水源熱泵技術在暖通工程中的應用

單 卓

（創(chuàng)元建工集團有限公司,湖南 長沙 410000）

能源是社會與經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，進入現(xiàn)代社會，人類對能源的實際需求呈持續(xù)增長的態(tài)勢[1]。基于此背景下，各種綠色清潔能源被廣泛關注。建筑行業(yè)作為能耗高地，必須重視清潔能源的開發(fā)利用，有效降低建筑物實際運行能耗[2-3]。水源熱泵技術作為一種利用地下水熱能的新技術，與傳統(tǒng)暖通空調技術相比具有更好的經(jīng)濟、節(jié)能以及環(huán)保效益，因此逐漸得到推廣應用。

1 水源熱泵技術的提出

2021年世界能源統(tǒng)計年鑒顯示：2020年，美、印、俄的能源消費量下降，而中國的能源消費量增幅顯著，同比增長達2.1%[4]。從我國能源結構來看，依舊以化石燃料為主（煤炭、石油等），但是基于我國在能源結構優(yōu)化方面的不斷努力，清潔能源生產規(guī)?？焖僭黾樱?，2020年規(guī)模以上工業(yè)水電、核電、風電、太陽能發(fā)電等在全部發(fā)電量中的占比達到了28.8%，天然氣、水電、核電、風電等清潔能源消費量的占比也提高了1.1%。

在這種情形下，地熱能開始進入人們的視線，成為暖通工程的重要清潔能源，而《地熱能開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》的發(fā)布更是奠定了地熱能的重要地位[5]。從國內勘查開發(fā)成果來看，淺層地熱能資源分布廣泛，336個地級以上城市的可開采量折合標準煤7億t?？傮w來看，我國地熱資源豐富，如何有效利用地熱資源十分關鍵，文中主要以水源熱泵技術為研究對象展開詳細分析，此技術主要是利用被熔巖加熱的地下水為地上建筑供冷或是供熱[6]。水源熱泵技術擁有諸多優(yōu)點，包括效率高、綠色環(huán)保、節(jié)約能源等。

2 水源熱泵技術原理及其應用面臨的問題

2.1 水源熱泵技術原理

在水源熱泵技術中，“熱泵”這一名詞源于“水泵”，參考水泵技術使熱量從低溫物體傳輸至高溫物體，有效提升熱量[7-8]。

地下水源熱泵系統(tǒng)主要可分為三大子系統(tǒng)，包括用戶末端系統(tǒng)、熱泵機組、水源系統(tǒng)。如圖1所示，冬季地下水為“熱源”，在進入熱泵機組蒸發(fā)器后熱量傳至制冷劑，并及時回灌，而制冷劑繼續(xù)將熱量傳至冷凝器中的低溫熱水，熱水吸熱后被重新輸送至用戶末端，達到供熱目的。如圖2所示，夏季地下水為“冷源”，在進入熱泵機組冷凝器后將制冷劑熱量帶走，并及時回灌，而制冷劑繼續(xù)將冷量傳至蒸發(fā)器中的冷凍水，冷凍水溫度降低后被重新輸送至用戶末端，達到供冷目標。

圖1 地下水源熱泵冬季供暖模式

圖2 地下水源熱泵夏季供暖模式

2.2 水源熱泵技術應用優(yōu)勢及面臨的問題

2.2.1 應用優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的暖通空調技術相比，水源熱泵技術在暖通工程中的應用主要有以下優(yōu)勢。

（1）經(jīng)濟性良好。與傳統(tǒng)暖通空調相比，地源熱泵容量大，運行費用可節(jié)約18%～54%，維護費用更低，具有較好的經(jīng)濟性。當安裝容量＞528 kW，井深控制在180～240 m時，經(jīng)濟性較好。此外，據(jù)專家初步計算，地下水源熱泵技術投資增量回收期為4～10 年[9]。

（2）節(jié)能性較好。由于地球表層具有蓄熱、隔熱效果，地下水常年溫度與全年氣溫相比呈冬暖夏涼的特點，可帶走建筑物內的熱量或是輸送多余的熱量，且制冷能效比、制熱性能系數(shù)均較高。

（3）環(huán)境效益顯著。地下水源熱泵系統(tǒng)以地下水為傳熱介質，冬季無須使用鍋爐系統(tǒng)，減少了廢氣等污染物的排放，有利于資源節(jié)約、環(huán)境保護；夏季無須使用冷卻水塔，減少了噪音、霉菌污染以及水資源消耗等問題[10]。此外，夏季水源熱泵系統(tǒng)將建筑內的熱量轉移至地下，未排放至大氣環(huán)境內，有利于緩解城市熱島效應。

2.2.2 面臨的一些問題

目前，水源熱泵技術作為一種高效、節(jié)能的可再生能源利用技術，相關技術體系逐漸成熟，且得到了推廣應用[11]。結合相關實踐情況來看，在暖通工程中應用水源熱泵技術依舊存在一些問題。

（1）勘查分析、設計方面的問題。地下水源熱泵技術并非單純的暖通技術，而是一種綜合性技術。我國地域遼闊，各地的水文地質條件不同，對項目所在地進行詳細勘查與調研十分必要，以保證地下水水源的水質、污染物含量、水溫等指標均滿足系統(tǒng)運行要求，同時也要調研地下水源周邊場地條件，保證熱源井的順利布置[12]。此外，設計人員在設計部分水源熱泵系統(tǒng)時主要依據(jù)自身設計經(jīng)驗，未針對項目所在地區(qū)進行適應性分析、方案論證，以致系統(tǒng)實際運行指標與前期方案存在較大偏差，不能獲得理想的節(jié)能效果。

（2）回灌技術問題。在暖通工程中應用地下水源熱泵技術，必須重視生態(tài)系統(tǒng)平衡問題，如果過度開采地下水，極易引發(fā)地表下沉等問題，威脅地表道路、建筑物的使用安全。因此，開采地下水應做到100%同層回灌，并根據(jù)項目實際情況合理選擇回灌技術，減少地下水資源浪費。從我國水源熱泵技術運用實踐情況來看，懸浮物、化學沉淀、氣泡堵塞以及微生物生長等問題導致地下水無法完全回灌，給系統(tǒng)運行帶來不利影響，甚至導致地下水系統(tǒng)被破壞[13]。

（3）水質問題。在地下水源熱泵系統(tǒng)中，地下水有重要的熱量儲存作用，如果系統(tǒng)規(guī)模小就不會對地下水冷熱量平衡產生較大影響，如果系統(tǒng)規(guī)模大且存在長期冷熱量轉移的情況，就極易導致地下水冷熱量失衡，進而導致生態(tài)系統(tǒng)失衡。根據(jù)地下水源熱泵系統(tǒng)運行情況分析可得，回灌水和原始含水層存在溫度差異，會造成回灌井乃至抽水井周邊地下水溫度的改變，即出現(xiàn)“熱短路”現(xiàn)象，并進一步對地下水造成不利影響；地下水源熱泵系統(tǒng)也會影響地下水的水質，這主要是由于地下水被抽取上來后難免與外界環(huán)境接觸，水體含氧量發(fā)生變化，或是將機組微生物等帶入含水層，產生地下水污染問題[14]。

（4）運行管理問題。在暖通工程中應用地下水源熱泵技術，良好的運行管理十分關鍵。一方面相關部門需建立完善的報批、監(jiān)管和驗收制度，保證地下水源熱泵系統(tǒng)建設質量達標，不會對地下水環(huán)境產生污染，或是存在資源浪費的問題；另一方面應由專業(yè)的運行管理人員負責地下水源熱泵系統(tǒng)的維修養(yǎng)護工作，發(fā)揮系統(tǒng)應有的節(jié)能環(huán)保效益，同時及時解決系統(tǒng)在運行中存在的問題，提高系統(tǒng)運行效率，獲得理想的應用效益。

3 實例探析水源熱泵技術在暖通工程中的應用

3.1 項目概況

本項目為某辦公建筑提供水源熱泵技術，該建筑包括1#、2#、3#、4#共計4棟建筑物，其中1#地上9層、地下1層，其余均為5層建筑。建筑總面積25 000 m2，空調末端設計冷負荷、熱負荷分別為2 438 kW、1 696 kW，具體機組配置與運行控制方法如表1所示。

表1 機組配置與運行控制方法

熱源井設置10口，其中，抽水井、回水井數(shù)量分別為2口和7口，備用1口抽水井；潛水泵設置4臺，其中，備用2臺。夏季冷水供回水、冬季熱水供回水溫度分別為7℃/12℃、45℃/40℃，末端設置風機盤管。系統(tǒng)運行原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)運行原理示意圖

3.2 水源熱泵系統(tǒng)運行現(xiàn)狀

此建筑水源熱泵系統(tǒng)在運行過程中，冷凍水的供水溫度主要采用人為設置的方法，即運行人員主要結合自身經(jīng)驗，對開機時的供水溫度范圍進行預測，圖4為熱負荷與供水溫度變化示意圖。在系統(tǒng)運行時，一般室內熱負荷越高，供水溫度設定的參數(shù)值就越低，供水溫度的波動情況維持在3 ℃上下。理論上，當供水的溫度設定較低時，室內溫度下降更為迅速；一旦室內溫度滿足熱舒適性條件后，依舊維持初始的供水溫度，就必然造成冷量的浪費，一些末端用戶甚至采取開窗的方式調節(jié)溫度。

圖4 熱負荷與供水溫度變化示意圖

根據(jù)水源熱泵系統(tǒng)運行現(xiàn)狀分析可知，當2臺機組同時運行時，2臺備用機組旁通閥處于開啟狀態(tài)，機組冷凍水出水與主供水溫差2～3 ℃，循環(huán)水泵工頻運行時冷凍水流量180～190 m3/h；在關閉旁通閥后，則溫度基本一致，冷凍水流量130～140 m3/h。由此可得，開啟旁通閥，冷凍水流量大，一部分冷凍水回水經(jīng)過機組制冷，另一部分冷凍水回水與機組冷凍水出水匯合，進入冷凍水主供水管道；關閉旁通閥，冷凍水流量小，冷凍水回水全部經(jīng)過機組制冷處理。

3.3 系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化策略

此水源熱泵系統(tǒng)運行情況顯示，系統(tǒng)還具有較大節(jié)能潛力，優(yōu)化初始供水溫度設定是一項重要措施，具體設定方法為：在開啟機組時，供水溫度的設定值應較低，并按照室內環(huán)境設置機組運行時間；在室內溫度滿足熱舒適性條件后，提高供水溫度的設定值，將室內溫度穩(wěn)定在一定范圍內。采取此種溫度設定方法，在達到系統(tǒng)運行目標的同時，避免了冷量浪費。

為確定實際節(jié)能效果，開展了冷凍水供水溫度調節(jié)實驗以及旁通閥關閉實驗，具體如下：①冷凍水供水溫度調節(jié)實驗。以供水溫度+2 ℃、-1 ℃為控制區(qū)間，如果供水溫度超限，就啟停壓縮機。在確保氣象數(shù)據(jù)相近的前提下，統(tǒng)計不同設定溫度下系統(tǒng)的運行電量。②旁通閥關閉實驗。根據(jù)水源熱泵系統(tǒng)運行現(xiàn)狀分析，旁通閥的啟閉會對主冷凍水的主供水溫度產生影響，如果冷凍水主供水溫度達到控制區(qū)間下限，就自動關閉壓縮機。在確保氣象數(shù)據(jù)相近的前提下，統(tǒng)計旁通閥啟閉時系統(tǒng)的運行電量。

經(jīng)由試驗數(shù)據(jù)分析可得以下結論：①優(yōu)化后的系統(tǒng)運行，有效避免了供水溫度設定值處于過低水平；②當外界氣溫、變化趨勢基本一致時，冷凍水供水溫度由11 ℃升至12 ℃，2 h累計耗電量減少37.8 kW·h；③旁通閥啟閉影響循環(huán)水泵功耗，在35 Hz頻率下運行3 h，關閉旁通閥，累計耗電量減少7 kW·h。

4 結語

綜上所述，隨著國內人們環(huán)保意識的增強和綠色能源的推廣，水源熱泵技術在暖通工程中的應用規(guī)模不斷擴大，能滿足取暖制冷要求。從現(xiàn)階段水源熱泵技術的實際運用情況來看，水源熱泵技術受到諸多因素的影響，如水文地質條件、建筑類型、系統(tǒng)配置以及運行策略等，對此必須做好前期勘察設計、技術改進及相關運行優(yōu)化工作，充分發(fā)揮水源熱泵技術的節(jié)能、經(jīng)濟效益，有效控制其對地下水系統(tǒng)的影響，防止地下水被過度抽取或是出現(xiàn)污染情況，真正實現(xiàn)建筑物與周邊環(huán)境的和諧共處。