本文就沈阳市地源热泵技术的应用,分析了地下水源热泵技术的工作特点,阐述了地源热泵技术的研究现状。重点研究了水源热泵的使用对地下水的影响,得出为了保证沈阳市应用地源热泵技术工作的全面推进,并保证可持续的健康发展提出了一些建议,为后续的利用提供理论支持。

1、引言

随着全球性能源危机的加剧和环境的恶化,节能和环保成为世界环保的主题,可再生能源的开发利用受到了广泛的关注。地源热泵(Ground Source Heat Pumps,简称GSHPS)是指利用土壤或地下水的低温位热能和蓄热性能的一种热泵系统,在夏天,将埋地换热器作为冷凝器起制冷作用,向地下蓄热,在冬天,将埋地换热器作为蒸发器起制热作用,从地下取热。这样既可以充分利用土壤中的低位地热资源,又能将夏天的热量储存在地下,以供冬季使用,从而实现既可供热又可制冷的高效节能系统。根据利用地热源的种类和方式不同可以分为以下三类:土壤源热泵或称土壤耦合热泵(GCHP)、地下水热泵(GWHP)、地表水热泵(SWHP),地源热泵系统以可再生的和清洁的环境能源在我国建筑采暖和空调领域得到快速发展。

2、地源热泵在国内外的利用和研究现状

“地源热泵”的概念,最早于1912年由瑞士的专家提出,而该技术的提出始于英、美两国。1946年美国在俄勒冈州的波兰特市中心区建成第一个地源热泵系统市中心区安装成功。上世纪70年代初期,由于石油危机的出现和环境的恶化,引发了人们对新能源的开发和利用,因而地源热泵以其节能的特点开始受到重视。上世纪80年代后期,地源热泵技术己经趋于成熟,更多的科学家致力于地下系统的研究,努力提高热吸收和热传导效率,同时越来越重视环境的影响问题。上世纪90年代以来,欧美国家的科技工作者的联系更加密切,共同对地源热泵有关的环境问题开展了广泛和深入的研究。我国对地源热泵的研究始于20世纪50年代,主要是由各个大学研究,而水源热泵真正大量应用开始于20世纪90年代,但是水源热泵的长期利用对地下水温度的影响研究较少,目前有关水源热泵对地下水影响研究主要侧重在两个方面:一是地下水资源总量的保护,主要集中在回灌井的结构设计和成井工艺研究,以及在使用过程中如何保证井的回灌顺利。二是水资源质量的保护,这方面我国研究较晚还缺乏有效的数据和评估,当前一般采用监测地下水中常规物质化学成分。

3、沈阳市水源热泵利用的前景

沈阳在应用水源热泵方面,地下水资源分布特点及水文地质条件如何就显得格外重要。2005年勘察结果显示,沈阳地下水资源量为22.86亿立方米,开采量19.3亿立方米,已接近或超过了沈阳市多年的平均值―地下水资源量23.68亿立方米,可开采量19.34亿立方米。沈阳地下水位在不断上升。水资源非常丰富。水的化学类型:主要以重碳酸型水为主,北部芳士一带为重碳酸型水,市区南部为重碳酸、硫酸型水;铁西和东北大马路工业区,以硫酸或氯化物型水为主。总硬度低,属于软水,矿化度也较低,属于淡水,PH值多为6.5-7.5,属于中型水,水质相对较好。经多处测试,沈阳市区地下水水温为9-15.0℃,绝大多数为12-14℃,且不受季节变化影响。

4、沈阳地区水源热泵实施过程中对地下水温度的影响

热泵技术在这么些年的发展中热泵机组本身的技术是成熟的,但作为整个热泵技术系统对地下水的热污染确实是个亟待解决的问题。要研究地源热泵系统的对地下水温度环境的影响,就必须对地源热泵系统负荷总量进行研究。

负荷总量的概念是指地源热泵的使用时间内,为了维持室内环境质量,要求水源热泵系统排放给地下水或从地下水提取热量的总和。对于地源热泵系统,室内的多余冷热量是直接排放给地下水。由于地下水传热是一种不稳定传热。热量的排放是以地下水为中心逐渐向周围岩土扩散;热量的提取是以地下水为中心,从周围岩土逐渐汇集。从前期的研究看,随着负荷总量即排放总量的增加,热量大量聚集在使用地下水处和附近的岩土中,热量的扩散更加缓慢,地下水换热能力是持续衰减的。地下水换热能力的恢复,要依靠从周围岩土中将热量提取出来,反之亦然。如果历年累积的冷热负荷总量存在差异,并随使用时间的增加而累积起来,最终会使地源热泵难以正常运行。因此,负荷总量的累积特征对水源热泵系统影响很大,甚至可能是决定水源热泵系统寿命的关键因素。

水源热泵仅是以地下水作为能量传导介质,地下水通过抽水系统进入热泵系统经过热交换又从回水系统回灌到地下含水层中。如果抽取的地下水能够完全回灌到地下含水层中,则整个过程中对水源不产生浪费。但是各地的地质情况不一样 ,不同的结构含水层,出水能力不同,回灌能力也不同,非常容易出现水资源浪费和水质污染等问题, 严重时可能引发一些生态破坏问题。尤其是对回灌温度的控制对水源热泵的可持续发展有着长远的意义。

在回灌过程中回灌到地下的水温度不合理时,将破坏地下水温度常的均匀分布,再回灌井周围形成一个相对高温(或低温)的热岛,由于冷热水的混合,将造成地下水环境的变化,温度的变化对地下水中物理、化学和生物过程均有重要影响,从了对水质产生影响,而这种影响可能是个缓慢过程,其影响程度和范围与回灌的温差有很大的关系。

5、结语

地源热泵系统是一种高效、节能、环保、冷暖两用的新型空调系统,是一项再生能源技术。2006 年沈阳市被国家建设部正式确定为全国地源热泵技术推广试点城市,为了保证沈阳市应用地源热泵技术工作的全面推进,并保证可持续的健康发展下去。