水源熱泵技術(shù)簡(jiǎn)介

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【討論】水源熱泵技術(shù)簡(jiǎn)介
1． 水源熱泵定義
　　水源熱泵是以水為介質(zhì)來(lái)提取能量實(shí)現(xiàn)制熱和制冷的一個(gè)或一組系統(tǒng)。針對(duì)水源熱泵機(jī)組，就是通過(guò)消耗少量高品位能量，將地表水中不可直接利用的低品位熱量提取出來(lái)，變成可以直接利用的高品位能源的裝置。 水源熱泵是利用太陽(yáng)能和地?zé)崮軄?lái)制冷、供熱，應(yīng)該說(shuō)其屬熱泵中“地源熱泵”的一種。 經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試及不同地區(qū)熱泵的應(yīng)用實(shí)例測(cè)算，水源熱泵制熱的性能系數(shù)在3.3—4.4之間，制冷的性能系數(shù)在4.1—5.8之間。

　　2. 水源熱泵工作原理

　　地球表面淺層水源（如深度在1000米以?xún)?nèi)的地下水、地表的河流、湖泊和海洋）吸收了太陽(yáng)進(jìn)入地球的輻射能量，這些水源的溫度一般都十分穩(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，所以可以高效地帶走熱量，而冬季，則從水源中提取能量，由熱泵原理通過(guò)空氣或水作為制冷劑提升溫度后送到建筑物中。通常水源熱泵水泵消耗1kW的能量，用戶(hù)可以得到4kW以上的熱量或冷量。 水源熱泵根據(jù)對(duì)水源的利用方式的不同，可以分為閉式系統(tǒng)和開(kāi)式系統(tǒng)兩種。閉式系統(tǒng)是指在水側(cè)為一組閉式循環(huán)的換熱盤(pán)管，該組盤(pán)管一般水平或垂直埋于湖水或海水中，通過(guò)與湖水或海水換熱來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移（該組盤(pán)管直接埋于土壤中的系統(tǒng)稱(chēng)為土壤源熱泵，也是地源熱泵的一種）；開(kāi)式系統(tǒng)是指從地下或地表中抽水后經(jīng)過(guò)換熱器直接排放的系統(tǒng)。 水源熱泵無(wú)論是在制熱還是制冷過(guò)程中均以水為熱源和冷卻介質(zhì)，即用切換工質(zhì)回路來(lái)實(shí)現(xiàn)制熱和制冷的運(yùn)行。然而，更為方便的是由水回路中的三通閥來(lái)完成。雖然在水源熱泵系統(tǒng)圖中表示了水源直接進(jìn)入蒸發(fā)器（制冷時(shí)為冷凝器），在某些場(chǎng)合，為避免污染封閉的冷水系統(tǒng)（通常是處理過(guò)的），需間接地用一個(gè)換熱器來(lái)供水；另一種方法是利用封閉回路的冷凝器水系統(tǒng)。 水作為熱泵制熱、制冷過(guò)程的介質(zhì)，滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件即可利用:一是水的溫度在7℃~30℃之間，二是水量要充足。水源水可以是各種工業(yè)用廢水、生活用水、海水、江、河水等，甚至是各種工業(yè)余熱。提取水中的熱（冷）量比較簡(jiǎn)單易行的方式是打井，利用井泵提取地下水作為循環(huán)介質(zhì)。

　　由于水源熱泵技術(shù)利用地表水作為空調(diào)機(jī)組的冷熱源，所以其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　 1） 環(huán)保效益顯著 水源熱泵是利用了地表水作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。供熱時(shí)省去了燃煤、燃?xì)?、然油等鍋爐房系統(tǒng)，沒(méi)有燃燒過(guò)程，避免了排煙、排污等污染；供冷時(shí)省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音、霉菌污染及水耗。所以說(shuō)，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術(shù)。

　　2） 高效 水源熱泵機(jī)組可利用的水體溫度冬季為12~22℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。而夏季水體為18~35℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風(fēng)冷式和冷卻塔式，機(jī)組效率提高。據(jù)美國(guó)環(huán)保署EPA估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的水源熱泵，平均來(lái)說(shuō)可以節(jié)約用戶(hù)30~40%的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。

　　3） 節(jié)能 水源熱泵使用的電能本身為一種清潔的能源，但在發(fā)電時(shí)，消耗一次能源并導(dǎo)致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。設(shè)計(jì)良好的水源熱泵機(jī)組，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少30%以上的電力消耗，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70%以上的電力消耗。所以，水源熱泵在節(jié)能的同時(shí)還減少和降低了發(fā)電時(shí)一次能源消耗過(guò)程中產(chǎn)生的污染排放和溫室效應(yīng)。

　　4） 應(yīng)用范圍廣 可廣泛的應(yīng)用于賓館、辦公樓、學(xué)校、商場(chǎng)、別墅區(qū)、住宅小區(qū)的集中供熱制冷，以及其它商業(yè)和工業(yè)建筑空調(diào)，并可用于游泳池、乳制器加工、啤酒釀造、冷軋鍛造、冷庫(kù)及室內(nèi)種植和恒溫養(yǎng)殖等行業(yè)上。

　　 5） 一機(jī)多用 利用一套設(shè)備即可供冷，又可供熱，還可提供生活熱水。對(duì)空調(diào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一臺(tái)熱泵提供兩種熱源，可節(jié)省一次性投資，其總投資額僅為傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的60%，并且安裝容易，安裝工作量比其他空調(diào)系統(tǒng)少，安裝工期短，更改安裝也容易。

　　6） 自動(dòng)化程度高 水源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)；部件較少，自動(dòng)控制程度高。

　　7） 沒(méi)有任何污染 水源熱泵技術(shù)采用的制冷劑，可以是R22或R134A、R407和R410A等替代物質(zhì)。水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行沒(méi)有任何污染，沒(méi)有燃燒，沒(méi)有排煙，不產(chǎn)生任何廢渣，廢水、廢氣和煙塵，使環(huán)境更優(yōu)美?？梢越ㄔ煸诰用駞^(qū)內(nèi)，不需要堆放燃料廢物的場(chǎng)地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。

　　8） 運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，維護(hù)方便水體的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，其波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動(dòng)，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源。水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、更穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性，不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)問(wèn)題。由于系統(tǒng)簡(jiǎn)單，機(jī)組部件較少，運(yùn)行簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，相對(duì)來(lái)說(shuō)維護(hù)費(fèi)用要低得多，使用壽命可長(zhǎng)過(guò)20年以上。

　　特別提醒

　　合理利用地下水資源進(jìn)行熱泵空調(diào)，在設(shè)計(jì)和使用上有兩個(gè)問(wèn)題應(yīng)予以關(guān)注。

　?。?）地下水源的選擇 采用地下水源熱泵時(shí)，選擇水源的原則應(yīng)為：水量充足，水溫適當(dāng)，水質(zhì)良好，供水穩(wěn)定。就某項(xiàng)工程來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，判斷是否具備可資利用的地下水源，一項(xiàng)工程所需水量，主要取決于該項(xiàng)工程的冷熱負(fù)荷和地下水溫度，適用的地下水源條件是，水文地質(zhì)特征為砂、卵石、礫石地層以及裂隙地帶；含水層厚度大于5m，冬季地下水溫度不低于10℃。 此外，還要注意水質(zhì)情況，包括含砂量與渾濁度，以及水的化學(xué)性質(zhì)。含砂量與渾濁度高造成機(jī)組和管閥磨損，回灌時(shí)會(huì)造成含水層堵塞，因此，地下水源含砂量應(yīng)小于20萬(wàn)分之一，向地下含水層回灌水的渾濁度應(yīng)小于20毫克/升；總礦化度小于3克/升，希望水中Cl小于100毫克/升，SO4 2-小于200毫克/升，F(xiàn)e2-小于1毫克/升，H2S小于0.5毫克/升，地下水腐蝕性條件達(dá)不到要求時(shí)，水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)考慮防腐措施。

　?。?）人工回灌 我國(guó)水資源非常缺乏，主管部門(mén)對(duì)開(kāi)采地下水有嚴(yán)格管理，并且規(guī)定，除非有較大需水用戶(hù)進(jìn)行二資利用，否則必須進(jìn)行回灌。當(dāng)然，為了保證地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)期正常運(yùn)行，以補(bǔ)充地下水源，調(diào)節(jié)水位，維持儲(chǔ)量平衡。為了避免在熱泵裝置中冷卻或加熱后回灌到地下的水，因短路而又被抽回，回灌井與取水井之間的距離應(yīng)盡可能遠(yuǎn)一些。目前，雖然還沒(méi)有回灌水質(zhì)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但回灌水質(zhì)至少應(yīng)等于原地下水水質(zhì)，以保證回灌后不會(huì)引起區(qū)域性地下水水質(zhì)污染。

　　因此，應(yīng)遵守以下條款：　

　?。?）地下水應(yīng)在封閉系統(tǒng)中輸送；

　?。?）熱泵空調(diào)系統(tǒng)中與地下水接觸的部件應(yīng)采用耐腐蝕材料制造；

　?。?）取水管路上和回灌水管路上應(yīng)裝有水表和采集水樣用的旋塞閥；

　?。?）定期對(duì)地下水進(jìn)行化驗(yàn)，并將化驗(yàn)結(jié)果報(bào)送有關(guān)部門(mén)備案；

　?。?）如發(fā)現(xiàn)地下井水異常，特別是水中出現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)或其它無(wú)關(guān)物質(zhì)時(shí)，應(yīng)及時(shí)與有關(guān)部門(mén)聯(lián)系，并采取措施。地下水回灌的方法有三種，即：真空回灌、重力（自流）回灌和壓力回灌。 真空回灌：真空回灌是利用存頗低的靜水位（低于地面10m）形成真空進(jìn)行回灌。含水層滲透性要良好。由于回灌時(shí)，對(duì)井的濾水層沖擊力不強(qiáng)，所以很適用于老井。采用真空回灌，對(duì)于細(xì)顆粒含水層，回灌量一般為取水量的1/3-1/2；對(duì)于粗顆粒含水層，回灌量可達(dá)取水量的1/2-2/3。 重力回灌：依靠自然重力進(jìn)行回灌也適用于低水位和滲透性良好的含水層，此法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單。對(duì)于砂卵石含水層，其回灌量一般為取水量的50％；對(duì)于滲透性好的礫卵石層來(lái)說(shuō)，回灌量可達(dá)取水量的75-90℃。 壓力回灌：壓力回灌用于高水位和低滲透性的含水層，其缺點(diǎn)是回灌時(shí)，對(duì)井的濾水層和含水砂層的沖擊力強(qiáng)。上海曾廣泛采用此法進(jìn)行回灌。 為了預(yù)防井管堵管，及時(shí)清除堵塞含水層和井管的雜質(zhì)，在進(jìn)行回灌以后，經(jīng)常開(kāi)泵，排除回灌井水中的過(guò)堵塞物，即進(jìn)行回場(chǎng)?；毓嗑幕?fù)P次數(shù)和回?fù)P持續(xù)時(shí)間，主要取決于含水層顆粒大小和滲透性。在巖溶裂隙含水層中的回灌井，長(zhǎng)期不回?fù)P，回灌能力仍能維持不變，在松散粗大顆粒含水層中的回灌井，每周回?fù)P1-2次，在中、細(xì)顆粒含水層中的回灌井，回?fù)P間隔應(yīng)進(jìn)一步縮短，而對(duì)于細(xì)顆粒含水層中的回灌井來(lái)說(shuō)，經(jīng)?；貓?chǎng)尤為重要。

　　因此，系統(tǒng)調(diào)試完成并正常運(yùn)行之后，為了預(yù)防井管堵管，及時(shí)清除堵塞含水層和井管的雜質(zhì)，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，需每年對(duì)回灌井和抽水井進(jìn)行清理一次，費(fèi)用為每眼井5000元左右。