水源热泵在地热供暖工程中的应用初探

2021-11-26郝正明

中国建筑金属结构 2021年5期

郝正明

1.水源热泵技术的理论基础

水源热泵系统是利用地下水的温度和相对湿度的变化来对地下水中的热量进行交换的一种装置。它由水轮机、汽轮发电机组等组成。在整个过程中，通过将空气抽到箱体内，然后再将抽起来的热能传递给冷却塔，从而达到对室内的加热作用。在实际工程中，可以使用的冷水机组有很多，但大多数是单台的制冷机，而这种单台制冷机的价格比较昂贵，运行的环境要求也很高，所以一般都不采用。如果要对一个区域的地暖供暖工程的用水进行有效的管理与控制，就必须研究出一套完整的理论基础。从热力学的角度来看，当流体的黏度比达到一定程度的时候时，会出现这样的情况：在黏度比较大的地方时，会有很大的阻力；相反，流速较小的地区则会没有阻力。因此就需要用一些能够使传质变快的设备来代替传统的传热方式[1]。

2.水源热泵的应用现状

目前，水源热泵技术的发展主要分为三大类：（1）水泵法：这种方法是通过将水作为能源来供应所需的能量；（2）变频器法：利用变频器的工作原理，把需要传输的电能转化成所需的电压和频率的装置；（3）辅助加热法：在夏季，可以用它来进行供暖，冬季则可使用其来补充热能。这三种方法各有优劣，但都有各自的优点与缺点。对于地下水的开采和地下热量的吸收来说，它们都有一个共同点就是对环境无污染，而且也没有任何的浪费或者排放的余量。但是由于这些特点，在实际的施工中，要根据不同的情况选择合适的方法才行。所以就出现了两种比较新的计算方式，一种为直接接触法，另一种为间接感应发热测量。

3.水源热泵在地热供暖工程中的应用

目前，我国地热泵系统主要是由城市集中供暖、地下管网和地面露天采空场三种形式构成的供水方式。在这三种形式中，地下水一般是通过地表水的补给来达到其要求的温度；而在地上的建筑中，由于其本身具有的特点和施工的条件比较复杂，对水源的需求量也比较大，这就导致了直接取用普通的地热水的方法不能够满足需要。而采用蓄能技术的冷水机组，可以有效地解决上述问题，并且不会造成二次污染。

3.1 水源热泵地热供暖系统的建立

由于热泵装置在地下，其本身的特点也决定了它的运行环境比较复杂，比如说，它是一个集水箱、压缩机等为一体的综合系统，所以在实际的设计中，需要根据建筑物的具体情况，来进行水源热泵的布置和相关的设置；然后再对整个机组的位置以及各个部件的尺寸和安装的要求来确定。

（1）水箱：因为冷水的压力不是很高，而且温度的变化比较大，因此可以把这个系统直接安置到集中式的制冷设备中，这样就能使其保持恒定的工作状态，并且不会出现过热的现象；（2）压缩机：通过对制冷压缩机的合理配置，将制冷压缩机的容量大小控制好，从而使其运转的过程更加稳定；（3）供水：为了保证供暖的质量问题，必须有一定的供给量，否则会造成浪费。同时还要考虑当地的地形地貌，避免发生意外的事故或者是人为的破坏等。

3.2 水源热泵的平衡条件

平衡条件是指建筑物的供暖系统在满足热负荷的前提下，使其供回水温度保持恒定不变，从而达到节能的目的；也可以称为“冷工况”，即在夏季，由于室外的热量无法通过蒸发器吸收，而需要将室内的冷量全部用于提供所需的热水；或者是在冬季，因为外界的环境因素，导致所需的水量减少，这时就应该采用抽水泵的方式来进行补充。

（1）对地热能的利用对于地热的利用主要体现在以下两个方面：一是对地表的地下水加以回收，然后再利用水的形式来加热，进而实现将地下的热量转化为电能的作用；二是把太阳能转换成电能的能力用来储存。（2）对空气的利用：如果水源的位差较大，那么就会造成大量的煤炭、石油等不可再生的资源浪费，因此要充分地考虑到这一点，比如把可燃的煤油等经过低温液化之后再送入建筑中，这样不仅能够提高能源的使用效率，而且还能节约一部分的用电量。

3.3 水源热泵系统的控制策略

由于热泵机组的运行工况和工作条件的差异性，所以在设计的时候，需要对其进行合理控制与调节，这样才能保证其正常的运转和高效的使用；同时，还应该对系统的温度、流量以及压力等参数的变化规律都有一定了解并采取相应的调整措施，以确保系统的稳定安全。（1）在实际的施工中，可以通过设置一个监控点，来监测系统的温湿度、水压等，并根据这些数据来分析出影响系统的主要因素，从而确定最佳的控制策略。（2）在现场的一些大型建筑中，一般情况下，水源热泵房的环境比较恶劣，因此必须采取有效的防冻手段，比如采用制冷循环，使水温保持恒定，进而降低冻融灾害的发生概率。（3）对于地下的管道而言，如果是直接埋设在土壤当中，那么就不能再增加管材的数量；而当地下水被埋入到土地中，就会导致管材的体积变小，并且会造成渗漏的问题出现。

3.4 水源热泵的利用率

对水源热泵进行有效地利用是保证其能够正常运行的基础条件，所以要想使其在地热供暖工程中得到更好的应用，就必须提高它的利用率。（1）在对地热水的加热过程中，存在着温度的差异和环境的变化会导致冷水的温度不同，因此要想使水温保持恒定，就需要降低自来水的供水压力，从而达到控制冷凝流量的目的。（2）在对地下水开采和地下水位下降等情况下，为了减少地表的冰冻现象，可以使用人工井点的方式来增加井点的高度。（3）如果是在夏季，则应该采用低温低压的系统来代替高温高压的系统。（4）当水源的水质比较差，而且又有季节性的影响时，则应选用节假日的集中供冷模式，以满足冬季的需求量。这样既能做到环保又能节约成本。（5）对地热泵系统进行优化主要是为了提高热泵的效率和效益。在对地热能的开发利用中，可以通过以下方式：将地下水井作为一个储存库，在地下水位上升到一定程度后，再将其储存在蓄水池中。利用地下车库的储罐将其存储于库内，并与地面水一起使用。我国的地势地貌类型不同，对于地表水资源的需求也就有所不同，因此在对地热能的研究时，要考虑到当地的地形特点，根据实际的情况选择合适的方法来实现最大化地利用水资源。

3.5 敏感度控制

敏感度是指某一区域内的某一温度、压力值与周围环境的温差的比值；敏感系数越大，则说明该温度、压力的变化对周边的影响就越小，对其进行处理的难度就会降低。当热泵的热力工况发生变化时，其敏感性也随之改变。例如在地热水系统中，当水泵的排气阀门打开时，水的存在会导致排气管道中的空气流量增加，从而使管道内的气压增大，这就是一个非常危险的情况；当水的导程阻力加大，水流速度变大，则可能造成管壁的腐蚀和变形，甚至发生堵塞。因此在设计的时候要充分考虑到这些因素，并采取相应的措施来避免这种安全事故的出现。

如果是在室外，那么就要尽可能地减少辐射对其的影响，对于地下水源，比如说河湖，可以适当地提高水源的导程的负荷量，这样不仅能够减少管壁的腐蚀和变形，而且能使水面的升温的幅度大大增高。地下水的开采和地下水位的下降对建筑物的影响很大，因此在施工前必须做好相关的准备工作，包括施工方案、技术措施等，以保证水源热泵系统的正常运行。在进行施工前，要依据设计图纸的要求制定出合理的施工流程，并对整个过程中可能出现的问题做详细的记录与说明。然后再由技术人员将现场的土体情况、水文条件以及气象资料等信息传递给总承包商，总包方负责将这些数据上传到总包方的电脑上，供业主参考。最后由总包单位把所有的数据汇总后，再统一交给监理工程师，最终得到准确的计算结果。如果实际测量的参数与理论值有差异，需要及时调整。

3.6 土壤源

土壤源主要是指水文循环中的水文站，它是利用地下水资源，通过地下水源来进行能量的转换和储存的装置设备。在热泵系统的设计过程中，要考虑水源的温度、压力、流量等因素，从而保证在正常的工作条件下，能够实现对地热水的供应和回收。

在热泵机组的运行当中，要根据实际的情况选择合适的土壤源，因为如果没有足够的热量就不会对制冷压缩机的运转造成影响，所以说，需要从土壤的温升率的角度出发，来确定土壤源的温升率，进而达到降低耗能的目的；同时，还要注意到，土质的性质不一样也会导致不同的制冷剂的使用量，比如说，当土质的硬度比较低的时候就可以选用石灰石，而当含水量较高的时候就要采用碱稳定剂，而且还应该增加一些辅助的物质；对于那些含有大量的杂质或者是有害成分的制冷剂，例如氟利昂等，都不能直接用作土壤的热能来源。