地下水源热泵(GroundWaterHeatPumps,GWHP)是地源热泵(GroundSourceHeatPumps,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(HybridGWHP)[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].

3、存在问题分析

最近几年地下水源热泵系统在我国得到了迅速的发展,虽然它是一种环保、节能、先进的空调方式,但对于利用地下水这种资源仍然存在一些需要注意的问题:

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、地裂缝、地面塌陷等地质问题日渐显着。例如地下水的过度抽取引起的地面沉降,在我国浙江、江苏和整个华北平原,情况都仍然非常严重。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,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。

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、水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[4].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、个人分析思考对于地下水源热泵,笔者在此提出几点自己的看法,谨供参考。

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地下水温度较恒定的特征,使得地下水源热泵系统运行更稳定可靠,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HVAC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,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。

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、管理不善而降低了效率。

5、结束语

随着现代科技的发展,环境和能源问题越来越受到国际社会和我国政府的重视,这使得暖通空调设计人员不得不寻找更先进、节能、环保的空调采暖技术。地下水源热泵作为一种可持续发展的绿色能源技术,有着高效节能的特点,受到了各国的广泛关注,在我国的发展也是十分迅速,相信将来也一定能有其发展空间。