陳焰華地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)及其在武漢地區(qū)的應用

1、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)及其在武漢地區(qū)的應用武漢市建筑設(shè)計院 陳焰華摘 要: 地源熱泵是一項新興的節(jié)能環(huán)保、可再生能源利用技術(shù),本文回顧了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展和應用情況,介紹了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在湖北武漢地區(qū)的工程應用實例,并就地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計和實際工程應用中應注意的問題進行了闡述和探討。關(guān)鍵詞: 地源熱泵 節(jié)能 工程應用1 地源熱泵應用概況地源熱泵（GSHPS）是一個廣義的術(shù)語，它包括了使用土壤、地下水和地表水作為熱源和熱匯的系統(tǒng)，即地下耦合熱泵系統(tǒng)（ground-coupled heat pump systems, GCHPS），也叫地下熱交換器地源熱泵系統(tǒng)（ground heat e

2、xchanger）;地下水熱泵系統(tǒng)groundwater heat pumps, GWHPS）;地表水熱泵系統(tǒng)（surface water heat pumps, SWHPS）。1.1 國外發(fā)展情況地源熱泵系統(tǒng)由于采用的是可再生的地熱能，因此被稱之為：一項以節(jié)能和環(huán)保為特征的21世紀的技術(shù)。這項起始于1912年的技術(shù)（瑞士提出的一個專利，該技術(shù)的應用始于英、美兩國），美國從1946年開始對GSHP系統(tǒng)進行了十二個主要項目的研究，如地下盤管的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)、管材對熱泵性能的影響等。并在俄勒岡州的波特蘭市中心區(qū)安裝了美國第一臺地源熱泵系統(tǒng)。特別是近十年來地源熱泵在歐美工業(yè)發(fā)達國家取得了迅速的發(fā)

3、展，已成為一項成熟的應用技術(shù)。到2000年底，美國有超過40萬臺地源熱泵系統(tǒng)在家庭、學校和商業(yè)建筑中使用，每年約提供800011000Gwh的終端能量。地源熱源在工程上的應用主要為地下耦合熱泵系統(tǒng)（GCHPS）和地下水熱泵系統(tǒng)（GWHPS）、地表水熱泵系統(tǒng)（SWHPS）。1.2 國內(nèi)發(fā)展應用情況1.2.1能源消費現(xiàn)狀到2040年，我國一次能源的總消費量將達38.6億噸標準煤，是現(xiàn)在能源消費量的3倍。而到本世紀末，國內(nèi)每年最多可供應的一次能源生產(chǎn)量為32億噸標準煤。因此，我國今后較長期的能源消費年均增長率應控制在2.5%左右，直到2040年能源消費實現(xiàn)零增長目標。我國已探明的能源總體儲量，煤炭儲

4、量約占世界儲量的11%，原油占2.4%，天然氣僅占1.2%，我國人口約占世界人口的20%，人均能源占有量不到世界平均水平的一半。我國是煤炭大國，但世界七大煤炭大國中其余六國的的儲量比都在200年以上，只有我國的儲量不足百年。石油的儲量比為四十年，并且中國石油、天然氣的平均豐度值也僅為世界平均水平的57%和45%。面對如此嚴峻的能源形勢，國家總的能源政策還是節(jié)能和新能源開發(fā)、再生能源利用并重，因此，地源熱泵技術(shù)的推廣應用在我國具有極大的現(xiàn)實意義和廣闊的發(fā)展前景。1.2.2地源熱泵應用情況地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計，主要包括兩大部分：一是建筑物內(nèi)的水環(huán)路空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計；二是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的地下部分的

5、設(shè)計，即地下耦合熱泵系統(tǒng)的地下熱交換器、地表水熱泵系統(tǒng)的地表水熱交換器、地下水熱泵系統(tǒng)的水井系統(tǒng)的設(shè)計。地下耦合熱泵系統(tǒng)最早應用在89年10月投入運行的上海閔行開發(fā)區(qū)辦公樓（4305m2，冷負荷4532KW，熱負荷231KW），其技術(shù)和設(shè)備均由美國提供，使用情況良好。135個深35米的垂直豎管井,埋管為聚丁烯管。國內(nèi)的大專院校均進行了相關(guān)的垂直或水平埋地管的試驗研究和小型的工程應用,并建立了地埋管的傳熱模型。各地的地質(zhì)條件不同，土壤的溫度和熱物性參數(shù)都不一樣，因此，地下耦合熱泵的應用還有待進一步的實驗驗證和實驗數(shù)據(jù)的積累。地表水熱泵系統(tǒng)：地表水溫度受氣候的影響較大,與空氣源熱泵類似,武漢東湖等

6、淺水性湖泊夏季水溫高于濕球溫度，無利用價值，冬季水溫略高于氣溫，可用作熱源水。實測數(shù)據(jù)表明寧波奉化江水7M深31.2，珠江底層31.8，江水熱污染很厲害，利用價值不大?？衫瞄L江水作為地表水熱泵系統(tǒng)的熱源，但冬季江水水位很低，從取水的經(jīng)濟性及防洪角度考慮，實際利用還是極難的。地下水熱泵系統(tǒng)：綜合上述情況可以看到，目前在我國來說，技術(shù)上比較成熟、利用可行性較大、實施的工程項目較多的還是地下水熱泵系統(tǒng)。目前國內(nèi)生產(chǎn)水源熱泵機組的廠家也已達到二、三十家。因為國內(nèi)還沒有頒布水源熱泵機組的生產(chǎn)技術(shù)標準，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量差別較大，從有些廠家的產(chǎn)品樣本來看，技術(shù)參數(shù)不完整、不準確。因為很多生產(chǎn)廠家沒有

7、實測手段，采用水源熱泵機組所需要的很多數(shù)據(jù)不能提供，甚至不排除某些技術(shù)力量差的廠家根本就沒有弄清楚水源熱泵機組和常規(guī)冷水機組的技術(shù)差異，直接就拿常規(guī)冷水機組來作為水源熱泵機組推銷到市場。目前就筆者所接觸到的廠家來看，只有一家國外公司能夠提供專用電腦軟件選型數(shù)據(jù)，可以根據(jù)設(shè)計工況選擇合理和可信的機組配置和各種性能數(shù)據(jù)。2 地源熱泵在武漢地區(qū)的應用2.1 地下水源熱泵工程實例2.1.1地下水源熱泵在湖北工程應用最早的一家是位于荊州沙市的法雷奧汽車空調(diào)有限公司，采用的是西亞特LWP1800（545KW）螺桿水一水熱泵機組2臺，LGP350一臺（110KW），總制冷量是1200Kw，供應一個車間（50

8、00m2）和辦公部分（900m2）, 因取水量的限制取水井為一口50m3/h的井，制冷時另加一臺冷卻塔進行補充。制熱時因車間本身設(shè)備散熱量較大，一口井取水完全能夠滿足供暖需要。夏季井水18.5，冬季17.8。2000年9月開始運行。2.1.2位于漢口循禮門的天與地音樂城，建筑面積5000m2,采用的是意大利克萊門特活塞式水源熱泵機組WRHH1202兩臺，總制冷量是720Kw，總制熱量是750Kw（其中供暖450Kw，利用熱回收系統(tǒng)供生活熱水300Kw）。打兩口井，一抽一灌，回灌在90%左右，井深47m，冬季出水20.5，取水量60m3/h。冬季運行機組升溫很快，2小時不到機組供水溫度即可達到4

9、5以上。2002年6月開始運行。2.1.3武漢凌云科技集團綜合廠房，總建筑面積11000m2, 其中4000m2辦公，7000m2生產(chǎn)廠房。選用法國西亞特螺桿式水源熱泵機組LWP2500二臺，總制冷量1440Kw，制熱量1900Kw，打井4口，每臺機組2口，一抽一灌。2002年10月開始運行。2.1.4漢口香港路香榭里花園4萬米2，總制冷量3200Kw，總制熱量2500Kw。設(shè)計選用克萊門特螺桿水源熱泵機組BE/SRHH2702三臺，制冷時冷凍水7/12，地下水18/32；制熱時供暖水40/50，地下水18/8。打井由武漢地質(zhì)工程勘察院承擔，每口井取水量80m3/h, 先打試驗井，一抽一灌，取

10、得實驗數(shù)據(jù)，進行詳細周密的計算和水文地質(zhì)分析。設(shè)計三口取水井，五口回灌井，每口井回灌60%，分析計算認為三口井同時抽水，五口井同時回灌時，場地南側(cè)地水水位有不到1m的下降，其它部位下降均小于0 .5m；南側(cè)的地面沉降有1cm，其它部位地面沉降小于0.5cm；大部分場地的不均勻沉降小于0.2，不致于對地質(zhì)構(gòu)成不良性的影響和影響建筑物的正常使用。2002年11月開始運行。2.1.5漢口東西湖武漢航達公司廠房綜合樓，建筑面積18000米2，采用克萊門特螺桿水源熱泵機組BE/SRHH2702兩臺，設(shè)計六口取水井，六口回灌井，每口井取水量20m3/h。2003年9月開始運行。2.1.6漢口百步亭花園小區(qū)

11、綜合樓，建筑面積21000米2，采用西亞特螺桿式水冷冷水機組LWP2800一臺, 螺桿式水源熱泵機組LWP1400兩臺，渦旋式水源熱泵機組LGP100一臺,冰球配置105 m3。本工程是由冰蓄冷系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)合而為一的獨特的空調(diào)系統(tǒng),具有削峰填谷和節(jié)能環(huán)保的雙重意義。2004年11月開始運行。2.1.7湖北大學圖書館，建筑面積42000米2，采用克萊門特螺桿水源熱泵機組BE/SRHH3602三臺，總制冷量3850KW,總供熱量3100KW。設(shè)計三口取水井，六口回灌井，每口井取水量120m3/h。根據(jù)場地條件盡量拉大取水井的間距,在部分負荷狀態(tài)下,盡可能用足地下水溫差,減少用水量。2004年

12、11月開始運行。2.1.8漢口福星惠譽辦公綜合樓，建筑面積10000米2 。采用西亞特公司螺桿式水源熱泵機組LWP1800兩臺?？傊评淞?090KW,總供熱量850KW。設(shè)計兩口取水井，四口回灌井，每口井取水量80m3/h。2003年11月開始運行。2.1.9湖北警官學院圖書館體育館，建筑面積20000米2 。采用克萊門特螺桿水源熱泵機組BE/SRHH2702兩臺，總制冷量2300KW,總供熱量1600KW。設(shè)計兩口取水井，四口回灌井，每口井取水量80m3/h。 湖北警官學院學生食堂，建筑面積12000米2 。采用克萊門特螺桿水源熱泵機組BE/SRHH2702兩臺，總制冷量2300KW,總供熱

13、量1600KW。設(shè)計兩口取水井，四口回灌井，每口井取水量80m3/h。2004年7月開始運行。2.2 地下耦合熱泵工程實例2.2.1省公安廳駕校辦公大樓，建筑面積5000米2，采用克萊門特螺桿地源熱泵機組WRHH0802兩臺，總制冷量520KW,總供熱量370KW。利用室外場地進行垂直埋管,共打孔220個,間距4X4M,孔內(nèi)共埋設(shè)U型PE換熱管10000米,孔深30米。2002年11月開始運行。2.2.2清江花園小區(qū)共有兩棟小高層住宅，總建筑面積38000米2，采用克萊門特螺桿地源熱泵機組WRHH0802兩臺，總制冷量1560KW,總供熱量1000KW。利用小區(qū)中心花園下地下車庫底部進行垂直埋

14、管,共打孔220個,間距4X3.5M,孔內(nèi)共埋設(shè)U型PE換熱管28000米,孔深在65-70米之間,中間以回填材料填實。2004年6月開始運行。3 地源熱泵設(shè)計中應重視的幾個問題3.1水源和取水許可使用水源熱泵的前提是必須有可供采取的充足的地下水源，漢口情況較好，地下水呈面狀分布，徑流緩慢，補給充足；武昌、漢陽就要根據(jù)具體情況掌握，地下水分布圖可找權(quán)威的水文技術(shù)行政部門了解咨詢。有了水源以后，必須向水行政主管部門（水務(wù)局水資源管理處）申報，申報時必須有權(quán)威部門的地下水開采和回灌設(shè)計報告，得到批復后還必須繳交水資源使用費（生活用0.02元/米3，工業(yè)用0.03元/米3）。申報時還必須附上第三方確

15、認，特別是取水井鄰近城市重大基礎(chǔ)設(shè)施和重點工程時。3.2取水和回灌從上面香榭里花園的水文地質(zhì)分析和計算結(jié)果可以看出，只取水不進行有效回灌或回灌不慎造成地下水污染的都是極不負責任的行為，都會造成這項利國利民的好事以人人談之色變的惡名而夭折。并且這種不負責任的行為造成的損失是無法挽回的，天津唐沽地下水過量開采，導致海水滲透進去，對生態(tài)造成嚴重破壞；西安由于地下水過量開采，導致大雁塔傾斜近1M，并且形成十三條縱、橫向裂縫，長達50公里，鐘樓下陷135mm。華北地區(qū)形成4萬平方公里的華北大漏斗。武漢地區(qū)的地下水開采和回灌都是極為有利的，46米左右，不回灌沒有理由。3.3水源熱泵機組能效比問題現(xiàn)在有很多

16、廠家出于商業(yè)競爭的需要，極力夸大水源熱泵節(jié)能、省錢效果，盲目提高所謂機組的能效比（有的機組COP值達到5.3甚至到6），實際上熱泵機組活塞機COP在3.84.2左右，螺桿機在4.04.6左右，水源熱泵機最多在此基礎(chǔ)上提高10%，充其量到5。而且單純宣揚機組的COP值有多高也沒有任何的實際意義，應該是談?wù)麄€水源熱泵系統(tǒng)的能效比，美國制冷學會（ARI）評定“地下水源熱泵”采用的就是水源熱泵系統(tǒng)的能效比，制冷工況時，地下水源熱泵系統(tǒng)的能效比（EER）=冷負荷/井泵功率+環(huán)路功率+水源熱泵功率；制熱工況時，地下水源熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)（COP）=熱負荷/井泵功率+環(huán)路功率+水源熱泵功率。在設(shè)計水源熱泵系

17、統(tǒng)時，應盡量加大地下水的利用溫差，減少地下水的使用量，在較小的地下水用量和最佳的水源熱泵機組工況的優(yōu)化組合下才能達到最高的水源熱泵系統(tǒng)的使用能效比。3.4地表水水源熱泵機組的換熱問題熱泵與地表水的換熱可采用開式循環(huán)或閉路循環(huán)兩種不同的形式。開式循環(huán)是用水泵抽取地表水在熱泵的換熱器中換熱后再排入水體。但在水質(zhì)較差時換熱器中易產(chǎn)生污垢，降低換熱效果，嚴重時甚至影響系統(tǒng)的正常運行。因而地表水熱泵系統(tǒng)一般采用閉路循環(huán)，即把多組塑料盤管沉入水體中，熱泵的循環(huán)液通過盤管與水體換熱，可以避免因水質(zhì)不良引起的污垢和腐蝕問題。由于地表水溫度受氣候的影響較大，與空氣源熱泵類似，當環(huán)境溫度越低時熱泵的供熱量越小，而

18、且熱泵的性能系數(shù)也會降低。一定的地表水體能夠承擔的冷熱負荷與其面積、深度和溫度等多種因數(shù)有關(guān)，需要根據(jù)具體情況進行計算。這種熱泵的換熱對水體中生態(tài)環(huán)境有無影響目前還未見到明確結(jié)論，必要時應預先加以考慮。深水湖在夏季會產(chǎn)生溫度的分層，湖底保持較低的溫度；冬季湖面結(jié)冰后會限制湖水溫度的下降。從目前的實際工程情況來看，自然形成的淺水性湖泊受外界氣候或熱污染影響較大，人工深水湖(水庫)是可以提供給熱泵使用的較好的地表水體資源。3.5地下耦合熱泵機組的換熱問題地下耦合熱泵系統(tǒng)換熱器為一個由地下埋管組成的地熱換熱器 (geothermal heat exchanger, 或ground heat exch

19、anger)。地熱換熱器主要有水平埋管和豎直埋管兩種設(shè)置形式。水平埋管形式是在地面開12米深的溝，每個溝中埋設(shè)2、4或6根塑料管。豎直埋管的形式是在地層中鉆直徑為0.10.15 m的鉆孔或利用管樁，在鉆孔或管樁中設(shè)置1組（2根）或2組（4根）U型管并用灌井材料填實。鉆孔的深度通常為40200m?，F(xiàn)場可用的地表面積是選擇地熱換熱器形式的決定性因素，因此一般采用節(jié)省土地面積的豎直埋管地熱換熱器。地熱換熱器所需埋管的總長度需要根據(jù)埋管的形式、地下巖土的熱物性、地下的溫度和冷熱負荷的情況作詳細的計算才能確定。設(shè)置地熱換熱器的主要費用是鉆孔的費用，正確設(shè)計地熱換熱器埋管的長度對于保證系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟性十分重要。在有條件時可以結(jié)合建筑樁基形式利用樁孔進行埋管設(shè)置，