地下水源热泵空调系统的应用分析

赵恩荣 徐广才

通用技术集团工程设计有限公司

1 引言

随着社会发展，人们生活水平不断提升。对于室内环境有了更高的要求，希望能够改善室内生活水平，供暖制冷是设环境调节的重要方式，也是目前居民生活中能耗最高的源头。为了实现节能减排的目的，在日常工作中需要对供暖制冷设备的能耗进行控制，采用多种控温方式减少这种高耗能设施的参与程度，从整体上控制室温过程中投降低能耗。地下水源热泵的工作原理是基于热力学第二定律，并且利用了逆卡诺循环原理，主要的组成部分包括压缩机，冷凝机，蒸发器，转换阀，膨胀阀。在运转时仅压缩机消耗少量电能，将水作为载体，吸收或释放热量，经过管道流通，对途经区域进行温度调节。整个过程额外不需再投入其他能量，所以是目前温度调节方面能耗控制最好的一种选择。

2 机组特点

（1）在整个地下水热泵中，电能消耗主要用于对水进行驱动，原先的耗能大户——温度调节则由地热泵完成，由于是采集地下水，温度来源完全取决于自然界，可以节约大部分能源。不需额外消耗化石能源，可以减少对化石能源的依赖。地下水源热泵对于使用环境的适应能力很强，可以适合所有居住区域的供暖制冷需求，不需要加装用于祛除气体和废物的装置。投入使用后维持成本较低，只需定期进行质量检查，完成磨损零部件的更替即可。与传统的供暖方式相比，不需要占用供暖系统附近的土地资源。过程中也不会向外排出废水废渣，减轻了对周围环境的影响。在夏季需要执行制冷任务时，不需要加入额外的冷却水塔，因此对建筑物外观规划不会造成破坏，可以直接引入使用，避免了在室外布置设施设备造成的噪声污染和外形破坏。

（2）高效节能。经研究数据表明，冬季采用水源热泵技术，水源侧的水温在10℃~20℃，明显超过了周围空气环境温度。这种温差的存在会使得在热泵循环的过程中，蒸发温度大大提升，提高系统的能效比。而夏季水体温度为18℃~35℃,制冷的冷凝温度降低,实际的冷却效果要好于传统的风冷式和冷却塔式的结构。无论是供暖还是制冷，采用水源热泵技术都能够较好的完成温度调节目的，并且在使用过程中不会对周围环境造成负担和影响，且不需额外设置辅助机组和房屋，对于占地面积也能够进行最大限度地节约，因此是一种很理想的替代传统温度调节系统的方案。通过与中央空调系统末端进行协调，在智能化系统的统一控制下，对单个节点进行精确的温度调节，完全可以实现对日常生活环境温度调节的需求。

（3）运行安全可靠、在整个温度调节系统中，除集中布置的机械设备外，占地范围最广的是管线，只要保证在安装过程中管线的参数规格符合设计图纸要求，没有出现尺寸报错的情况，管线可以保持很长时间的稳定使用状态。只需要在特定节点安排检修人员对管线连接处和管壁外表进行检查，检查管壁是否有磨损老化腐蚀的情况。检修过程投入的成本很低。

机械设备由于是集中安装和布置，所以检修可以在短时间内全部检查完成。在设备安装过程中就已经预留了足够的操作空间。

地下水位的温度常年保持恒定，而且处于地下环境，对于周围自然环境变化影响不敏感，受周围环境变化的影响幅度较小，可以使得水源热泵的输出效率在较长时间内保持稳定。与机械驱动的制热系统相比，能够在更长时间内保持稳定运行。在系统投入使用后不需频繁对其基础设备进行更换，整体运营投入的维护成本较少，主要的成本投入集中于前期建设投入。由于绝大部分结构为管线，而管线布置在室内和地下，因此出现冻管的情况较少，安全性较高。根据空气源热泵的运行经验来看，当空气源热泵面临需要除霜时，其30%左右的能耗会被浪费在该方面。

（4）功能多样，设备利用率高。水源热泵机组可以根据冬季和夏季不同温度调节功能进行模块化系统搭接，实现一套系统多种用途跨越。冬季夏季近六个月使用时间，提高了设备的使用时间，减少了设备故障之后对其进行零部件更换所面对的难度，是一种非常稳定成熟的系统控制方案。而且目前相关从业人员还试图将其进行模块化改造，通过不同的环境特点和使用需求，结合当地实际情况采用灵活多变的模块化控制方式，将一套成熟的供暖系统拼接到不同的使用环境中，让这套设备的环境适应性提升到一个新的高度。

（5）便于计量和收费。水源热泵空调系统在使用过程中通过自然冷和电能来进行工作，其中电能可以直接通过电表读数来明确，只要通过对电表数据进行提取，转化为额定关系的供暖或制冷量，就可以完成对该客户计量收费的工作。不需要额外再设置锅炉供热计费和计量的工作。电能系统收费计量完全可以接入非常成熟的电能控制收费系统，一步到位直接实现数字化控制，减少了额外安置所需投入的成本和设备。

（6）便于安装、管理。水源热泵机组结构简单，安装方便，占地面积小，施工模块较为固定，安装人员经过简单培训之后，即可熟练上手，独立完成设备安装和检修工作任务。整个系统中除了集中布置的压缩机等装置外，大部分管线不需要通过专业设备的辅助检查，在系统运行维护和养护这两方面都有很大的优势。

3 升级改造的余地和方向

目前水源热泵机组在使用过程中存在的问题在于，无法实现对各覆盖节点具体温度调节功能的掌握。而这一点可以通过日趋成熟的智能化网点控制系统来得以实现。控制中心在各节点布置传感设备，对所属区域的温度变化情况进行数据收集，经无线传输实现对全局状态的掌握和收集。原本的人工操作调节系统转变为自动化数据传输控制系统，由数据控制中心根据编定好的程序，对不同区域温度变化情况进行分析，通过比对标准数值，判断温度控制效果是否符合预期，如果存在差异，则通过远程控制手段调用其他辅助温度控制系统。例如将该区原有的中央空调系统接入到自动控制系统中，额外补充的工作量由中央空调系统来完成。并且为了实现节能降耗的目的，对中央空调运行系统也要进行调整，不能采取过去大锅饭的温度调节模式，而是要将中央空调系统的服务对象节点化，实现对单一节点温度的精确调节，根据不同的需求进行精准投放，这样一来可以大幅节约系统运行过程中所需要的能耗。

智能化控制系统与传统人工操作系统相比，智能化控制系统由众多传感设备和完善的数据传输系统构成，能够实现24小时不间断的监控系统内温度变化情况，减少了工作人员的劳动强度，可以实现长时间对于整个系统运转过程的控制，并且通过加入远程控制的手段，能够在发现参数差异时及时介入，通过远程控制和干预的手段，及时对该区域的系统设备进行指令下达，在极短的时间内就弥补现有温度调节所存在的问题。可以大幅度解放工作人员，使其有更多的时间和精力去完善现有系统。在现有的工作岗位上做出更多具有创新意义的行为来实现系统不断优化改进。

4 工程实例

文中所列举的工程原为工作厂房，后改建为居民区，安装有中央空调供暖系统，且周围水资源丰富，地下水温符合地下水源热泵系统的标准，建筑总面积15376m2，楼层高度39m。包含少量办公区域，为改善生活办公条件，实现更低能耗的温度调节需求，对该区原有的调温系统进行升级，采用地下水源热泵系统。

该工程采用管井取水的方式，在供暖区域新钻三口水井，平均出水量达到3200方每天。每一个水井都可以实现供水和回灌的双重功能，保证了在水井投入使用之后，不会由于频繁的抽水供水活动而造成地下水位的波动，最大限度地减少系统运行对于周边环境所造成的影响。并且可以节约水体占地空间，延长水晶使用寿命，使单个水井设备的年使用天数提高。

机房水系统主要由水源循环系统和空调水源循环系统两部分组成。为防止长时间使用造成淤泥堆积，影响出水口使用效率，还额外设置两台复合过滤器，用于定期对循环水系统杂质进行去除。

5 存在问题分析

近几年地下水源热泵系统在我国得到了迅速的发展，很多具有合适自然条件的区域都会选择该系统作为补充温度调节的存在。在使用过程中，该系统也确实体现了其环保，节能高效的先进使用状态，但是在利用过程中随着使用经验增长还是发现了一些问题需要解决。

5.1 地质问题

作为地质资源的地下水被大量采用投入到地下水泵中，如果在过程中不设置回灌系统，就会造成严重后果，例如地下水位开采过多会导致地下结构应力平衡被打破，有可能会导致地面沉降，地表出现裂缝或塌陷的地质情况。我国的江苏徐州地区，就是典型的由于地下水开采过度而导致城区出现多处地下结构沉降的案例。放眼整个华北平原，包括浙江省，江苏省，由于这些地区人口密度大，城市建设面积广，城市化时间长，对于地下水位开发利用的时间和总体规模都处于较大的水准。因此这些地区出现上文所提及的地面塌陷沉降的情况更为普遍，已经是一个严重影响城市地区经济建设发展的重要问题。而且在目前的技术条件下，还没有相应的措施能够解决这一问题，因此我们目前能做到的只能通过提前预防的方式来降低过度开采地下水所导致的各类环境破坏问题。地面沉降不仅仅会造成周边区域的建筑物使用安全威胁，在临海城市还有可能会导致海水或河床倒灌的情况。

这种情况已经相当明显。目前各级政府对于地下水回灌都有一套具体的量化指标，例如河北省对于地下水回灌至原含水层的比例就达到了100%，如果各开发企业能够按照政府规定的比例来回灌地下水，地下水的供给补充就能处于平衡状态，即使局部地区出现地下水位波动也不会造成严重的影响。但在实际情况下，目前国内很多地区回灌堵塞问题不被重视，还有很严重的滞后拖延情况，导致地下水会被直接排放到地表，一旦出现地质环境问题，对于周边区域的正常生产生活将会带来灾难性的影响。虽然各地政府已经制定了相应的补充意见和实施方案，但是在具体实施过程中缺乏部门牵头，在划定职权时还有部分内容，没有确定具体的责任人和部门，所以在实行过程中还是会存在一些问题。

5.2 水质问题

现在国内地下水源热泵的地下水回路都不是严格意义上的密封系统，回灌过程中的回扬、水回路中产生的负压和沉砂池，都会使外界的空气与地下水接触，导致地下水氧化。地下水氧化会产生一系列的水文地质问题，如地质化学变化、地质生物变化。另外，目前国内的地下水回路材料基本不做严格的防腐处理，地下水经过系统后，水质也会受到一定影响。这些问题直接表现为管路系统中的管路、换热器和滤水管的生物结垢和无机物沉淀，造成系统效率的降低和井的堵塞。

6 结束语

空调系统是现代城市居民生活中为调节室内生活环境常常采用的设备。该系统确实能够有效改善使用者的生活环境，但是过程中也会造成巨大的能源消耗，如果不采取有效手段进行控制，或者是找到其他替代方法，这种高能耗的运行方式会造成严重的能源负担和环境污染问题。地下水源热泵空调系统在这方面可以弥补传统温度控制系统的缺陷。