地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)及其在武漢地區(qū)的應(yīng)用

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1、 地源熱泵應(yīng)用概況

　　地源熱泵（GSHPS）是一個(gè)廣義的術(shù)語，它包括了使用土壤、地下水和地表水作為熱源和熱匯的系統(tǒng)，即地下耦合熱泵系統(tǒng)（ground-coupled heat pump systems, GCHPS），也叫地下熱交換器地源熱泵系統(tǒng)（ground heat exchanger）；地下水熱泵系統(tǒng)groundwater heat pumps, GWHPS）；地表水熱泵系統(tǒng)（surface water heat pumps, SWHPS）。

　　1.1 國外發(fā)展情況

　　地源熱泵系統(tǒng)由于采用的是可再生的地?zé)崮?，因此被稱之為：一項(xiàng)以節(jié)能和環(huán)保為特征的21世紀(jì)的技術(shù)。這項(xiàng)起始于1912年的技術(shù)（瑞士提出的一個(gè)專利，該技術(shù)的應(yīng)用始于英、美兩國），美國從1946年開始對GSHP系統(tǒng)進(jìn)行了十二個(gè)主要項(xiàng)目的研究，如地下盤管的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)、管材對熱泵性能的影響等。并在俄勒岡州的波特蘭市中心區(qū)安裝了美國第一臺(tái)地源熱泵系統(tǒng)。

　　特別是近十年來地源熱泵在歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國家取得了迅速的發(fā)展，已成為一項(xiàng)成熟的應(yīng)用技術(shù)。到2000年底，美國有超過40萬臺(tái)地源熱泵系統(tǒng)在家庭、學(xué)校和商業(yè)建筑中使用，每年約提供8000~11000Gwh的終端能量。

　　地源熱源在工程上的應(yīng)用主要為地下耦合熱泵系統(tǒng)（GCHPS）和地下水熱泵系統(tǒng)（GWHPS）、地表水熱泵系統(tǒng)（SWHPS）。

　　1.2 國內(nèi)發(fā)展應(yīng)用情況

　　1.2.1能源消費(fèi)現(xiàn)狀

　　到2040年，我國一次能源的總消費(fèi)量將達(dá)38.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，是現(xiàn)在能源消費(fèi)量的3倍。而到本世紀(jì)末，國內(nèi)每年最多可供應(yīng)的一次能源生產(chǎn)量為32億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。因此，我國今后較長期的能源消費(fèi)年均增長率應(yīng)控制在2.5%左右，直到2040年能源消費(fèi)實(shí)現(xiàn)零增長目標(biāo)。

　　我國已探明的能源總體儲(chǔ)量，煤炭儲(chǔ)量約占世界儲(chǔ)量的11%，原油占2.4%，天然氣僅占1.2%，我國人口約占世界人口的20%，人均能源占有量不到世界平均水平的一半。我國是煤炭大國，但世界七大煤炭大國中其余六國的的儲(chǔ)量比都在200年以上，只有我國的儲(chǔ)量不足百年。石油的儲(chǔ)量比為四十年，并且中國石油、天然氣的平均豐度值也僅為世界平均水平的57%和45%.

　　面對如此嚴(yán)峻的能源形勢，國家總的能源政策還是節(jié)能和新能源開發(fā)、再生能源利用并重，因此，地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用在我國具有極大的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的發(fā)展前景。

　　1.2.2地源熱泵應(yīng)用情況

　　地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括兩大部分：一是建筑物內(nèi)的水環(huán)路空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；二是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的地下部分的設(shè)計(jì)，即地下耦合熱泵系統(tǒng)的地下熱交換器、地表水熱泵系統(tǒng)的地表水熱交換器、地下水熱泵系統(tǒng)的水井系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　地下耦合熱泵系統(tǒng)最早應(yīng)用在89年10月投入運(yùn)行的上海閔行開發(fā)區(qū)辦公樓（4305m2，冷負(fù)荷4532KW，熱負(fù)荷231KW），其技術(shù)和設(shè)備均由美國提供，使用情況良好。135個(gè)深35米的垂直豎管井,埋管為聚丁烯管。國內(nèi)的大專院校均進(jìn)行了相關(guān)的垂直或水平埋地管的試驗(yàn)研究和小型的工程應(yīng)用,并建立了地埋管的傳熱模型。各地的地質(zhì)條件不同，土壤的溫度和熱物性參數(shù)都不一樣，因此，地下耦合熱泵的應(yīng)用還有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累。

　　地表水熱泵系統(tǒng)：地表水溫度受氣候的影響較大,與空氣源熱泵類似,武漢東湖等淺水性湖泊夏季水溫高于濕球溫度，無利用價(jià)值，冬季水溫略高于氣溫，可用作熱源水。實(shí)測數(shù)據(jù)表明寧波奉化江水7M深31.2℃，珠江底層31.8℃，江水熱污染很厲害，利用價(jià)值不大?？衫瞄L江水作為地表水熱泵系統(tǒng)的熱源，但冬季江水水位很低，從取水的經(jīng)濟(jì)性及防洪角度考慮，實(shí)際利用還是極難的。

　　地下水熱泵系統(tǒng)：綜合上述情況可以看到，目前在我國來說，技術(shù)上比較成熟、利用可行性較大、實(shí)施的工程項(xiàng)目較多的還是地下水熱泵系統(tǒng)。目前國內(nèi)生產(chǎn)水源熱泵機(jī)組的廠家也已達(dá)到二、三十家。因?yàn)閲鴥?nèi)還沒有頒布水源熱泵機(jī)組的生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量差別較大，從有些廠家的產(chǎn)品樣本來看，技術(shù)參數(shù)不完整、不準(zhǔn)確。因?yàn)楹芏嗌a(chǎn)廠家沒有實(shí)測手段，采用水源熱泵機(jī)組所需要的很多數(shù)據(jù)不能提供，甚至不排除某些技術(shù)力量差的廠家根本就沒有弄清楚水源熱泵機(jī)組和常規(guī)冷水機(jī)組的技術(shù)差異，直接就拿常規(guī)冷水機(jī)組來作為水源熱泵機(jī)組推銷到市場。目前就筆者所接觸到的廠家來看，只有一家國外公司能夠提供專用電腦軟件選型數(shù)據(jù)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)工況選擇合理和可信的機(jī)組配置和各種性能數(shù)據(jù)。

　　2、 地源熱泵在武漢地區(qū)的應(yīng)用

　　2.1 地下水源熱泵工程實(shí)例

　　2.1.1地下水源熱泵在湖北工程應(yīng)用最早的一家是位于荊州沙市的法雷奧汽車空調(diào)有限公司，采用的是西亞特LWP1800（545KW）螺桿水一水熱泵機(jī)組2臺(tái)，LGP350一臺(tái)（110KW），總制冷量是1200Kw，供應(yīng)一個(gè)車間（5000m2）和辦公部分（900m2）, 因取水量的限制取水井為一口50m3/h的井，制冷時(shí)另加一臺(tái)冷卻塔進(jìn)行補(bǔ)充。制熱時(shí)因車間本身設(shè)備散熱量較大，一口井取水完全能夠滿足供暖需要。夏季井水18.5℃，冬季17.8℃。2000年9月開始運(yùn)行。

　　2.1.2位于漢口循禮門的天與地音樂城，建筑面積5000m2,采用的是意大利克萊門特活塞式水源熱泵機(jī)組WRHH1202兩臺(tái)，總制冷量是720Kw，總制熱量是750Kw（其中供暖450Kw，利用熱回收系統(tǒng)供生活熱水300Kw）。打兩口井，一抽一灌，回灌在90%左右，井深47m，冬季出水20.5℃，取水量60m3/h.冬季運(yùn)行機(jī)組升溫很快，2小時(shí)不到機(jī)組供水溫度即可達(dá)到45℃以上。2002年6月開始運(yùn)行。

　　2.1.3武漢凌云科技集團(tuán)綜合廠房，總建筑面積11000m2, 其中4000m2辦公，7000m2生產(chǎn)廠房。選用法國西亞特螺桿式水源熱泵機(jī)組LWP2500二臺(tái)，總制冷量1440Kw，制熱量1900Kw，打井4口，每臺(tái)機(jī)組2口，一抽一灌。2002年10月開始運(yùn)行。

　　2.1.4漢口香港路香榭里花園4萬米2，總制冷量3200Kw，總制熱量2500Kw.設(shè)計(jì)選用克萊門特螺桿水源熱泵機(jī)組BE/SRHH2702三臺(tái)，制冷時(shí)冷凍水7/12℃，地下水18/32℃；制熱時(shí)供暖水40/50℃，地下水18/8℃。打井由武漢地質(zhì)工程勘察院承擔(dān)，每口井取水量80m3/h, 先打試驗(yàn)井，一抽一灌，取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行詳細(xì)周密的計(jì)算和水文地質(zhì)分析。設(shè)計(jì)三口取水井，五口回灌井，每口井回灌60%，分析計(jì)算認(rèn)為三口井同時(shí)抽水，五口井同時(shí)回灌時(shí)，場地南側(cè)地水水位有不到1m的下降，其它部位下降均小于0 .5m；南側(cè)的地面沉降有1cm，其它部位地面沉降小于0.5cm；大部分場地的不均勻沉降小于0.2‰，不致于對地質(zhì)構(gòu)成不良性的影響和影響建筑物的正常使用。2002年11月開始運(yùn)行。

　　2.1.5漢口東西湖武漢航達(dá)公司廠房綜合樓，建筑面積18000米2，采用克萊門特螺桿水源熱泵機(jī)組BE/SRHH2702兩臺(tái)，設(shè)計(jì)六口取水井，六口回灌井，每口井取水量20m3/h.2003年9月開始運(yùn)行。

　　2.1.6漢口百步亭花園小區(qū)綜合樓，建筑面積21000米2，采用西亞特螺桿式水冷冷水機(jī)組LWP2800一臺(tái), 螺桿式水源熱泵機(jī)組LWP1400兩臺(tái)，渦旋式水源熱泵機(jī)組LGP100一臺(tái),冰球配置105 m3.本工程是由冰蓄冷系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)合而為一的獨(dú)特的空調(diào)系統(tǒng),具有削峰填谷和節(jié)能環(huán)保的雙重意義。2004年11月開始運(yùn)行。

　　2.1.7湖北大學(xué)圖書館，建筑面積42000米2，采用克萊門特螺桿水源熱泵機(jī)組BE/SRHH3602三臺(tái)，總制冷量3850KW,總供熱量3100KW.設(shè)計(jì)三口取水井，六口回灌井，每口井取水量120m3/h.根據(jù)場地條件盡量拉大取水井的間距,在部分負(fù)荷狀態(tài)下,盡可能用足地下水溫差,減少用水量。2004年11月開始運(yùn)行。

　　2.1.8漢口福星惠譽(yù)辦公綜合樓，建筑面積10000米2 .采用西亞特公司螺桿式水源熱泵機(jī)組LWP1800兩臺(tái)?？傊评淞?090KW,總供熱量850KW.設(shè)計(jì)兩口取水井，四口回灌井，每口井取水量80m3/h.2003年11月開始運(yùn)行。

　　2.1.9湖北警官學(xué)院圖書館？￠體育館，建筑面積20000米2 .采用克萊門特螺桿水源熱泵機(jī)組BE/SRHH2702兩臺(tái)，總制冷量2300KW,總供熱量1600KW.設(shè)計(jì)兩口取水井，四口回灌井，每口井取水量80m3/h.

　　湖北警官學(xué)院學(xué)生食堂，建筑面積12000米2 .采用克萊門特螺桿水源熱泵機(jī)組BE/SRHH2702兩臺(tái)，總制冷量2300KW,總供熱量1600KW.設(shè)計(jì)兩口取水井，四口回灌井，每口井取水量80m3/h.2004年7月開始運(yùn)行。

　　2.2 地下耦合熱泵工程實(shí)例

　　2.2.1省公安廳駕校辦公大樓，建筑面積5000米2，采用克萊門特螺桿地源熱泵機(jī)組WRHH0802兩臺(tái)，總制冷量520KW,總供熱量370KW.利用室外場地進(jìn)行垂直埋管,共打孔220個(gè),間距4X4M,孔內(nèi)共埋設(shè)U型PE換熱管10000米,孔深30米。2002年11月開始運(yùn)行。

　　2.2.2清江花園小區(qū)共有兩棟小高層住宅，總建筑面積38000米2，采用克萊門特螺桿地源熱泵機(jī)組WRHH0802兩臺(tái)，總制冷量1560KW,總供熱量1000KW.利用小區(qū)中心花園下地下車庫底部進(jìn)行垂直埋管,共打孔220個(gè),間距4X3.5M,孔內(nèi)共埋設(shè)U型PE換熱管28000米,孔深在65-70米之間,中間以回填材料填實(shí)。2004年6月開始運(yùn)行。

　　3、 地源熱泵設(shè)計(jì)中應(yīng)重視的幾個(gè)問題

　　3.1水源和取水許可

　　使用水源熱泵的前提是必須有可供采取的充足的地下水源，漢口情況較好，地下水呈面狀分布，徑流緩慢，補(bǔ)給充足；武昌、漢陽就要根據(jù)具體情況掌握，地下水分布圖可找權(quán)威的水文技術(shù)行政部門了解咨詢。

　　有了水源以后，必須向水行政主管部門（水務(wù)局水資源管理處）申報(bào)，申報(bào)時(shí)必須有權(quán)威部門的地下水開采和回灌設(shè)計(jì)報(bào)告，得到批復(fù)后還必須繳交水資源使用費(fèi)（生活用0.02元/米3，工業(yè)用0.03元/米3）。申報(bào)時(shí)還必須附上第三方確認(rèn)，特別是取水井鄰近城市重大基礎(chǔ)設(shè)施和重點(diǎn)工程時(shí)。

　　3.2取水和回灌

　　從上面香榭里花園的水文地質(zhì)分析和計(jì)算結(jié)果可以看出，只取水不進(jìn)行有效回灌或回灌不慎造成地下水污染的都是極不負(fù)責(zé)任的行為，都會(huì)造成這項(xiàng)利國利民的好事以人人談之色變的惡名而夭折。并且這種不負(fù)責(zé)任的行為造成的損失是無法挽回的，天津唐沽地下水過量開采，導(dǎo)致海水滲透進(jìn)去，對生態(tài)造成嚴(yán)重破壞；西安由于地下水過量開采，導(dǎo)致大雁塔傾斜近1M，并且形成十三條縱、橫向裂縫，長達(dá)50公里，鐘樓下陷135mm.華北地區(qū)形成4萬平方公里的華北大漏斗。

　　武漢地區(qū)的地下水開采和回灌都是極為有利的，46米左右，不回灌沒有理由。

　　3.3水源熱泵機(jī)組能效比問題

　　現(xiàn)在有很多廠家出于商業(yè)競爭的需要，極力夸大水源熱泵節(jié)能、省錢效果，盲目提高所謂機(jī)組的能效比（有的機(jī)組COP值達(dá)到5.3甚至到6），實(shí)際上熱泵機(jī)組活塞機(jī)COP在3.8~4.2左右，螺桿機(jī)在4.0~4.6左右，水源熱泵機(jī)最多在此基礎(chǔ)上提高10%，充其量到5.而且單純宣揚(yáng)機(jī)組的COP值有多高也沒有任何的實(shí)際意義，應(yīng)該是談?wù)麄€(gè)水源熱泵系統(tǒng)的能效比，美國制冷學(xué)會(huì)（ARI）評(píng)定“地下水源熱泵”采用的就是水源熱泵系統(tǒng)的能效比，制冷工況時(shí)，地下水源熱泵系統(tǒng)的能效比（EER）=冷負(fù)荷/井泵功率+環(huán)路功率+水源熱泵功率；制熱工況時(shí)，地下水源熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)（COP）=熱負(fù)荷/井泵功率+環(huán)路功率+水源熱泵功率。在設(shè)計(jì)水源熱泵系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量加大地下水的利用溫差，減少地下水的使用量，在較小的地下水用量和最佳的水源熱泵機(jī)組工況的優(yōu)化組合下才能達(dá)到最高的水源熱泵系統(tǒng)的使用能效比。

　　3.4地表水水源熱泵機(jī)組的換熱問題

　　熱泵與地表水的換熱可采用開式循環(huán)或閉路循環(huán)兩種不同的形式。開式循環(huán)是用水泵抽取地表水在熱泵的換熱器中換熱后再排入水體。但在水質(zhì)較差時(shí)換熱器中易產(chǎn)生污垢，降低換熱效果，嚴(yán)重時(shí)甚至影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因而地表水熱泵系統(tǒng)一般采用閉路循環(huán)，即把多組塑料盤管沉入水體中，熱泵的循環(huán)液通過盤管與水體換熱，可以避免因水質(zhì)不良引起的污垢和腐蝕問題。由于地表水溫度受氣候的影響較大，與空氣源熱泵類似，當(dāng)環(huán)境溫度越低時(shí)熱泵的供熱量越小，而且熱泵的性能系數(shù)也會(huì)降低。一定的地表水體能夠承擔(dān)的冷熱負(fù)荷與其面積、深度和溫度等多種因數(shù)有關(guān)，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行計(jì)算。這種熱泵的換熱對水體中生態(tài)環(huán)境有無影響目前還未見到明確結(jié)論，必要時(shí)應(yīng)預(yù)先加以考慮。深水湖在夏季會(huì)產(chǎn)生溫度的分層，湖底保持較低的溫度；冬季湖面結(jié)冰后會(huì)限制湖水溫度的下降。從目前的實(shí)際工程情況來看，自然形成的淺水性湖泊受外界氣候或熱污染影響較大，人工深水湖（水庫）是可以提供給熱泵使用的較好的地表水體資源。

　　3.5地下耦合熱泵機(jī)組的換熱問題

　　地下耦合熱泵系統(tǒng)換熱器為一個(gè)由地下埋管組成的地?zé)釗Q熱器 （geothermal heat exchanger, 或ground heat exchanger）。地?zé)釗Q熱器主要有水平埋管和豎直埋管兩種設(shè)置形式。水平埋管形式是在地面開1~2米深的溝，每個(gè)溝中埋設(shè)2、4或6根塑料管。豎直埋管的形式是在地層中鉆直徑為0.1~0.15 m的鉆孔或利用管樁，在鉆孔或管樁中設(shè)置1組（2根）或2組（4根）U型管并用灌井材料填實(shí)。鉆孔的深度通常為40~200m.現(xiàn)場可用的地表面積是選擇地?zé)釗Q熱器形式的決定性因素，因此一般采用節(jié)省土地面積的豎直埋管地?zé)釗Q熱器。地?zé)釗Q熱器所需埋管的總長度需要根據(jù)埋管的形式、地下巖土的熱物性、地下的溫度和冷熱負(fù)荷的情況作詳細(xì)的計(jì)算才能確定。設(shè)置地?zé)釗Q熱器的主要費(fèi)用是鉆孔的費(fèi)用，正確設(shè)計(jì)地?zé)釗Q熱器埋管的長度對于保證系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性十分重要。在有條件時(shí)可以結(jié)合建筑樁基形式利用樁孔進(jìn)行埋管設(shè)置，可省去大量的鉆孔費(fèi)用，施工也極為方便快捷。

　　4 、結(jié)束語

　　地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國是一項(xiàng)新的技術(shù)，它是一項(xiàng)跨專業(yè)、跨學(xué)科的綜合能源利用技術(shù)，需要通過相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的通力協(xié)作，做好勘測、設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試等各項(xiàng)工作才能使系統(tǒng)達(dá)到要求的節(jié)能、環(huán)保性能。近幾年在全國各地已經(jīng)有大量工程投入使用，應(yīng)該積極對實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，以其使地源熱泵這項(xiàng)利國利民的可再生能源利用技術(shù)得到健康有序的發(fā)展。