水源熱泵在地熱供暖工程中的應(yīng)用初探

郝正明

1.水源熱泵技術(shù)的理論基礎(chǔ)

水源熱泵系統(tǒng)是利用地下水的溫度和相對濕度的變化來對地下水中的熱量進行交換的一種裝置。它由水輪機、汽輪發(fā)電機組等組成。在整個過程中，通過將空氣抽到箱體內(nèi)，然后再將抽起來的熱能傳遞給冷卻塔，從而達到對室內(nèi)的加熱作用。在實際工程中，可以使用的冷水機組有很多，但大多數(shù)是單臺的制冷機，而這種單臺制冷機的價格比較昂貴，運行的環(huán)境要求也很高，所以一般都不采用。如果要對一個區(qū)域的地暖供暖工程的用水進行有效的管理與控制，就必須研究出一套完整的理論基礎(chǔ)。從熱力學的角度來看，當流體的黏度比達到一定程度的時候時，會出現(xiàn)這樣的情況：在黏度比較大的地方時，會有很大的阻力；相反，流速較小的地區(qū)則會沒有阻力。因此就需要用一些能夠使傳質(zhì)變快的設(shè)備來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的傳熱方式[1]。

2.水源熱泵的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，水源熱泵技術(shù)的發(fā)展主要分為三大類：（1）水泵法：這種方法是通過將水作為能源來供應(yīng)所需的能量；（2）變頻器法：利用變頻器的工作原理，把需要傳輸?shù)碾娔苻D(zhuǎn)化成所需的電壓和頻率的裝置；（3）輔助加熱法：在夏季，可以用它來進行供暖，冬季則可使用其來補充熱能。這三種方法各有優(yōu)劣，但都有各自的優(yōu)點與缺點。對于地下水的開采和地下熱量的吸收來說，它們都有一個共同點就是對環(huán)境無污染，而且也沒有任何的浪費或者排放的余量。但是由于這些特點，在實際的施工中，要根據(jù)不同的情況選擇合適的方法才行。所以就出現(xiàn)了兩種比較新的計算方式，一種為直接接觸法，另一種為間接感應(yīng)發(fā)熱測量。

3.水源熱泵在地熱供暖工程中的應(yīng)用

目前，我國地熱泵系統(tǒng)主要是由城市集中供暖、地下管網(wǎng)和地面露天采空場三種形式構(gòu)成的供水方式。在這三種形式中，地下水一般是通過地表水的補給來達到其要求的溫度；而在地上的建筑中，由于其本身具有的特點和施工的條件比較復雜，對水源的需求量也比較大，這就導致了直接取用普通的地熱水的方法不能夠滿足需要。而采用蓄能技術(shù)的冷水機組，可以有效地解決上述問題，并且不會造成二次污染。

3.1 水源熱泵地熱供暖系統(tǒng)的建立

由于熱泵裝置在地下，其本身的特點也決定了它的運行環(huán)境比較復雜，比如說，它是一個集水箱、壓縮機等為一體的綜合系統(tǒng)，所以在實際的設(shè)計中，需要根據(jù)建筑物的具體情況，來進行水源熱泵的布置和相關(guān)的設(shè)置；然后再對整個機組的位置以及各個部件的尺寸和安裝的要求來確定。

（1）水箱：因為冷水的壓力不是很高，而且溫度的變化比較大，因此可以把這個系統(tǒng)直接安置到集中式的制冷設(shè)備中，這樣就能使其保持恒定的工作狀態(tài)，并且不會出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象；（2）壓縮機：通過對制冷壓縮機的合理配置，將制冷壓縮機的容量大小控制好，從而使其運轉(zhuǎn)的過程更加穩(wěn)定；（3）供水：為了保證供暖的質(zhì)量問題，必須有一定的供給量，否則會造成浪費。同時還要考慮當?shù)氐牡匦蔚孛?，避免發(fā)生意外的事故或者是人為的破壞等。

3.2 水源熱泵的平衡條件

平衡條件是指建筑物的供暖系統(tǒng)在滿足熱負荷的前提下，使其供回水溫度保持恒定不變，從而達到節(jié)能的目的；也可以稱為“冷工況”，即在夏季，由于室外的熱量無法通過蒸發(fā)器吸收，而需要將室內(nèi)的冷量全部用于提供所需的熱水；或者是在冬季，因為外界的環(huán)境因素，導致所需的水量減少，這時就應(yīng)該采用抽水泵的方式來進行補充。

（1）對地熱能的利用對于地熱的利用主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一是對地表的地下水加以回收，然后再利用水的形式來加熱，進而實現(xiàn)將地下的熱量轉(zhuǎn)化為電能的作用；二是把太陽能轉(zhuǎn)換成電能的能力用來儲存。（2）對空氣的利用：如果水源的位差較大，那么就會造成大量的煤炭、石油等不可再生的資源浪費，因此要充分地考慮到這一點，比如把可燃的煤油等經(jīng)過低溫液化之后再送入建筑中，這樣不僅能夠提高能源的使用效率，而且還能節(jié)約一部分的用電量。

3.3 水源熱泵系統(tǒng)的控制策略

由于熱泵機組的運行工況和工作條件的差異性，所以在設(shè)計的時候，需要對其進行合理控制與調(diào)節(jié)，這樣才能保證其正常的運轉(zhuǎn)和高效的使用；同時，還應(yīng)該對系統(tǒng)的溫度、流量以及壓力等參數(shù)的變化規(guī)律都有一定了解并采取相應(yīng)的調(diào)整措施，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定安全。（1）在實際的施工中，可以通過設(shè)置一個監(jiān)控點，來監(jiān)測系統(tǒng)的溫濕度、水壓等，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)來分析出影響系統(tǒng)的主要因素，從而確定最佳的控制策略。（2）在現(xiàn)場的一些大型建筑中，一般情況下，水源熱泵房的環(huán)境比較惡劣，因此必須采取有效的防凍手段，比如采用制冷循環(huán)，使水溫保持恒定，進而降低凍融災害的發(fā)生概率。（3）對于地下的管道而言，如果是直接埋設(shè)在土壤當中，那么就不能再增加管材的數(shù)量；而當?shù)叵滤宦袢氲酵恋刂?，就會導致管材的體積變小，并且會造成滲漏的問題出現(xiàn)。

3.4 水源熱泵的利用率

對水源熱泵進行有效地利用是保證其能夠正常運行的基礎(chǔ)條件，所以要想使其在地熱供暖工程中得到更好的應(yīng)用，就必須提高它的利用率。（1）在對地熱水的加熱過程中，存在著溫度的差異和環(huán)境的變化會導致冷水的溫度不同，因此要想使水溫保持恒定，就需要降低自來水的供水壓力，從而達到控制冷凝流量的目的。（2）在對地下水開采和地下水位下降等情況下，為了減少地表的冰凍現(xiàn)象，可以使用人工井點的方式來增加井點的高度。（3）如果是在夏季，則應(yīng)該采用低溫低壓的系統(tǒng)來代替高溫高壓的系統(tǒng)。（4）當水源的水質(zhì)比較差，而且又有季節(jié)性的影響時，則應(yīng)選用節(jié)假日的集中供冷模式，以滿足冬季的需求量。這樣既能做到環(huán)保又能節(jié)約成本。（5）對地熱泵系統(tǒng)進行優(yōu)化主要是為了提高熱泵的效率和效益。在對地熱能的開發(fā)利用中，可以通過以下方式：將地下水井作為一個儲存庫，在地下水位上升到一定程度后，再將其儲存在蓄水池中。利用地下車庫的儲罐將其存儲于庫內(nèi)，并與地面水一起使用。我國的地勢地貌類型不同，對于地表水資源的需求也就有所不同，因此在對地熱能的研究時，要考慮到當?shù)氐牡匦翁攸c，根據(jù)實際的情況選擇合適的方法來實現(xiàn)最大化地利用水資源。

3.5 敏感度控制

敏感度是指某一區(qū)域內(nèi)的某一溫度、壓力值與周圍環(huán)境的溫差的比值；敏感系數(shù)越大，則說明該溫度、壓力的變化對周邊的影響就越小，對其進行處理的難度就會降低。當熱泵的熱力工況發(fā)生變化時，其敏感性也隨之改變。例如在地熱水系統(tǒng)中，當水泵的排氣閥門打開時，水的存在會導致排氣管道中的空氣流量增加，從而使管道內(nèi)的氣壓增大，這就是一個非常危險的情況；當水的導程阻力加大，水流速度變大，則可能造成管壁的腐蝕和變形，甚至發(fā)生堵塞。因此在設(shè)計的時候要充分考慮到這些因素，并采取相應(yīng)的措施來避免這種安全事故的出現(xiàn)。

如果是在室外，那么就要盡可能地減少輻射對其的影響，對于地下水源，比如說河湖，可以適當?shù)靥岣咚吹膶С痰呢摵闪浚@樣不僅能夠減少管壁的腐蝕和變形，而且能使水面的升溫的幅度大大增高。地下水的開采和地下水位的下降對建筑物的影響很大，因此在施工前必須做好相關(guān)的準備工作，包括施工方案、技術(shù)措施等，以保證水源熱泵系統(tǒng)的正常運行。在進行施工前，要依據(jù)設(shè)計圖紙的要求制定出合理的施工流程，并對整個過程中可能出現(xiàn)的問題做詳細的記錄與說明。然后再由技術(shù)人員將現(xiàn)場的土體情況、水文條件以及氣象資料等信息傳遞給總承包商，總包方負責將這些數(shù)據(jù)上傳到總包方的電腦上，供業(yè)主參考。最后由總包單位把所有的數(shù)據(jù)匯總后，再統(tǒng)一交給監(jiān)理工程師，最終得到準確的計算結(jié)果。如果實際測量的參數(shù)與理論值有差異，需要及時調(diào)整。

3.6 土壤源

土壤源主要是指水文循環(huán)中的水文站，它是利用地下水資源，通過地下水源來進行能量的轉(zhuǎn)換和儲存的裝置設(shè)備。在熱泵系統(tǒng)的設(shè)計過程中，要考慮水源的溫度、壓力、流量等因素，從而保證在正常的工作條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)對地熱水的供應(yīng)和回收。

在熱泵機組的運行當中，要根據(jù)實際的情況選擇合適的土壤源，因為如果沒有足夠的熱量就不會對制冷壓縮機的運轉(zhuǎn)造成影響，所以說，需要從土壤的溫升率的角度出發(fā)，來確定土壤源的溫升率，進而達到降低耗能的目的；同時，還要注意到，土質(zhì)的性質(zhì)不一樣也會導致不同的制冷劑的使用量，比如說，當土質(zhì)的硬度比較低的時候就可以選用石灰石，而當含水量較高的時候就要采用堿穩(wěn)定劑，而且還應(yīng)該增加一些輔助的物質(zhì)；對于那些含有大量的雜質(zhì)或者是有害成分的制冷劑，例如氟利昂等，都不能直接用作土壤的熱能來源。

4.結(jié)語

綜上所述，在地熱泵系統(tǒng)中，地下水源熱泵機組是一種新型的節(jié)能型能源，其主要的優(yōu)點是：可以有效地利用水源的熱量；節(jié)約能耗；可實現(xiàn)無污染的運行模式。但是我國地熱能資源相對匱乏，而且受地理條件、氣候環(huán)境等因素的影響，所以應(yīng)該加大研究力度，使水源熱泵可以更好地應(yīng)用于生活中。