地下水源热泵的应用及应注意的问题

      近几年，我国城乡建筑发展迅速，与气候条件接近的发达国家相比，我国居住建筑单位面积供暖能耗为他们的3倍左右。现在，这些高能耗建筑冬季供暖与夏季空调的使用正日益普遍，解决它们所造成的能源浪费和环境污染问题已成为紧迫的需要。现在我国禁止在城镇建设中小型燃煤锅炉房。因此，除了集中供热的形式以外急需发展其它的替代供热方式。热泵（包括地下水源热泵）就是这样一种可以有效节约能源、减少大气污染和CO排放的供热和空调新技术。

      1.基本工作原理

      地下水源热泵系统的低位热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水，热泵机组冬季从生产井提供的地下水中吸热，提高品位后对建筑物供暖，把低位热源中的热量转移到需要供热和加湿的地方，取热后的地下水通过回灌井回到地下。夏季，则生产井与回灌井交换，而将室内余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的，另外还可以起到养井的作用。

      如果是水质良好的地下水，可以直接进入热泵进行换热，这样的系统我们称为开式环路。实际工程中更多采用闭式环路形式的热泵循环水系统，即采用板式换热器把地下水和通过热泵的循环水分隔开，以防止地下水中的泥沙和腐蚀性杂质对热泵机组的影响，同时防止对地下水造成污染。由于较深的地层不会受到大气温度变化的干扰，故能常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外空气温度，也低于夏季的室外空气温度，且具有较大的热容量，因此地下水源热泵系统的效率比空气源热泵高，COP值一般在3和4.5之间，并且不存在结霜等问题。此外，冬季通过热泵吸收大地中的热量提高空气温度后对建筑物供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这样，在地下水源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了系统全年的能源利用效率。

      地下水源热泵系统还可以产出生活热水，其水路连接方式大致有四种。最简单的方式有空调水系统与生活热水水系统完全分开和相关联且井水系统串级连接这两种，但是前者冷凝温差太小，后者也不能解决生活热水用的水源热泵机组停机时空调系统容量减小的问题。所以有了在后者基础上增加电动三通阀的方式，这样不仅减小了装机容量、降低了初投资，而且机组的配置也更加合理，提高了系统总能效比。

      国内的地下水回灌基本上采用原先的人工回灌方式，主要分为压力回灌和真空回灌两种。压力回灌适用于高水位和低渗透性的含水层，也适用于低水位和渗透性好的地下含水层；而真空回灌则仅适用于低水位和渗透性好的含水层。

      2.工程应用实例

      2009年，牡丹江江南某小区采用地源热泵技术对2栋住宅楼进行供暖，供暖形式为低温地辐射采暖。因2009年东北地区出现了少有的严寒天气，室外最低气温达到-35℃左右，室内温度仅有12℃左右，造成住户集体上访事件，严重影响了居民的正常生活和社会秩序。后经开发商召集厂家技术人员分析，主要是地下水量不充足和水温度低，提供热量有限所致。进行调节增加水量后，供暖状况有所好转，但还是达不到供暖要求。这2栋楼于2010年供暖前，进行了管网系统改造后，并入城市集中供热系统，采用集中供热方式供暖。

      2010年，牡丹江桥北某小区采用地源热泵技术对4栋住宅楼进行了初次供暖，供暖形式为低温地辐射采暖，室内温度为21℃左右，供热效果还不错。运行过程中发现回灌效果不好，小区附近有一个楼有地下室和一条城市内河，发现回灌水从地下室渗出，造成地下室一片汪洋。而且小河堤坝也有几处向外冒水。

      3.存在问题分析

      3.1地质问题

       地下水属于一种地质资源，大量采用地下水源热泵，如无可靠的回灌，将会引发严重的后果。地下水大量开采引起的地面沉降、裂缝、塌陷等地质问题日渐显著。地面沉降除了对地面的建筑设施产生破坏作用外，还会产生海水倒灌、河床升高等其他环境问题。对于地下水源热泵系统，若严格按照政府的要求实行地下水100%回灌到原含水层的话，总体来说地下水的供补是平衡的，局部的地下水位的变化也远小于没有回灌的情况，所以一般不会因抽灌地下水而产生地面沉降。但现在在国内的实际使用过程中，由于回灌的堵塞问题没有根本解决，很有可能出现地下水直接地表排放的情况。而一旦出现地质环境问题，往往是灾难性和无法恢复弥补的。

      3.2水质问题
     
      现在国内地下水源热泵的地下水回路都不是严格意义上的密封系统，回灌过程中的回扬、回路中产生的负压和沉砂池，都会使外界的空气与地下水接触，导致地下水氧化。地下水氧化会产生一系列的水文地质问题，如地质化学变化、地质生物变化。另外，目前国内的地下水回路材料基本不作严格的防腐处理，地下水经过系统后，水质也会受到一定影响。这些问题直接表现为管路系统中的管路、换热器和滤水管的生物结垢和无机物沉淀，造成系统效率的降低和井的堵塞。更可怕的是，这些现象也会在含水层中发生，对地下水质和含水层产生不利影响。更深层的问题是地下水经过地下管路时温度、压力的变化是否会影响其热力学平衡状态，地下热环境会对区域生态带来怎样的影响。水资源是当前最紧缺、最宝贵的资源，任何对水资源的浪费和污染都是绝对不可允许的。

      4.个人分析思考

      4.1地下水源热泵系统的优点

      ①根据热力学第二定律，采用热泵的形式为建筑物供热可大大降低一次能源的消耗，提高一次能源的利用率，因此地下水源热泵系统具有高效节能的优点。

      ②地下水源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套系统。系统紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。

      ③地下水温度恒定的特征，使得地下水源热泵系统运行更加稳定可靠，整个系统的维护费用也较锅炉、制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。

      4.2地下水源热泵系统的缺点

      ①这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。由于打井的成本并不与取水量的大小成正比，因此较大系统的投资效益比较高。地下水源热泵系统的经济性还与地下水层的深度有很大关系。

      ②在冬季我国北方地区土壤温度较低，并且以热负荷为主，如果采用地下水源热泵供暖，则机组和换热器的初投资比较高，连续运行的效率也较低。夏季运行时，机组容量过大，造成浪费。我国政府、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏了解。不仅因初投资高于其它系统而得不到认可和推广，而且给运行管理带来了很大的问题。运行管理是任何一个系统的重要组成部分，对于地下水源热泵这种特殊设计更是关键因素。

      ③环境方面的问题一旦出现，基本上是无可挽回的或挽回的成本将非常巨大。从某种程度上讲，造成的危害不亚于大气污染。

      4.3对于地下水源热泵应采取的态度

      ①地下水资源在某种程度上是国家的一种战略物资，而且一些水文地质界的专家对当前地下水源热泵的发展也持保留意见，因此，对于在我国大面积推广这种系统应采取慎重的态度。

      ②在决定采用地下水源热泵系统之前，一定要做详细的水文地质调查，出具地质报告，详细了解地质结构，并先打勘测井，以获取地下温度、地下水温度、水质和出水量等数据，合理地配置整个系统。并分季节进行抽水回灌试验，积累资料，各方面条件都满足，才能决定采用，否则会付出惨痛的代价。

      ③设计、施工和运行等各个环节都要有谨慎小心的态度，确保系统不会因负荷不当、水泵功耗过高、管理不善而降低效率。

      ④针对不同地区的地质条件和气候条件，采取不同的态度。对适宜地区，国家应鼓励大力发展新能源项目；对不适宜地区，应严格禁止，以免劳民伤财，污染环境。

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