探讨水源热泵在供热空调系统中的应用

刘 舰 董傲霜

(辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001)

0 引言

目前水源热泵技术在我国建筑工程领域的供热与空调系统中应用十分广泛，并且伴随着国家经济地迅猛发展我国建筑使用能耗在逐年增加，因此节约常规化石类能源利用和开发可再生能源就显得尤为重要，节能环保已经成为如今从事建筑行业人士最为关心的问题之一，水源热泵技术恰恰具有节能、高效、低碳环保、运行稳定、费用较低、冷热兼用等优点适应了当前国家新形势这一要求。水源热泵是利用地下水资源且以花费一部分高质电能等为代价可同时向建筑供热、供冷、供热水的新型空调系统形式。水源热泵技术虽然具有很大的发展前景和诸多优点，但同时也存在有特定建筑是否具备使用热泵技术的水源地质条件和地下水回灌技术是否达到技术要求等一些问题，这就需要从事本专业的教学科研、勘察设计、施工运行管理等各方人士共同努力研究探讨才能较好解决它。

1 当前我国建筑能源利用情况

随着我国近年来改革开放的不断深入进行和人民生活水平的显著提高，夏季空调的拥有率快速的增加，根据有关资料统计：全国城镇空调的拥有率已达20%，北京、上海、广州等一线城市空调的拥有率已高达70%，因此生活用能耗正以惊人的速度在增长。随着时代不断进步发展必然导致各类一次性常规能源的大量消耗，环境污染和能源利用已经成为了全世界各国共同面临的主要社会问题。其中用于发电和冬季供热而消耗的一次性化石类燃料越来越多，在日本、欧美等经济发达国家中用于建筑供热和空调能耗约占社会总能耗的1/3以上。当今在我国建筑能源结构中煤炭消耗量仍占有很大比重，燃煤发电量约占全国总发电量的一半以上，况且每年供热用煤CO2排放量多达1.9亿m3，SO2排放量达到300 t以上，可以看出供热空调消耗了巨大的矿产资源而且会对环境造成严重的污染与破坏。因为煤炭为代表的非可再生常规能源贮存量非常有限终会枯竭，在过去几十年我国工业化、城镇化进程中由于人们毫无限制地使用大量传统常规能源，势必造成不可再生资源的巨大浪费和城镇人们生活居住环境逐渐恶化。尤其是在我国三北地区民用建筑冬季采暖期漫长，供热工程通常是以燃煤大区域锅炉房为主、燃油、燃气小型锅炉换热装置为辅，致使北方冬季雾霾天气越来越多，同时二氧化硫、氮氧化物产生的酸雨破坏人们居住和自然生态环境，因此常规矿石燃料产生的温室效应是导致环境污染和自然灾害的原因之一。尤其是20世纪70年代西方主要发达国家都经历了石油危机，严重制约了当时世界经济地快速发展，使人们认识到节约能源的重要性，可以说建筑节能是当今世界大趋势和重大战略问题，也是现代建筑科学技术发展的一个基本方向。建筑节能不仅有利于生态环境的改善，反过来也会促进社会经济发展。为了使我国建筑业长远可持续发展，我们必须有效合理地利用好现有的不可再生能源同时，积极努力开发新能源技术。

2 水源热泵机组系统运行特点

2.1 水源热泵机组工作原理及系统组成

所有热泵机组都是按照逆卡诺循环原理进行工作，其主要由蒸发器、冷凝器、制冷压缩机、节流阀四大部件等构成的一种高效能量转换装置。制冷循环过程如下：首先气态制冷剂经过压缩机加压后，进入冷凝器中冷凝液化放热，而后经过节流膨胀装置降压后进入蒸发器中不断吸热气化蒸发，最后气态制冷剂又回到压缩机中，其中制冷压缩机通过输入一定的电能实现低品位能量向高品位能量转移往复循环工作过程。水源热泵就是利用这个原理运行工作的热泵机组形式之一，因为通常地球表面浅层地下水源的水温四季较为恒定，夏季地下水温度较低可以将建筑物内余热吸收转移到地下水源中去(节省了冷却塔)以备冬用，而在冬季地下水温度相对较高，机组可以通过四通换向阀的转换从中吸取热量，通过空气—水或水—水热泵机组向室内建筑物供热，使水源热泵机组实现对建筑物夏季空调制冷冬季供热功能。水源热泵系统主要由三大部分组成：即地表取水构筑物(深水井、回灌井等)、热泵机组设备和末端空气处理装置。整个机组外循环水系统是经过灭藻、杀菌、除垢等一些软化消毒水处理过程后由输配水管网连接而成。水源热泵机组根据所利用的水源水侧换热器外循环方式的不同可分为闭式和开式两种形式。开式系统是指直接利用较为清洁的河流、湖泊水或地表深井水后，经过热泵机组水侧换热器后直接排放到周边水体环境中，可见这种系统形式简单、初投资省，所以大部分水源热泵工程常采用此种系统形式。闭式系统形式较为复杂，初投资及日常费用较高故这里不做过多论述。

2.2 水源热泵机组系统运行的主要优点

首先应用水源热泵技术的浅层地表水体(如深水井)与其上覆的土壤层本身不断地进行着能量交换，可以吸收大量太阳辐射热量，其本身也就相当于是一个太阳能集热器，可见水源热泵本质上是利用太阳能作为动力来源从而进行热量转换的供热、空调制冷技术，所以水源热泵利用的是可再生清洁能源同时其环保效果显著，夏季空调不需要传统的冷却塔而无噪声污染，冬季机组不存在燃烧过程而无灰渣烟尘污染；其次水源热泵目前在供热空调中应用节约常规能源主要体现在一机多用上，夏季可以利用其空调供冷、冬季可以利用其供热采暖，在过渡季节还可以利用其设备向建筑供给生活用热水，从而减少了系统全年运行费用和设备的初投资；最后浅层地表水体(尤其是深井水)因为上面土壤层的隔断、蓄热作用，使其水温一年四季变化不大且较为恒定，另外水源热泵通常为自动化控制程度较高的模块式组装机组，操作灵活且维修便利，这些都可以使水源热泵系统更加平稳运行。

2.3 水源热泵机组系统运行的主要缺点

首先由于在我国一些地区地下水的水质较差，水源热泵机组实际运行过程中有时会出现浅层地表水或深井地下水根本没有经过适当水处理过程就直接应用到机组中去，水源热泵机组水管路系统中就可能会存在一些微生物或污泥杂质，所以在热泵系统工作过程中容易出现进水管路堵塞、腐蚀、结垢等问题，从而加大了系统运行能耗，将必然导致热泵机组能效比、热效率降低，减少机组设备使用寿命；其次水源热泵机组运行还会对浅层地下水的水质状况造成不同程度影响破坏，回灌技术不成熟有时还会出现水源地附近地面沉降等一些实际问题，这就需要解决好水源热泵系统的钻井、回灌、日常运行及保养问题；最后还应明确水源热泵技术需要考虑水源要满足建筑物使用要求这一问题(如适合的水量、水质、温度)，以及建设单位能够负担的开采和日常使用费用，何况地下水资源分布和水质情况在我国南北各地差别都是很大的，同一地区不同地质状况的水源地水质情况也不近相同，所以是否具有适合热泵供热空调实际工程的水源地成为水源热泵技术应用中存在的一个现实问题，我们应该很好地解决它。

3 水源热泵技术在建筑供热空调系统中应用现状

水源热泵技术在我国建筑供热空调系统中应用已有多年，经过工程技术人员不断探索努力，从理论、设计、施工调试到运行管理都积累了诸多经验，成功的案例有很多，但从大规模推广来看还存在着发展不均衡和地域性差别等问题。由于我国地域辽阔而地质条件千差万别，还存在地域文化背景不同，各地社会经济发展程度不均衡，这样就会造成当前我国水源热泵技术应用中存在一些功利性、盲目性问题。还有我国水源热泵技术利用与开发往往没有深入考虑建筑物由于所处区域不同而气象条件存在差异性，仅仅考虑的是水源热泵机组本身的长处与优点(可以用于对建筑冬季物供热而夏季空调)而忽略了环境问题和综合建筑能耗因素，另外由于一些从事本专业的设计工程师理论水平较低、工程经验缺乏，经常出现本来不太适合的我国南方某些地区应用较多，反而最适合全年综合使用的我国北方地区应用较少的现状。当今水源热泵作为环保节能新技术在全社会得到了大家普遍关注，可是水源热泵技术在供热空调系统中应用终究是不是真的环保与节能，还有待于实际工程进一步论证和考验。目前从机组实际运行效果上看要求回灌水的水质至少要等于原浅层地下水的水质，这样做才不会破坏原水源水质状况而造成地下水环境污染，当机组设备连续正常工作期间确保回灌水的水质始终达到技术要求还需要从业人员共同努力，同时水源热泵回灌技术受不同的水文、地质等条件的限制，应当具体情况具体分析，热泵系统的运转存在着不可逆性。还有环境污染问题并不是在短时间内马上就可以被人们所感知觉察，人们日常生活生产等活动对环境造成的影响，经常经历了几十上百年漫长的时间才逐渐地被人们发现及认识，其具有一定的延迟性、滞后性。再者如果水源热泵机组全年长时间运转不间断地向地下取水，会使地下含水层分布状况发生一些改变，况且回灌技术相对还不够成熟，地下水有时会回灌到不同含水层中去，可能会导致地下含水层水量不均匀、不稳定等现象发生，长期以往会对地下水的水质造成一些影响破坏，若干年后还可能会发生取水构筑物附近地面沉降问题，而影响人们正常居住生活。所以要高度重视地下水回灌技术，进一步加强设备运行管理，保障回灌过程顺利实现，才不会对地下水及周边环境产生污染，在某些水源热泵工程中甚至出现将尾水直接泄入市政排水管网中，而不进行有效回灌工作，势必将造成能源的极大浪费且破坏这一局部地区的地质构造，将直接影响人们正常生存环境。以上这些都是对水源热泵技术在我国建筑供热空调系统中应用现状所做的分析与探讨。

4 结语

目前水源热泵技术在我国建筑供热空调系统中应用较为广泛，其可以减少不可再生能源消耗，同时降低热泵机组运行管理维护费用，由此可见水源热泵在国家提倡环保低碳、构建节约型社会大背景下是具有一定应用空间的。但是我们知道任何事物都是相对的，尤其是对于工程技术更不能离开严谨科学的工作态度，在看到水源热泵技术自身优点同时还必须要看到其技术上的缺陷和不足，切忌不顾本地区实际情况盲目跟风操作，所以在水源热泵技术应用评估期间，应事先做好当地土壤地质、水源状况等勘察调研工作，最后经过多方面探讨分析在确保环保与节能前提下才可以适当推广应用。