，但從大規(guī)模推廣來看還存在著發(fā)展不均衡和地域性差別等問題。由于我國地域遼闊而地質(zhì)條件千差萬別，還存在地域文化背景不同，各地社會經(jīng)濟發(fā)展程度不均衡，這樣就會造成當(dāng)前我國水源熱泵技術(shù)應(yīng)用中存在一些功利性、盲目性問題。還有我國水源熱泵技術(shù)利用與開發(fā)往往沒有深入考慮建筑物由于所處區(qū)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(yōu)點(可以用于對建筑冬季物供熱而夏季空調(diào))而忽略了環(huán)境問題和綜合建筑能耗因素，另外由于一些從事本專業(yè)的設(shè)計工程師理論水平較低、工程經(jīng)驗缺乏，經(jīng)常出現(xiàn)本來不太適合的我國南方某些地區(qū)應(yīng)用較多，反而最適合全年綜合使用的我國北方地區(qū)應(yīng)用較少的現(xiàn)狀。當(dāng)今水源熱泵作為環(huán)保節(jié)能新技術(shù)在全社會得到了大家普遍關(guān)注，可是水源熱泵技術(shù)在供熱空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用終究是不是真的環(huán)保與節(jié)能，還有待于實際工程進(jìn)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(zhì)至少要等于原淺層地下水的水質(zhì)，這樣做才不會破壞原水源水質(zhì)狀況而造成地下水環(huán)境污染，當(dāng)機組設(shè)備連續(xù)正常工作期間確?；毓嗨乃|(zhì)始終達(dá)到技術(shù)要求還需要從業(yè)人員共同努力，同時水源熱泵回灌技術(shù)受不同的水文、地質(zhì)等條件的限制，應(yīng)當(dāng)具體情況具體分析，熱泵系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)存在著不可逆性。還有環(huán)境污染問題并不是在短時間內(nèi)馬上就可以被人們所感知覺察，人們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)等活動對環(huán)境造成的影響，經(jīng)常經(jīng)歷了幾十上百年漫長的時間才逐漸地被人們發(fā)現(xiàn)及認(rèn)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(zhuǎn)不間斷地向地下取水，會使地下含水層分布狀況發(fā)生一些改變，況且回灌技術(shù)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(dǎo)致地下含水層水量不均勻、不穩(wěn)定等現(xiàn)象發(fā)生，長期以往會對地下水的水質(zhì)造成一些影響破壞，若干年后還可能會發(fā)生取水構(gòu)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(shù)，進(jìn)一步加強設(shè)備運行管理，保障回灌過程順利實現(xiàn)，才不會對地下水及周邊環(huán)境產(chǎn)生污染，在某些水源熱泵工程中甚至出現(xiàn)將尾水直接泄入市政排水管網(wǎng)中，而不進(jìn)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(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，將直接影響人們正常生存環(huán)境。以上這些都是對水源熱泵技術(shù)在我國建筑供熱空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)狀所做的分析與探討。

4 結(jié)語

目前水源熱泵技術(shù)在我國建筑供熱空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)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(hù)費用，由此可見水源熱泵在國家提倡環(huán)保低碳、構(gòu)建節(jié)約型社會大背景下是具有一定應(yīng)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(shù)更不能離開嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的工作態(tài)度，在看到水源熱泵技術(shù)自身優(yōu)點同時還必須要看到其技術(shù)上的缺陷和不足，切忌不顧本地區(qū)實際情況盲目跟風(fēng)操作，所以在水源熱泵技術(shù)應(yīng)用評估期間，應(yīng)事先做好當(dāng)?shù)赝寥赖刭|(zhì)、水源狀況等勘察調(diào)研工作，最后經(jīng)過多方面探討分析在確保環(huán)保與節(jié)能前提下才可以適當(dāng)推廣應(yīng)用。