【正文】 127 附錄 F 水源熱泵中央空調(diào)回灌技術(shù)的推廣 簡介：在未來的幾年中，中國面臨著巨大的能源壓力。一方面，中國的經(jīng)濟要保持較高速度的增長，另一方面，又必須考慮環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展問題。所以要求提高能源利用效率，要求能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。 關(guān)鍵字：水源熱泵 ,中央空調(diào) ,能源結(jié)構(gòu)調(diào)整 在未來的幾年中，中國面臨著巨大的能源壓力。一方面，中國的經(jīng)濟要保持較高速度的增長，另一方面，又必須考慮 環(huán)保 和可持續(xù)發(fā)展問題。所以要求提高能源利用效率，要求能源 結(jié)構(gòu) 調(diào)整。 目前隨著我國住宅市場化改革，新建商品住宅小區(qū)飛速發(fā)展，隨著城市環(huán)境問題的日益重視和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，沈陽地區(qū)新建小區(qū)一般就不再運行采用燃煤鍋爐房供熱，何種方式可以經(jīng)濟、清潔地解決這些新建小區(qū)的供熱問題成為目前住宅建設(shè)中的大問題。另一方面，近年來我國住宅空調(diào)安裝率迅速增長。沈陽居民住宅空調(diào)擁有率已超過 20％，并且目前家用空調(diào)擁有率仍在飛速增長，很可能成為冰箱、彩電后迅速普及的又一種家電。這樣，住宅環(huán)境就不再僅僅是采暖問題，而是要統(tǒng)一考慮采暖和空調(diào) 的需求。為此，采用深井回灌的水源熱泵方式可能成為滿足這種需求的住宅供熱、制冷空調(diào)方式。 一、水源熱泵技術(shù)的概念和工作原理 水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽能和地熱能而形成的低溫低位熱能資源，并采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。 地球表面淺層水源如深度在 1000 米以內(nèi)的地下水、地表的河流和湖泊和海洋中，吸收了太陽進入地球的相當?shù)妮椛淠芰浚⑶宜吹臏囟纫话愣际址€(wěn)定。水源熱泵機組工作原理就是在夏季將 建筑 物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中，由于水源溫度低，所以可以高效地帶 128 走熱量，而冬季，則從水源中提取能量，由熱泵原理通過空氣或水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中。 下圖為水源熱泵系統(tǒng)的基本原理。地下水從深井 1 中抽出進入板式熱交換器 3，與樓內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)的水換熱后，再通過深井 2 排到地下。循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)住宅樓內(nèi)管網(wǎng)送入各戶，經(jīng)各戶的水源熱泵產(chǎn)生熱水（冬季）或冷水（夏季）送入末端裝置，滿足供熱或空 調(diào)的要求。 深井回灌水源熱泵原理圖 圖中同時標出 設(shè)計 工況下各處冬季 (夏季 )的溫度。從圖中可看出，這種方式在冬季是間接地利用地下水作為媒介，取地下深層砂、石的熱量作為各戶熱泵的熱源向戶內(nèi)供熱，同時將建筑物中取得的冷量排入地下。而在夏季則通過地下水作為媒介，以它作為各戶熱泵的冷卻水，同時將建筑物產(chǎn)生的熱量排入地下。這樣冬季從地下取熱存冷，夏季取冷存熱，若建筑物冬季供熱量與夏季供冷量差不多，則一年內(nèi)地下基本熱平衡，未取出或存入熱量，不會造成地下的熱污染。同時，由于冬季地下水溫度遠比室外空氣溫度高，因 此冬季熱泵效率比空氣 水熱泵高，并且不存在結(jié)露等問題。夏季則以 12～ 26℃ 為制冷機的冷卻水，可以得到很高的 COP，甚至在某些情況下可直接用此水作為冷源進行空調(diào)，而不用開啟水源熱泵。由于地下水通過換熱器 3 換熱后排回地下，僅僅利用了地下水的冷量（熱量），而不消耗一滴水資源，地下水的整個流程都不與空氣接觸，因此也不會造成地下水資源的污染。 129 二、水源熱泵中央空調(diào)技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展動態(tài) 水源熱泵技術(shù)（以下簡稱 GWHP）的提出始于英、美兩國，美國從 20 世紀 30 年代即開始應用。 1948 年俄勒岡州的一位工程師 Krocker 開創(chuàng)了水源熱泵在商用建筑中的應用。 20世紀 50 年代歐洲出現(xiàn)了利用 GWHP 的第一次高潮。由于當時能源價格低，這種系統(tǒng)缺乏經(jīng)濟競爭力，而未得到推廣。隨著近十幾年來，尤其是近五年來，能源價格的提高， GWHP 在北美如美國、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發(fā)展，據(jù) 1999 年的統(tǒng)計，為家用的供熱裝置中， GSHPs 所占比例，瑞士為 96％，奧地利為 38％，丹麥為 27％。 中國早在 50 年代，就曾在上海、天津等地嘗試夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，天津大學熱能研究所呂燦仁教授就開展了我國熱泵的最早研究， 1965 年研制成功國內(nèi)第一臺水冷式熱泵空調(diào)機。目前，國內(nèi)的清華大學、天津大學、重慶大學、天津商學院、山東建工學院、中國科學院廣州能源研究所等多家大學和研究機構(gòu)都在對水源熱泵進行研究。其中清華大學經(jīng)過多年在多工況水源熱泵的研究已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化的成果，已建成多個示范工程?？梢灶A計，該項技術(shù)將會成為 21 世紀最有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)。 三、水源熱泵技術(shù)在沈陽地區(qū)推廣的優(yōu)越性 水文地質(zhì)條件適宜 水源是應用水源熱泵的前提，水源系統(tǒng)的水量、水溫、水質(zhì)和供水穩(wěn)定性是影響水源熱泵系統(tǒng)運行效果的重要因素。 沈陽整個城 區(qū)地處渾河沖洪積平原上，含水層主要為粗砂、圓礫及卵石，地下水資源含量豐富，隨著近幾年保護地下水資源力度加大，加上工廠向郊區(qū)遷移，沈陽地下漏斗區(qū)已經(jīng)基本消除?，F(xiàn)在，地下水水位在 5060m 之間，埋深 513m。水溫冬夏恒定保持在 12℃ ，PH 值在 之間，地下水水質(zhì)在全國水資源評價中為優(yōu)。沈陽城區(qū)這種獨特的水文地質(zhì)條件，在全國是絕無僅有的，滿足水源熱泵系統(tǒng)運行時對水源 “ 水量充足，水溫適度，水質(zhì)適宜，供水穩(wěn)定 ” 的要求，適合水源熱泵系統(tǒng)在沈陽大范圍的推廣。 水源熱泵技術(shù)在 建筑 領(lǐng)域中應用的優(yōu)越性 130 水源熱泵作為一種新型的供暖制冷技術(shù)，越來越受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，其在建筑領(lǐng)域中的優(yōu)勢有以下幾個方面： ① 較低的能量消耗。地源熱泵最大的優(yōu)勢是與常規(guī)供熱和制冷空調(diào)系統(tǒng)相比少消耗電能。在適宜的條件下比空氣熱泵系統(tǒng)節(jié)省能源 40%以上，比電采暖 節(jié)能 70%以上。 ② 改善了建筑外觀。由于沒有室外壓縮機或冷卻水塔，因此破壞建筑外觀的可能性大為降低或消除。 ③ 較低的環(huán)境影響。比較燃煤鍋爐 CO2 排放量與用相同燃料產(chǎn)生電驅(qū)動所排放的 CO2量，可減少 30%50%，在環(huán)保中將發(fā)揮很大的作用。 ④ 占地面積少。同燃煤鍋爐房相比，占地面積可減少一半以上，若將熱泵機組放到地下，則不占用地上空間。 四、水源熱泵技術(shù)在沈陽地區(qū)應用及存在的問題 水源熱泵技術(shù)是從 1998 年引入沈陽地區(qū)的，比較早的有東電宿舍樓、沈 陽自動化所、遼寧科技大廈、醫(yī)大二院等，供暖制冷面積大的 10 萬 m2 以上，小的只有 2020m2。比較典型的是沈陽自動化研究所，該所建筑面積 萬 m2， 1999 年引入水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)用以替代原有的 2 臺燃煤鍋爐。 2020 年，冬季供暖 152 天，夏季制冷 100 天。全年運行費用為 元 /m2。全年采暖及制冷節(jié)約費用 7 萬元。 通過考察近幾年來沈陽市水源熱泵的建設(shè)和運行情況來看，由于引進的熱泵機組都是比較成型的技術(shù)，在運行效率及維護保養(yǎng)方面都能夠到達要求。但作為熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一的井群方面，回灌和成井 工藝上還存在諸多問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 一是在 設(shè)計 抽、灌井間距時通常參照地源熱泵生產(chǎn)廠家的經(jīng)驗值，忽略了不同地貌單元的水文地質(zhì)因素，井間距設(shè)計過大，對于高密度住宅小區(qū)或城區(qū)商用建筑應用深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)來說，由于可利用建筑用地的面積限制，井群無法布置，嚴重影響了水源熱泵系統(tǒng)在沈陽的推廣使用。如醫(yī)大二院水源熱泵空調(diào)井間距過大，回灌井數(shù)量達不到要求，機組運行時，水回灌不下去。沈陽 市自動化所也因回灌井無法布開，導致部分建筑無 131 法利用水源熱泵供暖。還有部分用戶為解決回灌問題，直接將水排入下水管道，沒有回灌入地下，浪費了大量的地下水資源。 二是成井工藝落后，成井質(zhì)量不好，不僅影響井的壽命，還影響到取水和回灌效果，最終影響水源熱泵正常工作和制熱或制冷效果?，F(xiàn)在沈陽的成井工藝仍然延續(xù)多年前的做法，回灌井采用鋼筋骨架纏絲包網(wǎng)式濾管。這種濾管在使用一段時間以后，作為纏絲的鐵線嚴重銹蝕，管井被阻塞，導致回灌井的回灌系數(shù)、使用壽命都有所下降，制約了熱泵技術(shù)的推廣。 五、我公司解決水源熱泵回灌及成井 工藝問題的研究 抽、灌井群間距的研究 由于向地下回灌比取水要困難，因此，可行的方案為打三口井，一口取水，兩口回灌，即抽水井與回灌井的數(shù)量比為 1： 2。在回灌時，為避免回灌井對抽水井 “ 熱貫通 ” 影響，保持抽水井水溫恒定，三口井間要保證足夠距離，通常為 100m 以上。若三口井布置為如下圖所示邊長為 100m 的等邊三角形，抽、灌水量為 100m3/h，按熱泵 機組運行時，供暖（制冷時需水量要少） 10000m2 需水量 100m3/h 計算，則在此場區(qū)內(nèi)用地源熱泵供暖、制冷的 建筑 面積為 10000m2。 我公司根據(jù)沈陽地區(qū)的水文地質(zhì)條件，參考國內(nèi)外有關(guān)研究成果，通過具體工程實踐，認為抽、灌井間距縮短到 60m 是完全可行的，如國府肥牛熱泵抽灌井間距為 50m，運行情況良好，未出現(xiàn)抽灌井 “ 熱貫通 ” 現(xiàn)象。地王國際花園抽、灌井群最小間距為 60m。這樣同樣是在邊長為 100m 的等邊三角形區(qū)域內(nèi)，可以布設(shè)取水井 2 眼，回灌井 4 眼，能夠為 132 20200m2 的建筑面積采暖、制冷。也就是在同樣的場地上，最大限度的增加布設(shè)井數(shù)，解決了由于場地限制因素導致熱泵系統(tǒng)無法應用的問題。同時，因為抽、灌井間距縮短 ，增加了單井回灌量。 成井新材料新工藝的研制開發(fā) 我公司根據(jù)沈陽地區(qū)的水文地質(zhì)條件，研制出鋼筋骨架包塑料板纏絲包網(wǎng)式濾管成井新工藝，該種濾管的優(yōu)點是耐腐蝕，能延長管井使用壽命，重量輕，其規(guī)格與性能均能滿足粗、細顆粒含水層成井之用。與硬質(zhì)塑料濾水管相比，最大的優(yōu)越性就是強度高，能夠抵擋住回灌時強大的過水沖擊力。 經(jīng)過近幾年實驗及工程實踐證明，此技術(shù)可以極大的提高井的使用壽命，也得到了水源熱泵空調(diào)用戶的認可，地王國際花園、東大智慧鑫園都指定用我們的技術(shù)。利用這次機會，我們將進一步研究這種濾管的熱 傳導性能及滲透能力，并申請專利，促進這項技術(shù)在沈陽的推廣使用。 六、水源熱泵技術(shù)在沈陽的推廣應用 水源熱泵技術(shù)在沈陽推廣的意義 ① 節(jié)能 、運行費用低 由于水源熱泵是以水作為熱源和供熱介質(zhì)的供熱制冷技術(shù)。在運行時，將地下水熱能經(jīng)水源熱泵機組交換熱量后排出再注入地下含水層中去，回灌儲能，以地下水作為冷熱源，冬灌夏用，夏灌冬用。在這一過程中只消耗很 少的電能。其制冷、制熱系數(shù)可達 ～ ，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出 40%左右，其運行費用為普通中央空調(diào)的 50～ 60％。水源熱泵與鍋爐（電、燃料）和空氣源熱泵的供熱系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢。鍋爐供熱只能將90%~98%的電能或 70～ 90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用，因此水源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量； ② 環(huán)保 133 在中國的傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)概念中，由于國家的經(jīng)濟發(fā)展狀況和政策的影響，在相當長的時期中，北方一般以燃煤鍋爐解決冬季取暖問題。水源熱泵在運 行時，只是通過地下水的抽取與回灌提取熱能，在整個抽灌過程中，管道是全封閉的，不會對地下水造成污染。比較燃煤鍋爐 CO2 排放量與用相同燃料產(chǎn)生電驅(qū)動所排放的 CO2 量，可減少 30%50%，在環(huán)保中將發(fā)揮很大的作用。 推廣水源熱泵技術(shù)的應用前景 ① 強調(diào)節(jié)