水源熱泵技術在暖通工程中的應用

摘要:在當前能源供應趨緊、環(huán)境保護要求不斷提高的形勢下，人們在不斷地尋求既節(jié)能又環(huán)保的新能源。熱泵作為新能源的一種，能夠實現(xiàn)把低溫熱能傳遞給高溫熱能的功能，能夠利用自然資源和余熱資源中的大量熱量，有效節(jié)約民用及工業(yè)所需的一次能源使用量。本文主要就水源熱泵技術在暖通工程中的應用進行了分析。關鍵詞：水源；熱泵；暖通工程引言隨著社會的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高。對室內環(huán)境有更高的要求，希望提高室內生活水平。供暖和制冷是建立環(huán)境法規(guī)的重要途徑，也是目前居民生活中能耗最高的能源。為了達到節(jié)能減排的目的，有必要在日常工作中控制加熱和制冷設備的能耗，采用多種溫度控制方法來減少此類高耗能設施的參與，并將室溫作為一個整體進行控制，以降低能耗?；诖吮尘跋拢鞣N綠色清潔能源被廣泛關注。建筑行業(yè)作為能耗高地，必須重視清潔能源的開發(fā)利用，有效降低建筑物實際運行能耗。水源熱泵技術作為一種利用地下水熱能的新技術，與傳統(tǒng)暖通空調技術相比具有更好的經濟、節(jié)能以及環(huán)保效益，因此逐漸得到推廣應用。1水源熱泵技術概述熱泵是一種能夠從水源、土壤以及空氣等介質中提取低品位熱能，在電力做功條件下，將低品位熱能轉化為高品位熱能的裝置，其本質上屬于一種熱量提升裝置。熱泵裝置的作用在于可以從自然環(huán)境中提取熱量，然后傳遞給供熱對象，其基本運行原理和制冷機類似，都是按照逆卡諾循環(huán)運行，只是二者工作溫度范圍不同。熱泵裝置在運行時，其本身需要消耗較少的能量，以提取自然環(huán)境中的熱量，然后通過傳熱工質循環(huán)將提取的低品位熱能轉化為高品位熱能并加以利用，相較于熱泵裝置的輸出功而言，其消耗功僅占一小部分，因此，采用熱泵供熱技術可以有效節(jié)約能源，相較于傳統(tǒng)供熱方式綜合效益更高。在水源熱泵技術中，“熱泵”這一名詞源于“水泵”，水泵技術使熱量從低溫物體傳輸至高溫物體，有效提升熱量。地下水源熱泵系統(tǒng)主要可分為三大子系統(tǒng)，包括用戶末端系統(tǒng)、熱泵機組、水源系統(tǒng)。冬季地下水為“熱源”，在進入熱泵機組蒸發(fā)器后熱量傳至制冷劑，并及時回灌，而制冷劑繼續(xù)將熱量傳至冷凝器中的低溫熱水，熱水吸熱后被重新輸送至用戶末端，達到供熱目的。夏季地下水為“冷源”，在進入熱泵機組冷凝器后將制冷劑熱量帶走，并及時回灌，而制冷劑繼續(xù)將冷量傳至蒸發(fā)器中的冷凍水，冷凍水溫度降低后被重新輸送至用戶末端，達到供冷目標。水源熱泵的基本工作原理是通過熱泵壓縮機系統(tǒng)，在冬季消耗少量的電能提取污水當中的低品位熱能，并利用熱泵裝置將其轉化為高品位熱能，然后為用戶供熱；在夏季則將室內熱量提取出來，并利用熱泵裝置釋放到污水中，以達到制冷效果。水源熱泵按照污水是否進入熱泵裝置中可以分為兩種形式：（1）直接利用的方式，即熱泵裝置在提取污水中的熱量后直接送達供熱對象；（2）間接利用的方式，即先利用熱交換器對污水進行熱交換，然后由熱泵裝置提取熱量輸送至供熱對象。2水源熱泵技術的優(yōu)勢與傳統(tǒng)的暖通空調技術相比，水源熱泵技術在暖通工程中的應用主要有以下優(yōu)勢。（1）經濟性良好。與傳統(tǒng)暖通空調相比，地源熱泵容量大，運行費用可節(jié)約18%?54%，維護費用更低，具有較好的經濟性。當安裝容量＞528kW，井深控制在180?240m時，經濟性較好。此外，據專家初步計算，地下水源熱泵技術投資增量回收期為4?10年。（2）節(jié)能性較好。由于地球表層具有蓄熱、隔熱效果，地下水常年溫度與全年氣溫相比呈冬暖夏涼的特點，可帶走建筑物內的熱量或是輸送多余的熱量，且制冷能效比、制熱性能系數(shù)均較高。（3）環(huán)境效益顯著。地下水源熱泵系統(tǒng)以地下水為傳熱介質，冬季無須使用鍋爐系統(tǒng)，減少了廢氣等污染物的排放，有利于資源節(jié)約、環(huán)境保護；夏季無須使用冷卻水塔，減少了噪音、霉菌污染以及水資源消耗等問題。此外，夏季水源熱泵系統(tǒng)將建筑內的熱量轉移至地下，未排放至大氣環(huán)境內，有利于緩解城市熱島效應。目前，水源熱泵技術作為一種高效、節(jié)能的可再生能源利用技術，相關技術體系逐漸成熟，且得到了推廣應用。結合相關實踐情況來看，在暖通工程中應用水源熱泵技術依舊存在一些問題。（1）勘查分析、設計方面的問題。地下水源熱泵技術并非單純的暖通技術，而是一種綜合性技術。我國地域遼闊，各地的水文地質條件不同，對項目所在地進行詳細勘查與調研十分必要，以保證地下水水源的水質、污染物含量、水溫等指標均滿足系統(tǒng)運行要求，同時也要調研地下水源周邊場地條件，保證熱源井的順利布置。此外，設計人員在設計部分水源熱泵系統(tǒng)時主要依據自身設計經驗，未針對項目所在地區(qū)進行適應性分析、方案論證，以致系統(tǒng)實際運行指標與前期方案存在較大偏差，不能獲得理想的節(jié)能效果。（2）回灌技術問題。在暖通工程中應用地下水源熱泵技術，必須重視生態(tài)系統(tǒng)平衡問題，如果過度開采地下水，極易引發(fā)地表下沉等問題，威脅地表道路、建筑物的使用安全。因此，開采地下水應做到100%同層回灌，并根據項目實際情況合理選擇回灌技術，減少地下水資源浪費。從我國水源熱泵技術運用實踐情況來看，懸浮物、化學沉淀、氣泡堵塞以及微生物生長等問題導致地下水無法完全回灌，給系統(tǒng)運行帶來不利影響，甚至導致地下水系統(tǒng)被破壞。（3）水質問題。在地下水源熱泵系統(tǒng)中，地下水有重要的熱量儲存作用，如果系統(tǒng)規(guī)模小就不會對地下水冷熱量平衡產生較大影響，如果系統(tǒng)規(guī)模大且存在長期冷熱量轉移的情況，就極易導致地下水冷熱量失衡，進而導致生態(tài)系統(tǒng)失衡。根據地下水源熱泵系統(tǒng)運行情況分析可得，回灌水和原始含水層存在溫度差異，會造成回灌井乃至抽水井周邊地下水溫度的改變，即出現(xiàn)“熱短路”現(xiàn)象，并進一步對地下水造成不利影響；地下水源熱泵系統(tǒng)也會影響地下水的水質，這主要是由于地下水被抽取上來后難免與外界環(huán)境接觸，水體含氧量發(fā)生變化，或是將機組微生物等帶入含水層，產生地下水污染問題。（4）運行管理問題。在暖通工程中應用地下水源熱泵技術，良好的運行管理十分關鍵。一方面相關部門需建立完善的報批、監(jiān)管和驗收制度，保證地下水源熱泵系統(tǒng)建設質量達標，不會對地下水環(huán)境產生污染，或是存在資源浪費的問題；另一方面應由專業(yè)的運行管理人員負責地下水源熱泵系統(tǒng)的維修養(yǎng)護工作，發(fā)揮系統(tǒng)應有的節(jié)能環(huán)保效益，同時及時解決系統(tǒng)在運行中存在的問題，提高系統(tǒng)運行效率，獲得理想的應用效益。某項目為辦公建筑提供水源熱泵技術，該建筑包括1#、2#、3#、4#共計4棟建筑物，其中1#地上9層、地下1層，其余均為5層建筑。建筑總面積2500002,空調末端設計冷負荷、熱負荷分別為2438kW、1696kW。熱源井設置10口，其中，抽水井、回水井數(shù)量分別為2口和7口，備用1口抽水井；潛水泵設置4臺，其中，備用2臺。夏季冷水供回水、冬季熱水供回水溫度分別為7°C/12°C、45°C/40°C，末端設置風機盤管。此建筑水源熱泵系統(tǒng)在運行過程中，冷凍水的供水溫度主要采用人為設置的方法，即運行人員主要結合自身經驗，對開機時的供水溫度范圍進行預測，圖4為熱負荷與供水溫度變化示意圖。在系統(tǒng)運行時，一般室內熱負荷越高，供水溫度設定的參數(shù)值就越低，供水溫度的波動情況維持在3C上下。理論上，當供水的溫度設定較低時，室內溫度下降更為迅速；一旦室內溫度滿足熱舒適性條件后，依舊維持初始的供水溫度，就必然造成冷量的浪費，一些末端用戶甚至采取開窗的方式調節(jié)溫度。根據水源熱泵系統(tǒng)運行現(xiàn)狀分析可知，當2臺機組同時運行時，2臺備用機組旁通閥處于開啟狀態(tài)，機組冷凍水出水與主供水溫差2?3C，循環(huán)水泵工頻運行時冷凍水流量180?190m3/h；在關閉旁通閥后，則溫度基本一致，冷凍水流量130?140m3/h。由此可得，開啟旁通閥，冷凍水流量大，一部分冷凍水回水經過機組制冷，另一部分冷凍水回水與機組冷凍水出水匯合，進入冷凍水主供水管道；關閉旁通閥，冷凍水流量小，冷凍水回水全部經過機組制冷處理。此水源熱泵系統(tǒng)運行情況顯示，系統(tǒng)還具有較大節(jié)能潛力，優(yōu)化初始供水溫度設定是一項重要措施，具體設定方法為：在開啟機組時，供水溫度的設定值應較低，并按照室內環(huán)境設置機組運行時間；在室內溫度滿足熱舒適性條件后，提高供水溫度的設定值，將室內溫度穩(wěn)定在一定范圍內。采取此種溫度設定方法，在達到系統(tǒng)運行目標的同時，避免了冷量浪費。為確定實際節(jié)能效果，開展了冷凍水供水溫度調節(jié)實驗以及旁通閥關閉實驗，具體如下：①冷凍水供水溫度調節(jié)實驗。以供水溫度+2C、-1C為控制區(qū)間，如果供水溫度超限，就啟停壓縮機。在確保氣象數(shù)據相近的前提下，統(tǒng)計不同設定溫度下系統(tǒng)的運行電量。②旁通閥關閉實驗。根據水源熱泵系統(tǒng)運行現(xiàn)狀分析，旁通閥的啟閉會對主冷凍水的主供水溫度產生影響，如果冷凍水主供水溫度達到控制區(qū)間下限，就自動關閉壓縮機。在確保氣象數(shù)據相近的前提下，統(tǒng)計旁通閥啟閉時系統(tǒng)的運行電量。經由試驗數(shù)據分析可得以下結論：①優(yōu)化后的系統(tǒng)運行，有效避免了供水溫度設定值處于過低水平；②當外界氣溫、變化趨勢基本一致時，冷凍水供水溫度由11°C升至12°C,2h累計耗電量減少37.8kW?h；③旁通閥啟閉影響循環(huán)水泵功耗，在35Hz頻率下運行3h，關閉旁通閥，累計耗電量減少7kW?h。結束語綜上所述，隨著國內人們環(huán)保意識的增強和綠色能源的推廣，水源熱泵技術在暖通工程中的應用規(guī)模不斷擴大，能滿足取暖制冷要求。從現(xiàn)階段水源熱泵技術的實際運用情況來看，水源熱泵技術受到諸多因素的影響，如水文地質條件、建筑類型、系統(tǒng)配置以及運行策略等，對此必須做好前期勘察設計、技術改進及相關運行優(yōu)化工作，充分發(fā)揮水源熱泵技術的節(jié)能、經濟效益，有效控制其對地下水系統(tǒng)的影響，防止地下水被過度抽取或是出現(xiàn)污染情況，真正實現(xiàn)建筑物與周邊環(huán)境的和諧共處。參考文獻：常嘉雨，于水利,劉華發(fā)，高樂，劉貴彩.地下水源膜法給水廠長期運行過程中膜性能演變[J].環(huán)境工程,2021,39(07):73-79.那威,夏秋陽.不同多孔介質及地下水源熱泵運行方式對采能區(qū)熱貫通的影響[J].暖通空調，2021,51(07):104-110.潘鼎，唐紅，劉軍.地下水源熱泵回灌非飽和滲流淤堵分析[J].巖石力學與工程學報,2021,40(04):842-850.文韜,崔先澤，范勇.地下水源熱泵抽灌井群優(yōu)化布置[J].長江科學院院報，2022,39(01):23-31+38.余驍.淺談地下水監(jiān)測中大數(shù)據技術的運用[J].信息記錄材料，2021,22(01):114-11