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地下水源热泵的现状与应用
 地下水源热泵(Ground Water Heat Pumps, GWHP)是地源热泵(Ground Source Heat Pumps, GSHP)的一个分支。这项技术起始于1912年,瑞士Zoelly提出了“地热源热泵”的概念。1948年,第一台地下水源热泵系统在美国俄勒冈州波特兰市的联邦大厦投入了运行。在其后的几十年中,地下水源热泵得到了更为广泛的应用。美国在过去的10年内,地下水源热泵的年增长率为12%,现在大约有500,000套(每套相当于12kW)地下水源热泵在运行,每年大约有50,000套地下水源热泵在安装。我国地下水源热泵从1997年开始学习和引进欧洲产品,出现了大规模的地下水源热泵采暖工程项目。到1999年底,全国大约有100套地下水源热泵供热或制冷系统[1].

  在我国,煤炭作为主要能源,长期以来在生产、消费中占据着绝对主导地位。尽管近年来煤炭所占比例略有下降,但仍保持在65%以上,并再次呈现出上升的迹象[2].只有减少煤炭的使用,大气污染问题才有可能得到解决。我国城乡建筑发展迅速,近几年来每年建成的住宅面积,城镇已至4~5亿平方米,农村则达7~8亿平方米,其中供热、空调的建筑面积高达6.5亿平方米。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[3].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,除了集中供热的型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省能源、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[3].

  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,进一步提高了空调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。此外,目前还有一种生活热水采用热回收型水源热泵机组的连接方式[4].后两种方式充分利用了井水的能量,且通过回收空调系统的冷凝热来制备生活热水,使整个系统的能效比得到了提高,比较合理、节能。

  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。现在国内的大多数系统都采用的是真空回灌的地下水回灌方式。另外,国内通常采用回扬和清洗的方式来维持地下水的回灌。回扬次数和回扬的时间视含水层的透水性大小而定,其次要考虑井的特征、水质、回灌量和回灌技术方法。这些都是非常专业化的工作,大大增加了用户的维护工作量,而且这种操作对井的损害也很大,会造成系统寿命的降低[5].

  2、工程应用实例

  1997年,中国科技部与美国能源部签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书,其中一项就是地源热泵的发展战略。1998年,中美两国确定在我国北京(代表北部寒冷地带)、宁波(代表中部夏热冬冷地带)、广州(代表南部亚热带)合作建立三个地源热泵的示范工程。北部示范工程是北京食品发酵研究所综合办公楼及专家楼,中部示范工程是宁波雅戈尔工业城,南部示范工程是广州松田职业技术学院。在这三个示范工程项目中,两个为地下水源热泵系统,一个为复合式地下水源热泵系统(Hybrid GWHP) [1、2].

  除了这些之外,还有其它一些工程实例,其中比较有代表性的工程有:

  清华同方人工环境有限公司承担的山东东营市胜泰大厦的地下水源热泵系统和空军丰台招待所、办公楼的地下水源热泵空调改造系统。其中,东营市胜泰大厦的建筑面积4,500m,制冷量271kW,冷冻供回水温度7C/14C,输入功率62kW;制热量290kW,热水供回水温度50C /40C,输入功率83kW.设计了2口水源水井,当其中一口为抽水井时,另一口水源井为回灌井。空军丰台招待所、办公楼冷量1,400kW,热量1500kW,采用3口供水井,井深50m,地下承压水温度为15C左右;回灌井2口,井深28m[2].

  内蒙古科技厅科力宾馆的地下水源热泵空调系统工程(国家试验示范工程)。该工程总建筑面积约为10,000m,水源为两口井,井深180m,直径320mm,其中一口为供水井,一口为回灌井,两口井可以交替使用。分别采用小流量、少回灌技术和极限水温控制法解决了水量偏小和水温偏低的问题。因该地区的浅层水逐年下降,且很不稳定,故采用承压水作为水源,并且通过建造沉砂调节池和实现定期回扬、消除气阻砂阻等方法成功解决了承压水回灌难的问题[6].

  山东兖州某煤矿地面建筑的地下水源热泵系统工程。地面建筑面积为20000m,该矿区有着可供利用的丰富矿井水资源,夏季水温为25C,冬季水温为19C.由于煤矿矿井水已被抽到地表,故省去了额外打井、水泵的费用,而且充分利用了既有资源,有着很好的经济性[7].

  另外,为了实现“绿色奥运、人文奥运”的目标,北京市政府将地热资源的开发利用列入了奥运公园的能源供应规划之中。专家们预测,2008年北京奥运会之前北京奥运公园将钻10眼地热产水井和回灌井,预计井深3,000~4,000m,每口井日出水量在6500m以上,水温均大于65C以上[2].

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