暖通工程中的水源熱泵技術(shù)

申喜亮

（山西三建集團(tuán)有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)而言，能源是支撐其不斷向前邁進(jìn)的支柱性力量。在時(shí)代飛速發(fā)展的背景下，人類已經(jīng)進(jìn)入了現(xiàn)代社會(huì)，對(duì)能源的需求規(guī)模日益擴(kuò)大。而為了實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展，綠色清潔能源的開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)受到了社會(huì)各界的關(guān)注。因此，水源熱泵技術(shù)成為取代傳統(tǒng)暖通空調(diào)技術(shù)的優(yōu)選，其環(huán)保效益、節(jié)能效益以及經(jīng)濟(jì)效益均優(yōu)于前者，正在暖通工程中被廣泛推廣，且取得了良好的應(yīng)用效果。

1 水源熱泵技術(shù)的原理

通過地球水所儲(chǔ)藏的太陽能資源轉(zhuǎn)換冷源與熱源的空調(diào)技術(shù)即為水源熱泵技術(shù)。該技術(shù)主要是以水泵技術(shù)作為參照對(duì)象，使得熱量能夠從低溫物體中轉(zhuǎn)移到高溫物體中，實(shí)現(xiàn)熱量的有效提升，因此可以認(rèn)為，“水泵”實(shí)際上是這一技術(shù)形式中的“熱泵”的來源。地下水源熱泵系統(tǒng)基本能夠被細(xì)分為3個(gè)更加細(xì)致的系統(tǒng)，分別是水源系統(tǒng)、熱泵機(jī)組以及用戶末端系統(tǒng)[1]。當(dāng)處于冬季時(shí)，地下水的溫度通常會(huì)高于地表溫度，所以，此時(shí)地下水就可以充當(dāng)“熱源”，將地下水引入熱泵機(jī)組蒸發(fā)器之后，其自身的熱量將會(huì)轉(zhuǎn)移到制冷劑中，并在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間完成回灌。與此同時(shí)，制冷劑會(huì)繼續(xù)傳輸熱量，直至將其運(yùn)輸?shù)嚼淠髦写嬗械臒崴?，但值得注意的是，此時(shí)的熱水本身的溫度較低，在其吸收到來源于冷凝器中的熱量之后，將會(huì)被傳輸?shù)接脩裟┒讼到y(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)取暖。當(dāng)處于夏季時(shí)，地下水的溫度則會(huì)低于地上的溫度，因此，此時(shí)地下水又可以充當(dāng)“冷源”，在將地下水引入熱泵機(jī)組之后，冷凝器會(huì)促使制冷劑本身的熱量逐步消散，同時(shí)在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)完成回灌。與此同時(shí)，制冷劑將會(huì)繼續(xù)將冷量轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)器中存放的冷凍水，當(dāng)冷凍水自身的溫度下降到一個(gè)更低的水準(zhǔn)時(shí)，則會(huì)被再一次轉(zhuǎn)移到用戶末端系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)制冷。

2 水源熱泵技術(shù)在暖通工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

相較于以往的暖通工程空調(diào)系統(tǒng)，水源熱泵技術(shù)在暖通工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下3個(gè)層面。

2.1 具備良好的經(jīng)濟(jì)性

在與過去的暖通空調(diào)技術(shù)相比較時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，由于水源熱泵技術(shù)在應(yīng)用加工期間以地下水系統(tǒng)作為主要的能源來源，這種熱泵系統(tǒng)本身的容量較大，這也意味著其在實(shí)際應(yīng)用期間投入的運(yùn)行費(fèi)用將會(huì)更低，相較于暖通空調(diào)，其運(yùn)行成本規(guī)模將會(huì)縮減18%～54%。不僅運(yùn)行費(fèi)用降到更低的水準(zhǔn)，并且系統(tǒng)的維護(hù)成本也更少。由此可見，水源熱泵技術(shù)在應(yīng)用期間的經(jīng)濟(jì)性十分優(yōu)良。通常來說，如果應(yīng)用水源熱泵技術(shù)的暖通工程的安裝容量超出528kW，并且工程井深處于180～540m時(shí)，該系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)更加優(yōu)良。不僅如此，在經(jīng)過專業(yè)人士的預(yù)估和計(jì)算之后可以發(fā)現(xiàn)，地下水源熱泵技術(shù)的投資增量回收期年限約為4～10年。

2.2 具備良好的節(jié)能性

相較于地表全年溫度而言，地下水的常年溫度表現(xiàn)出冬暖夏涼的局面，原因在于地球表層用于隔熱和蓄熱的能力。因此，使用地下水的水源熱泵技術(shù)可以將建筑物中存在的熱量帶走，其制熱效果和制冷效果均處于較高水準(zhǔn)[2]。

2.3 具備良好的環(huán)保性

通過對(duì)水源熱泵技術(shù)的原理進(jìn)行分析之后可以發(fā)現(xiàn)，地下水為該系統(tǒng)應(yīng)用期間的基本傳熱介質(zhì)，因此，在冬季進(jìn)行取暖時(shí)，無須像過去一樣使用鍋爐系統(tǒng)，這也意味著燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的污染性氣體將會(huì)大幅減少，實(shí)現(xiàn)了有效的環(huán)境保護(hù)。不僅如此，這也意味著消耗的燃料規(guī)模得到了有效降低，節(jié)能效果優(yōu)良。在夏季制冷時(shí)，也不再需要使用冷卻水塔，這實(shí)現(xiàn)了水資源消耗規(guī)模、霉菌污染程度以及噪聲污染程度的有效降低。同時(shí)，當(dāng)水源熱泵系統(tǒng)在夏季進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，建筑物內(nèi)部的熱量還會(huì)被傳輸?shù)降叵?，并未轉(zhuǎn)移到空氣中，這對(duì)于減輕城市熱島效應(yīng)而言也是十分有利的。

3 水源熱泵技術(shù)在暖通工程中應(yīng)用期間存在的問題

就現(xiàn)階段暖通行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r來看，水源熱泵在其中的應(yīng)用范圍呈現(xiàn)出逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)，作為一種節(jié)能、高效的可再生能源利用技術(shù)，水源熱泵技術(shù)的有關(guān)技術(shù)體系愈發(fā)完善。不過，就現(xiàn)如今水源熱泵技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用狀況來看，仍然存在著一些不容忽視的問題。

3.1 勘察、分析與設(shè)計(jì)存在偏差

從本質(zhì)上來說，水源熱泵技術(shù)實(shí)際上是一種有著較強(qiáng)綜合性的技術(shù)，而不是單純的暖通技術(shù)[3]。我國有著遼闊的國土面積，從南至北、從東至西的緯度和經(jīng)度跨度均較大，加之各個(gè)地區(qū)與海洋之間的距離存在差異，使得我國各個(gè)區(qū)域的氣候條件和水文地質(zhì)條件表現(xiàn)出其獨(dú)有的特征，不同地區(qū)在應(yīng)用暖通工程時(shí)所提出到的要求也不相同?；谶@種情況，在將水源熱泵技術(shù)應(yīng)用到暖通工程建設(shè)中時(shí)，需要對(duì)所處區(qū)域的實(shí)際情況進(jìn)行全方位地調(diào)研與勘察，確保項(xiàng)目建設(shè)場(chǎng)地地下水的水溫條件、污染物質(zhì)含量以及水質(zhì)等多項(xiàng)指標(biāo)均能夠與水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求相滿足。除此之外，工作人員還應(yīng)當(dāng)深入了解工程地下水源周圍區(qū)域的環(huán)境，確保其具備順利建設(shè)熱源井的條件。不過就實(shí)際情況來看，在實(shí)際開展工作的過程中，工程設(shè)計(jì)人員在對(duì)水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)往往更加傾向于依賴自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，忽視了分析項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域條件的工作，同時(shí)也未在結(jié)合實(shí)際情況的基礎(chǔ)上論證自身的設(shè)計(jì)方案，最終導(dǎo)致生成的設(shè)計(jì)方法和水源熱泵系統(tǒng)的具體運(yùn)行參數(shù)之間呈現(xiàn)出較為嚴(yán)重的差異，使得節(jié)能效果難以達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 回灌技術(shù)不當(dāng)破壞地下水系統(tǒng)

水源熱泵技術(shù)本身屬于一種綠色節(jié)能技術(shù)，在將其應(yīng)用到暖通工程中時(shí)，一項(xiàng)重要任務(wù)即為保障生態(tài)系統(tǒng)平衡，倘若在水源熱泵系統(tǒng)中對(duì)出現(xiàn)開采地下水資源過度的情況，導(dǎo)致地表下沉現(xiàn)象產(chǎn)生的可能性就會(huì)加大，這種情況將會(huì)對(duì)建筑物使用安全和地表道路的使用安全產(chǎn)生較大的威脅[4]。為了避免這種情況的產(chǎn)生，在對(duì)地下水資源進(jìn)行開采時(shí)，保證100%同層回灌是其中的關(guān)鍵一環(huán)。與此同時(shí)，還需要按照暖通工程項(xiàng)目本身的具體情況完成恰當(dāng)?shù)幕毓嗉夹g(shù)的選擇，從而最大限度地減少浪費(fèi)地下水資源的規(guī)模。就現(xiàn)階段我國在應(yīng)用水源熱泵技術(shù)時(shí)的具體情況來看，由于微生物生長、氣泡堵塞、化學(xué)沉淀以及懸浮物沉淀等多種因素的存在，導(dǎo)致地下水資源難以實(shí)現(xiàn)全部回灌，這不僅會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生一定的消極影響，還會(huì)在不同程度上破壞地下水系統(tǒng)。

4 水源熱泵技術(shù)在暖通工程中應(yīng)用的實(shí)際案例

4.1 案例簡介

本文案例為一寫字樓建筑群中的暖通工程項(xiàng)目，分析水源熱泵技術(shù)在其中的應(yīng)用。該寫字樓建筑群共涉及4棟建筑物，其中有一棟建筑物包含地上地下兩部分，地下1層，地上9層，余下3棟建筑物均只涉及地上部分，且其層數(shù)均為5層。該建筑群的整體建筑面積共計(jì)25000m2，建筑物水源熱泵系統(tǒng)末端設(shè)計(jì)的熱負(fù)荷與冷負(fù)荷功率分別為1696kW和2438kW。與此同時(shí)，該建筑群的暖通工程中還涉及10口熱源井，以滿足建筑物中人員的制冷和取暖需要。在這10口熱源井中，共涉及1口備用井、7口回水井以及2口抽水井。與此同時(shí)，這一項(xiàng)目中還包含4臺(tái)潛水泵，這之中還包含2臺(tái)備用的潛水泵。當(dāng)處于夏季時(shí)，水源熱泵機(jī)組的冷水供水溫度和回水溫度分別可以達(dá)到7°C和12°C；當(dāng)處于冬季時(shí)，水源熱泵機(jī)組的熱水供水溫度和回水溫度則分別可以達(dá)到45°C和40°C。與此同時(shí)，還將風(fēng)機(jī)排管設(shè)備安裝在了水源熱泵系統(tǒng)末端。

4.2 水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

在該寫字樓建筑群內(nèi)部水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期間，依托人為力量進(jìn)行設(shè)置是冷凍水供水溫度設(shè)置的最主要形式。具體來說，系統(tǒng)管理人員應(yīng)當(dāng)在與自身工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的基礎(chǔ)上大致預(yù)測(cè)水源熱泵系統(tǒng)啟用時(shí)的供水溫度區(qū)間，并進(jìn)行科學(xué)地調(diào)節(jié)。在水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，通常情況下，當(dāng)室內(nèi)熱負(fù)荷水平越高時(shí)，設(shè)定的供水溫度參數(shù)值將會(huì)隨之呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，通常來說，供水溫度的變化范圍往往會(huì)處于±3°C。從理論層面的角度出發(fā)，如果設(shè)定的供水溫度處于較低水準(zhǔn)時(shí)，那么建筑物室內(nèi)溫度減弱的幅度將會(huì)比較明顯且下降速度較快。當(dāng)室內(nèi)的溫度條件可以與熱舒適性條件相符合時(shí)，供水溫度仍然保持在初始狀態(tài)，那么出現(xiàn)浪費(fèi)冷量情況將會(huì)成為一種必然現(xiàn)象。不僅如此，在這種情況下甚至?xí)幸恍┧礋岜媚┒擞脩敉ㄟ^打開門窗的方式對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這無異于浪費(fèi)能源[5]。

在對(duì)當(dāng)前水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析之后可以發(fā)現(xiàn)。如果2臺(tái)機(jī)組在同一時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，并且此時(shí)2臺(tái)備用機(jī)組的旁通閥保持在開啟狀況，那么機(jī)組主供水和冷凍水出水的溫度將會(huì)存在一定的差異，通常會(huì)保持在2～3°C左右。在循環(huán)水泵處于工頻運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，冷凍水的實(shí)際流量可以達(dá)到180～190m3/h；如果2臺(tái)機(jī)組在同一時(shí)間運(yùn)行，且此時(shí)另外2臺(tái)備用機(jī)組的旁通閥處于關(guān)閉狀態(tài)，那么此時(shí)水源熱泵機(jī)組主供水和冷凍水出水的溫度將會(huì)大致保持在相同的狀態(tài)，冷凍水流量相較于前者也會(huì)呈現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)，降低至130～140m3/h。通過對(duì)這兩種情況進(jìn)行分析之后可知，當(dāng)備用機(jī)組的旁通閥處于開啟狀態(tài)時(shí)，冷凍水的流量將會(huì)處于一個(gè)更高水準(zhǔn)。在此期間，一部分冷凍水回收將會(huì)與機(jī)組冷凍水出水匯合，共同流入冷凍水主供水管道中去，而另一部分冷凍水回水將會(huì)流經(jīng)空調(diào)機(jī)組制冷；當(dāng)備用機(jī)組的旁通閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，水源熱泵機(jī)組的冷凍水流量相較于前者也會(huì)更少，在這種狀態(tài)下，所有的冷凍水回水均會(huì)經(jīng)過機(jī)組制冷處理。

4.3 水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化措施

通過對(duì)該寫字樓建筑群的水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行研究之后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用期間還具備著十分可觀的節(jié)能潛力，這也意味著其節(jié)能效益將會(huì)得到進(jìn)一步提升。而在實(shí)現(xiàn)在這一目的的過程中，實(shí)現(xiàn)初始供水溫度設(shè)定的優(yōu)化是其中的關(guān)鍵一環(huán)。具體來說，在設(shè)定初始供水溫度的過程中，當(dāng)系統(tǒng)管理人員啟動(dòng)水源熱泵機(jī)組時(shí)，所設(shè)定的供水溫度需要保持在一個(gè)較低的水準(zhǔn)，同時(shí)在掌握建筑物室內(nèi)溫度條件的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行合理的設(shè)置。此外，當(dāng)建筑物室內(nèi)的溫度條件能夠達(dá)到熱舒適性的要求之后，系統(tǒng)管理人員就可以將供水溫度的設(shè)定值適當(dāng)提高，從而保證建筑物室內(nèi)的溫度條件能夠處于一個(gè)合理的區(qū)間。通過這種設(shè)定溫度的模式，不僅能夠?qū)⑺礋岜孟到y(tǒng)的功能進(jìn)行充分發(fā)揮，同時(shí)還在很大程度上防止了浪費(fèi)冷量情況的產(chǎn)生。

為了可以對(duì)實(shí)際產(chǎn)生的能源節(jié)約效果進(jìn)行確定，還需要利用相應(yīng)的試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)包括旁通閥關(guān)閉試驗(yàn)以及冷凍水供水溫度調(diào)節(jié)試驗(yàn)。具體的試驗(yàn)內(nèi)容共分為兩個(gè)部分：首先，旁通閥關(guān)閉試驗(yàn)。通過上述內(nèi)容中對(duì)該建筑物群水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析之后可以得知，備用機(jī)組旁通閥裝置的開啟或關(guān)閉將會(huì)影響主冷凍水的主供水溫度，倘若該溫度下降到了溫度控制范圍的最小值，此時(shí)壓縮機(jī)將會(huì)被自動(dòng)關(guān)閉。在保證氣象情況大致保持相同條件的基礎(chǔ)上，分別對(duì)旁通閥開啟時(shí)和關(guān)閉時(shí)水泵熱源系統(tǒng)的整體運(yùn)行電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。其次，冷凍水供水溫度調(diào)節(jié)試驗(yàn)。在對(duì)冷凍水供水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，將溫度調(diào)節(jié)范圍設(shè)定為（-1～+2）°C。倘若供水溫度超出了設(shè)定的溫度值，即需要對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行關(guān)閉，并在保證氣象情況大致保持相同條件的基礎(chǔ)上，分別對(duì)溫度設(shè)定值存在差異情況下系統(tǒng)的整體運(yùn)行電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過這兩項(xiàng)試驗(yàn)之后可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改進(jìn)之后的水源熱泵系統(tǒng)可以在很大程度上防止系統(tǒng)供水溫度設(shè)定值下降到較低水平，同時(shí)旁通閥的開啟和關(guān)閉也會(huì)對(duì)能源消耗量產(chǎn)生影響，因此在系統(tǒng)運(yùn)行期間，系統(tǒng)管理人員應(yīng)當(dāng)對(duì)這項(xiàng)內(nèi)容加以關(guān)注，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)。

5 結(jié)語

綜上所述，在人們環(huán)保意識(shí)不斷提升的背景下，暖通工程中水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用范圍得到了充分拓寬，該技術(shù)的應(yīng)用能夠與人們制冷和取暖的需求相匹配。就當(dāng)前水源熱等技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀而言，運(yùn)行方式、系統(tǒng)配置、建筑類型以及水文地質(zhì)條件等均會(huì)對(duì)技術(shù)應(yīng)用效果產(chǎn)生影響。為此，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)提升勘察設(shè)計(jì)、技術(shù)優(yōu)化和運(yùn)行改進(jìn)的質(zhì)量，確保水源熱泵技術(shù)的效能可以得到切實(shí)發(fā)揮，削弱技術(shù)應(yīng)用期間產(chǎn)生的不利影響，切實(shí)實(shí)現(xiàn)建筑物和所在區(qū)域及周邊環(huán)境的和諧共處。