承德市水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析

時秀梅，黨桐，吳振巖

（1.河北省承德水文水資源勘測局，河北承德067000；2.河北省水文水資源勘測局，河北石家莊050001）

承德市水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析

時秀梅1，黨桐2，吳振巖1

（1.河北省承德水文水資源勘測局，河北承德067000；2.河北省水文水資源勘測局，河北石家莊050001）

水源熱泵系統(tǒng)是一種通過抽取淺層地下水、利用地下水的熱能資源、冷暖兩用的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，具有高效、節(jié)能、環(huán)保、潔凈、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，承德市自引進(jìn)水源熱泵系統(tǒng)后發(fā)展迅速。系統(tǒng)闡述了水源熱泵系統(tǒng)在承德市的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問題。

水源熱泵；環(huán)保；節(jié)能；可再生能源；城市

水源熱泵系統(tǒng)是一種高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、安全穩(wěn)定、冷暖兩用、運(yùn)行靈活的新型中央空調(diào)系統(tǒng)。它利用地表水（江、河、湖水）、地下水、工業(yè)廢水及生活污水、海水等，借助熱泵系統(tǒng)，既能制冷、又能制熱，還能24 h提供生活熱水，是一種高效環(huán)保的建筑節(jié)能技術(shù)。

1 水源熱泵系統(tǒng)發(fā)展歷史

國外水源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展歷史可以追溯到1912年瑞士Zoelly提出的“地?zé)嵩礋岜谩钡母拍睢岜孟到y(tǒng)利用天然冷、熱能源且不損耗能源，引起了西方國家的普遍重視，并投入大量資金進(jìn)行技術(shù)開發(fā)。1948年，第一臺地下水源熱泵系統(tǒng)在美國俄勒岡州波特蘭市的聯(lián)邦大廈投入運(yùn)行。在其后的幾十年中，這項(xiàng)技術(shù)得到了更為廣泛的應(yīng)用。水源熱泵以其無污染、節(jié)約能源的特點(diǎn)，受到了人們的青睞，進(jìn)入了黃金發(fā)展時期。國際能源機(jī)構(gòu)和歐洲共同體都制訂了大型水源熱泵發(fā)展計(jì)劃并在歐洲迅速普及。

我國的水源熱泵系統(tǒng)于20世紀(jì)90年代末興起，目前全國已有數(shù)千個成功的工程。在華北地區(qū)，越來越多的中國用戶開始熟悉水源熱泵系統(tǒng)，并深感興趣，主要是因?yàn)槌Ｒ?guī)能源的節(jié)約和可再生能源的充分利用，另一方面是因?yàn)橛休^好的熱泵科研與應(yīng)用基礎(chǔ)。

2 水源熱泵系統(tǒng)基本工作原理

水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源，如地下水、河流和湖泊中吸收太陽能和地?zé)崮芏纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源，根據(jù)卡諾循環(huán)原理，借助壓縮機(jī)系統(tǒng)，通過少量的高位電能輸入，不斷將水源水中大量取之不竭但又不易利用的低品位熱能置換出來，使其變成可利用的高品位熱能，實(shí)現(xiàn)低位能向高位能轉(zhuǎn)移的一種可再生能源利用技術(shù)。

地球表面淺層水源如深度在1 000m以內(nèi)的地下水和地表的河流水、湖泊水及海洋水，吸收了太陽進(jìn)入地球的輻射能量，溫度一般都十分穩(wěn)定。水源熱泵機(jī)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，可以高效地帶走熱量；而在冬季則從水源中提取能量，基于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。

3 水源熱泵系統(tǒng)效益分析

（1）屬于可再生能源利用技術(shù)。水源熱泵系統(tǒng)提取淺層地下水制冷制熱，地下水作為循環(huán)用水進(jìn)行熱量交換，然后回灌，屬于可再生能源利用的技術(shù)。

（2）高效節(jié)能。承德市淺層地下水溫度冬季為11～14℃，水溫比環(huán)境溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。承德市夏季地下水溫度為13～16℃，水溫比環(huán)境溫度低，所以熱泵制冷的冷凝溫度降低，使其冷卻效果好于冷卻塔式和風(fēng)冷式。通常水源熱泵消耗1 kW的能量，用戶可以得到4 kW以上的熱量或冷量。能效系數(shù)COP值（供熱量與輸入功率的比值）可達(dá)4以上。

（3）屬低碳環(huán)保設(shè)備。隨著節(jié)能環(huán)保意識的提高，人們逐漸認(rèn)識到利用傳統(tǒng)的鍋爐房燒煤來取暖，不僅污染環(huán)境，而且后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用相對也高。而水源熱泵系統(tǒng)污染明顯減少。運(yùn)行良好的水源熱泵的電力消耗，夏季與空調(diào)相比可下降40%以上，冬季與大供熱相比可下降25%以上。由此可見，水源熱泵系統(tǒng)是低碳環(huán)保設(shè)備。

（4）自動運(yùn)行。水源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定，所以可以將其設(shè)計(jì)為簡單的系統(tǒng)。水源熱泵機(jī)組部件較少，運(yùn)行簡單可靠，維護(hù)費(fèi)用低；自動控制程度高，使用壽命長可達(dá)15年以上。

4 水源熱泵系統(tǒng)在承德市的應(yīng)用現(xiàn)狀

承德市自2000年左右引進(jìn)了水源熱泵系統(tǒng)后發(fā)展迅速。具有餐飲服務(wù)場所的金都綠洲商務(wù)會館、乾陽大酒店、盛華大酒店、京城大酒店等企業(yè)，具有辦公性質(zhì)的承德市110指揮中心、承德市商業(yè)銀行、承德市煙草大廈等單位，具有公益性質(zhì)的承德市中醫(yī)院，具有住宅性質(zhì)的承德百合園小區(qū)、臥龍山莊一期工程等先后安裝了水源熱泵系統(tǒng)。水源熱泵主機(jī)多采用承德市本特、清華同方、克萊門特等品牌。所有用水均采用灤河及其支流河谷淺層地下水。抽水井、回灌井井深在10～20 m，井徑為30～100 cm。抽水井與回灌井比有1∶1、1∶1.5、1∶2等。制冷期一般為6月中期—8月底，供熱期一般為11月初—次年3月中下旬。供熱期間進(jìn)入主機(jī)的水溫在11～14℃，回灌到地下的水溫在6～9℃；制冷期間進(jìn)入主機(jī)的水溫在13～16℃，回灌到地下的水溫在18～22℃。

5 水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用和推廣的發(fā)展前景分析

承德市委、市政府高度重視可再生能源，為了加快可再生能源的發(fā)展，2009年12月，承德市政府制訂了《承德市可再生能源建筑應(yīng)用發(fā)展規(guī)劃（2010—2015年）》，明確全市累計(jì)新增可再生能源建筑面積1 200萬m2，其中熱泵技術(shù)應(yīng)用建筑面積650萬m2。承德市正在申報國家級可再生能源應(yīng)用建筑示范城市，目前已通過省級答辯。承德市主要建設(shè)區(qū)及建成區(qū)建筑沿河地段淺層地下水含水量大、含水層較厚、富水性高、水質(zhì)較好、水溫適宜、回灌速度快，非常適宜開發(fā)水源熱泵技術(shù)。

6 水源水質(zhì)水量分析

水源熱泵使用的地下水水質(zhì)應(yīng)適宜于系統(tǒng)機(jī)組、管道和閥門的材質(zhì)，不至于產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕損害。

一些水源含有泥沙、有機(jī)物與膠體懸浮物，使水變得渾濁。水源含沙量高會對機(jī)組和管閥造成磨損。含沙量高和渾濁度高的水用于地下水回灌會造成含水層堵塞。用于水源熱泵系統(tǒng)的水源，含沙量應(yīng)＜1/20萬，濁度應(yīng)＜20mg/L。水源水的酸堿度、硬度、礦化度對機(jī)組材質(zhì)也有一定影響。水源熱泵水源水的pH值應(yīng)在6.5～8.5，總硬度應(yīng)＜500mg/L，礦化度應(yīng)＜3 g/L。

根據(jù)灤河市區(qū)段及武烈河市區(qū)段地下水水質(zhì)監(jiān)測資料可知，承德市地下水相關(guān)指標(biāo)均符合水源熱泵的用水要求。

通過各水源熱泵用水單位的抽水量和回灌量分析發(fā)現(xiàn)，水源熱泵系統(tǒng)抽水量基本回灌地下，耗水量很小，為微耗水項(xiàng)目。承德市建成區(qū)位于武烈河及灤河河谷，河流集水面積大，地下水滲透性強(qiáng)，淺層地下水水量豐沛。

7 存在問題

近幾年，水源熱泵系統(tǒng)在承德市得到了迅速應(yīng)用，雖然它是一種環(huán)保、節(jié)能、高效、先進(jìn)的空調(diào)方式，但對于利用地下水這種資源仍存在一些需要注意的問題。

（1）地質(zhì)問題。大量應(yīng)用水源熱泵，如無可靠的地下水回灌，將會引發(fā)嚴(yán)重的后果。地下水的大量開采會引起地面沉降等地質(zhì)問題，地面沉降除了對地面建筑設(shè)施產(chǎn)生破壞作用外，還會產(chǎn)生河床升高等其他環(huán)境問題。對于水源熱泵系統(tǒng)，若嚴(yán)格按照政府主管部門要求實(shí)行地下水100%回灌到原含水層，那么總體來說地下水開采補(bǔ)給是平衡的，一般不會因?yàn)槌楣嗟叵滤a(chǎn)生地面沉降。但在實(shí)際過程中，由于回灌井?dāng)?shù)量不夠或者質(zhì)量不高，回灌不完全的問題沒有從根本上解決，極有可能出現(xiàn)地下水直接排放的情況。一旦出現(xiàn)環(huán)境地質(zhì)問題，往往是無法彌補(bǔ)的。

（2）水質(zhì)問題。目前，水源熱泵系統(tǒng)地下水回路不是嚴(yán)格意義上的密閉系統(tǒng)，回灌過程中的回?fù)P、水回路中產(chǎn)生的負(fù)壓和沉砂都會使地下水與外界空氣接觸，導(dǎo)致地下水含氧量升高，地下水含氧量的變化可能會引起地質(zhì)化學(xué)變化、地質(zhì)生物變化等問題。另外，地下水回灌后的溫度、壓力的變化是否會影響其熱力學(xué)平衡、地下熱環(huán)境會對區(qū)域地下水生態(tài)帶來什么影響，至今還沒有權(quán)威的結(jié)論。

8 結(jié)語

水源熱泵系統(tǒng)有其優(yōu)點(diǎn)也有其缺點(diǎn)，在其應(yīng)用過程中應(yīng)采取適宜本地區(qū)的熱泵機(jī)組。隨著科技的發(fā)展，環(huán)境和能源問題越來越受到社會的重視，水源熱泵系統(tǒng)作為一種可持續(xù)發(fā)展的綠色能源技術(shù)，有著高效節(jié)能、低碳環(huán)保的特點(diǎn)，受到全社會廣泛關(guān)注。隨著水源熱泵系統(tǒng)的逐漸增多，相關(guān)部門應(yīng)建立跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)，對使用水源熱泵引起的水溫、水質(zhì)變化等進(jìn)行監(jiān)測，以利于保護(hù)地下水資源。

[1]李培月，吳健華.地下水環(huán)境問題及其防治對策[J]．環(huán)境科學(xué)與管理，2010，（4）：16-19.

TV213.9；P641.8

B

1004-7328（2014）06-0057-02

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.06.021

2014-08-15

時秀梅（1975-），女，高級工程師，主要從事水資源監(jiān)測與評價工作。