地源热泵空调系统及其在某地区的应用

摘要：地源热泵是一项新兴的节能环保、可再生能源利用技术,本文回顾了地源热泵空调系统在国内外的发展和应用情况,介绍了地源热泵空调系统在湖北武汉地区的工程应用实例,并就地源热泵空调系统设计和实际工程应用中应注意的问题进行了阐述和探讨。
关键词：地源热泵 节能 工程应用
　　1 地源热泵应用概况
　　地源热泵（GSHPS）是一个广义的术语，它包括了使用土壤、地下水和地表水作为热源和热汇的系统，即地下耦合热泵系统（ground-coupled heat pump systems, GCHPS），也叫地下热交换器地源热泵系统（ground heat exchanger）;地下水热泵系统groundwater heat pumps, GWHPS）;地表水热泵系统（surface water heat pumps, SWHPS）。
　　1.1 国外发展情况
　　地源热泵系统由于采用的是可再生的地热能，因此被称之为：一项以节能和环保为特征的21世纪的技术。这项起始于1912年的技术（瑞士提出的一个专利，该技术的应用始于英、美两国），美国从1946年开始对GSHP系统进行了十二个主要项目的研究，如地下盘管的结构形式、结构参数、管材对热泵性能的影响等。并在俄勒冈州的波特兰市中心区安装了美国第一台地源热泵系统。
　　特别是近十年来地源热泵在欧美工业发达国家取得了迅速的发展，已成为一项成熟的应用技术。到2000年底，美国有超过40万台地源热泵系统在家庭、学校和商业建筑中使用，每年约提供8000~11000Gwh的终端能量。
　　地源热源在工程上的应用主要为地下耦合热泵系统（GCHPS）和地下水热泵系统（GWHPS）、地表水热泵系统（SWHPS）。
　　1.2 国内发展应用情况
　　1.2.1能源消费现状
　　到2040年，我国一次能源的总消费量将达38.6亿吨标准煤，是现在能源消费量的3倍。而到本世纪末，国内每年最多可供应的一次能源生产量为32亿吨标准煤。因此，我国今后较长期的能源消费年均增长率应控制在2.5%左右，直到2040年能源消费实现零增长目标。
　　我国已探明的能源总体储量，煤炭储量约占世界储量的11%，原油占2.4%，天然气仅占1.2%，我国人口约占世界人口的20%，人均能源占有量不到世界平均水平的一半。我国是煤炭大国，但世界七大煤炭大国中其余六国的的储量比都在200年以上，只有我国的储量不足百年。石油的储量比为四十年，并且中国石油、天然气的平均丰度值也仅为世界平均水平的57%和45%。
　　面对如此严峻的能源形势，国家总的能源政策还是节能和新能源开发、再生能源利用并重，因此，地源热泵技术的推广应用在我国具有极大的现实意义和广阔的发展前景。
　　1.2.2地源热泵应用情况
　　地源热泵空调系统的设计，主要包括两大部分：一是建筑物内的水环路空调系统的设计；二是地源热泵空调系统的地下部分的设计，即地下耦合热泵系统的地下热交换器、地表水热泵系统的地表水热交换器、地下水热泵系统的水井系统的设计。
　　地下耦合热泵系统最早应用在89年10月投入运行的上海闵行开发区办公楼（4305m2，冷负荷4532KW，热负荷231KW），其技术和设备均由美国提供，使用情况良好。135个深35米的垂直竖管井,埋管为聚丁烯管。国内的大专院校均进行了相关的垂直或水平埋地管的试验研究和小型的工程应用,并建立了地埋管的传热模型。各地的地质条件不同，土壤的温度和热物性参数都不一样，因此，地下耦合热泵的应用还有待进一步的实验验证和实验数据的积累。
　　地表水热泵系统：地表水温度受气候的影响较大,与空气源热泵类似,武汉东湖等浅水性湖泊夏季水温高于湿球温度，无利用价值，冬季水温略高于气温，可用作热源水。实测数据表明宁波奉化江水7M深31.2℃，珠江底层31.8℃，江水热污染很厉害，利用价值不大。可利用长江水作为地表水热泵系统的热源，但冬季江水水位很低，从取水的经济性及防洪角度考虑，实际利用还是极难的。
　　地下水热泵系统：综合上述情况可以看到，目前在我国来说，技术上比较成熟、利用可行性较大、实施的工程项目较多的还是地下水热泵系统。目前国内生产水源热泵机组的厂家也已达到二、三十家。因为国内还没有颁布水源热泵机组的生产技术标准，国内厂家生产的产品质量差别较大，从有些厂家的产品样本来看，技术参数不完整、不准确。因为很多生产厂家没有实测手段，采用水源热泵机组所需要的很多数据不能提供，甚至不排除某些技术力量差的厂家根本就没有弄清楚水源热泵机组和常规冷水机组的技术差异，直接就拿常规冷水机组来作为水源热泵机组推销到市场。目前就笔者所接触到的厂家来看，只有一家国外公司能够提供专用电脑软件选型数据，可以根据设计工况选择合理和可信的机组配置和各种性能数据。
　　2 地源热泵在武汉地区的应用
　　2.1 地下水源热泵工程实例
　　2.1.1地下水源热泵在湖北工程应用最早的一家是位于荆州沙市的法雷奥汽车空调有限公司，采用的是西亚特LWP1800（545KW）螺杆水一水热泵机组2台，LGP350一台（110KW），总制冷量是1200Kw，供应一个车间（5000m2）和办公部分（900m2）, 因取水量的限制取水井为一口50m3/h的井，制冷时另加一台冷却塔进行补充。制热时因车间本身设备散热量较大，一口井取水完全能够满足供暖需要。夏季井水18.5℃，冬季17.8℃。2000年9月开始运行。
　　2.1.2位于汉口循礼门的天与地音乐城，建筑面积5000m2,采用的是意大利克莱门特活塞式水源热泵机组WRHH1202两台，总制冷量是720Kw，总制热量是750Kw（其中供暖450Kw，利用热回收系统供生活热水300Kw）。打两口井，一抽一灌，回灌在90%左右，井深47m，冬季出水20.5℃，取水量60m3/h。冬季运行机组升温很快，2小时不到机组供水温度即可达到45℃以上。2002年6月开始运行。
　　2.1.3武汉凌云科技集团综合厂房，总建筑面积11000m2, 其中4000m2办公，7000m2生产厂房。选用法国西亚特螺杆式水源热泵机组LWP2500二台，总制冷量1440Kw，制热量1900Kw，打井4口，每台机组2口，一抽一灌。2002年10月开始运行。
　　2.1.4汉口香港路香榭里花园4万米2，总制冷量3200Kw，总制热量2500Kw。设计选用克莱门特螺杆水源热泵机组BE/SRHH2702三台，制冷时冷冻水7/12℃，地下水18/32℃；制热时供暖水40/50℃，地下水18/8℃。打井由武汉地质工程勘察院承担，每口井取水量80m3/h, 先打试验井，一抽一灌，取得实验数据，进行详细周密的计算和水文地质分析。设计三口取水井，五口回灌井，每口井回灌60%，分析计算认为三口井同时抽水，五口井同时回灌时，场地南侧地水水位有不到1m的下降，其它部位下降均小于0 .5m；南侧的地面沉降有1cm，其它部位地面沉降小于0.5cm；大部分场地的不均匀沉降小于0.2‰，不致于对地质构成不良性的影响和影响建筑物的正常使用。2002年11月开始运行。
　　2.1.5汉口东西湖武汉航达公司厂房综合楼，建筑面积18000米2，采用克莱门特螺杆水源热泵机组BE/SRHH2702两台，设计六口取水井，六口回灌井，每口井取水量20m3/h。2003年9月开始运行。
　　2.1.6汉口百步亭花园小区综合楼，建筑面积21000米2，采用西亚特螺杆式水冷冷水机组LWP2800一台, 螺杆式水源热泵机组LWP1400两台，涡旋式水源热泵机组LGP100一台,冰球配置105 m3。本工程是由冰蓄冷系统和水源热泵系统合而为一的独特的空调系统,具有削峰填谷和节能环保的双重意义。2004年11月开始运行。
　　2.1.7湖北大学图书馆，建筑面积42000米2，采用克莱门特螺杆水源热泵机组BE/SRHH3602三台，总制冷量3850KW,总供热量3100KW。设计三口取水井，六口回灌井，每口井取水量120m3/h。根据场地条件尽量拉大取水井的间距,在部分负荷状态下,尽可能用足地下水温差,减少用水量。2004年11月开始运行。
　　2.1.8汉口福星惠誉办公综合楼，建筑面积10000米2 。采用西亚特公司螺杆式水源热泵机组LWP1800两台。总制冷量1090KW,总供热量850KW。设计两口取水井，四口回灌井，每口井取水量80m3/h。2003年11月开始运行。
　　2.1.9湖北警官学院图书馆¡￠体育馆，建筑面积20000米2 。采用克莱门特螺杆水源热泵机组BE/SRHH2702两台，总制冷量2300KW,总供热量1600KW。设计两口取水井，四口回灌井，每口井取水量80m3/h。
　　湖北警官学院学生食堂，建筑面积12000米2 。采用克莱门特螺杆水源热泵机组BE/SRHH2702两台，总制冷量2300KW,总供热量1600KW。设计两口取水井，四口回灌井，每口井取水量80m3/h。2004年7月开始运行。
　　2.2 地下耦合热泵工程实例
　　2.2.1省公安厅驾校办公大楼，建筑面积5000米2，采用克莱门特螺杆地源热泵机组WRHH0802两台，总制冷量520KW,总供热量370KW。利用室外场地进行垂直埋管,共打孔220个,间距4X4M,孔内共埋设U型PE换热管10000米,孔深30米。2002年11月开始运行。
　　2.2.2清江花园小区共有两栋小高层住宅，总建筑面积38000米2，采用克莱门特螺杆地源热泵机组WRHH0802两台，总制冷量1560KW,总供热量1000KW。利用小区中心花园下地下车库底部进行垂直埋管,共打孔220个,间距4X3.5M,孔内共埋设U型PE换热管28000米,孔深在65-70米之间,中间以回填材料填实。2004年6月开始运行。
3 地源热泵设计中应重视的几个问题
　　3.1水源和取水许可
　　使用水源热泵的前提是必须有可供采取的充足的地下水源，汉口情况较好，地下水呈面状分布，径流缓慢，补给充足；武昌、汉阳就要根据具体情况掌握，地下水分布图可找权威的水文技术行政部门了解咨询。
　　有了水源以后，必须向水行政主管部门（水务局水资源管理处）申报，申报时必须有权威部门的地下水开采和回灌设计报告，得到批复后还必须缴交水资源使用费（生活用0.02元/米3，工业用0.03元/米3）。申报时还必须附上第三方确认，特别是取水井邻近城市重大基础设施和重点工程时。
　　3.2取水和回灌
　　从上面香榭里花园的水文地质分析和计算结果可以看出，只取水不进行有效回灌或回灌不慎造成地下水污染的都是极不负责任的行为，都会造成这项利国利民的好事以人人谈之色变的恶名而夭折。并且这种不负责任的行为造成的损失是无法挽回的，天津唐沽地下水过量开采，导致海水渗透进去，对生态造成严重破坏；西安由于地下水过量开采，导致大雁塔倾斜近1M，并且形成十三条纵、横向裂缝，长达50公里，钟楼下陷135mm。华北地区形成4万平方公里的华北大漏斗。
　　武汉地区的地下水开采和回灌都是极为有利的，46米左右，不回灌没有理由。
　　3.3水源热泵机组能效比问题
　　现在有很多厂家出于商业竞争的需要，极力夸大水源热泵节能、省钱效果，盲目提高所谓机组的能效比（有的机组COP值达到5.3甚至到6），实际上热泵机组活塞机COP在3.8~4.2左右，螺杆机在4.0~4.6左右，水源热泵机最多在此基础上提高10%，充其量到5。而且单纯宣扬机组的COP值有多高也没有任何的实际意义，应该是谈整个水源热泵系统的能效比，美国制冷学会（ARI）评定“地下水源热泵”采用的就是水源热泵系统的能效比，制冷工况时，地下水源热泵系统的能效比（EER）=冷负荷/井泵功率+环路功率+水源热泵功率；制热工况时，地下水源热泵系统的性能系数（COP）=热负荷/井泵功率+环路功率+水源热泵功率。在设计水源热泵系统时，应尽量加大地下水的利用温差，减少地下水的使用量，在较小的地下水用量和最佳的水源热泵机组工况的优化组合下才能达到最高的水源热泵系统的使用能效比。
　　3.4地表水水源热泵机组的换热问题
　　热泵与地表水的换热可采用开式循环或闭路循环两种不同的形式。开式循环是用水泵抽取地表水在热泵的换热器中换热后再排入水体。但在水质较差时换热器中易产生污垢，降低换热效果，严重时甚至影响系统的正常运行。因而地表水热泵系统一般采用闭路循环，即把多组塑料盘管沉入水体中，热泵的循环液通过盘管与水体换热，可以避免因水质不良引起的污垢和腐蚀问题。由于地表水温度受气候的影响较大，与空气源热泵类似，当环境温度越低时热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因数有关，需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境有无影响目前还未见到明确结论，必要时应预先加以考虑。深水湖在夏季会产生温度的分层，湖底保持较低的温度；冬季湖面结冰后会限制湖水温度的下降。从目前的实际工程情况来看，自然形成的浅水性湖泊受外界气候或热污染影响较大，人工深水湖(水库)是可以提供给热泵使用的较好的地表水体资源。
　　3.5地下耦合热泵机组的换热问题
　　地下耦合热泵系统换热器为一个由地下埋管组成的地热换热器 (geothermal heat exchanger, 或ground heat exchanger)。地热换热器主要有水平埋管和竖直埋管两种设置形式。水平埋管形式是在地面开1~2米深的沟，每个沟中埋设2、4或6根塑料管。竖直埋管的形式是在地层中钻直径为0.1~0.15 m的钻孔或利用管桩，在钻孔或管桩中设置1组（2根）或2组（4根）U型管并用灌井材料填实。钻孔的深度通常为40~200m。现场可用的地表面积是选择地热换热器形式的决定性因素，因此一般采用节省土地面积的竖直埋管地热换热器。地热换热器所需埋管的总长度需要根据埋管的形式、地下岩土的热物性、地下的温度和冷热负荷的情况作详细的计算才能确定。设置地热换热器的主要费用是钻孔的费用，正确设计地热换热器埋管的长度对于保证系统的性能和经济性十分重要。在有条件时可以结合建筑桩基形式利用桩孔进行埋管设置，可省去大量的钻孔费用，施工也极为方便快捷。
　　4 结束语
　　地源热泵空调系统在我国是一项新的技术，它是一项跨专业、跨学科的综合能源利用技术，需要通过相关专业技术人员的通力协作，做好勘测、设计、施工、调试等各项工作才能使系统达到要求的节能、环保性能。近几年在全国各地已经有大量工程投入使用，应该积极对实际运行经验进行总结，以其使地源热泵这项利国利民的可再生能源利用技术得到健康有序的发展。