地源热泵空调系统应用问题分析

地源热泵空调系统是一种利用地球表面浅层水源（如地下水、河流或湖泊）和人工再生水源（工业废水、中水、地热尾水等）既可供热又可制冷的高效节能的空调系统。水源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位热能的转移。将水体和地层蓄能作为冬、夏季的供暖热源和空调冷源，即在冬季，把水体或地层中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量“取”出来，释放到水体和地层中去。由于其环保、节能等特点，近五年来，地源热泵空调系统在北美（如美国、加拿大）及中、北欧（如瑞士、瑞典）等国家取得了较快的发展。同样，中国的地源热泵市场也日趋活跃，沈阳作为东北地区地热供暖、制冷示范城市之一，其推广应用前景极其广阔。　　1 采用地源热泵需考虑的问题　　拟采用水源热泵的项目区域，首先必须了解项目所在区域的水文地质条件，包括水源的水温、水量、水质。采用地下水作为水源应用时，选择水源的原则为：水量充足、水温适当、水质良好、供水稳定等。尤其要特别注意水质情况，包括含砂量与混浊度及水的化学性质。含砂量与混浊度高，会造成机组和管阀磨损，回灌时会造成含水层堵塞。因此，地下水源含砂量应小于20万分之一，回灌水的混浊度应小于20mg/L。对于井回灌式水源热泵，除对回灌水质有要求外，井的布局也是至关重要的，因为井群的建造具有不可动性，其正常运行对于水源热泵系统的作用又非常重要，因此井群的设计布局应当慎之又慎。另外,还需考虑井的位置对于邻近建筑物的影响。由于井的回灌能力受当地水文地质条件、回灌工艺的限制，为达到等量回灌，回灌方式的选择也是考虑的问题之一。是采用真空回灌、重力(自流)回灌、还是压力回灌，也要针对不同区域水文地质条件考虑进行选择。为保证回灌后不会引起区域性地下水污染，应遵守如下原则：　　(1) 地下水应在封闭系统中输送;系统中与地下水接触的部件应采用耐腐蚀材料制造；取水管路和回灌管路上应装有水表和采集水样用的旋塞阀;定期对地下水进行化验，并将化验结果报送有关部门备案;如发现地下水异常，特别是水中出现化学物质超标或其它无关物质时,应及时与有关部门联系，并采取措施。　　(2) 由于水源热泵主要建在学校、生活区等场所,应首先考虑污染问题,为防止地表污水通过抽水井和回灌井污染地下水，并考虑项目区美观,机井设计应采用沉井形式。　　(3) 由于水源热泵采用的抽水井和回灌井需互换使用，并且为延长井的使用寿命，井管应采用钢管(寿命为25y,与地温空调系统一致)，滤水管采用桥式滤水管，滤水管长度要求不小于含水层厚度。　　(4) 为保护建筑物、电线、电缆,井位布置还应注意以下问题:井孔中心距电话线至少10m，距地埋电力线路及松散层旧井孔边线的距离至少5m，距地下通信电缆、构筑物、通道及其它地下设施边线水平距离至少2m，距高压线的距离一般为塔高的2倍。　　另外，为了施工和维修方便,建议井中心线距地面建筑物水平距离不小于5m,距离大或重要建筑物不小于20m。　　2 沈阳地区地源热泵应用的优越条件　　2.1 沈阳市地源热泵应用的水文地质条件分析　　场地水文地质条件是进行地下水源热泵设计的依据。因此，地下水源热泵工程的勘察对象主要在取水目的含水层及其周围地层，勘察内容不仅包括水文地质工程地质性质，还包括热物理性质。通过场地工程勘察和区域水文地质资料，可以确定地下水源热泵的水文地质设计参数。　　首先需要确定的是目的含水层的位置和类型。地下水源热泵的取水位置优先。　　选择的是渗透性大、厚度大、地下水温度和水头稳定而埋藏又不是很深的承压含水层。含水层的选择主要受区域水文地质条件限制，在地下水源地保护区，还必须遵守相关保护规定。　　沈城具有推广地源热泵的先天条件。一是目前沈阳地下水位不断上升。另外，全市区经多处测试，沈阳市区地下水水温为9℃至15℃，绝大多数为12℃至14℃，且不受季节变化影响，符合地源热能的稳定性要求。特别是浑河北岸属于极其适宜开发地下水源热泵的地区，开发成本低，可以说沈阳的自然地理及水文地质条件适合地源热泵技术的推广应用。　　推广地源热泵技术进行供暖和制冷，是建设资源节约型和环境友好型社会的切入点和突破口。因此，沈阳推广这项技术的条件得天独厚。政府加大力度，推广地源热泵工作，使沈阳在建设资源节约型和环境友好型社会的工作中在全国率先突破。　　2.2 沈阳市地源热泵应用的政府政策支持　　经过近十多年来的发展，沈阳地源热泵供暖面积已经远远超过电供热、油炉供热和燃气供热面积，仅次于锅炉房供热和热电联产供热。目前，全市全面推广地源热泵技术已被列入沈阳市节能降耗工作重点。全市富水和次富水地区的新建建筑，只要符合条件，原则上都要推广该项技术。原有的公共建筑也要逐渐实施地源热泵技术改造，已建住宅则逐步改造，逐渐推广。2007年，沈阳要在全市范围内广泛实施地源热泵技术，应用面积要达到1500万m2。截至2008年底，沈阳城市地源热泵供热总面积将达到3440万平方米。　　在该项技术的推广应用方面，沈阳市政府将在政策上给予扶持，并制定相应的标准和企业准入制度，对施工企业的资质、技术等进行严格管理。　　凡符合沈阳市城市供热规划和地源热泵技术推广应用规划要求，并具备应用地源热泵技术条件的新建、改建、扩建建设项目，及耗能大的单位，应当采用地源热泵系统。对采用地源热泵系统的项目，系统用电按优惠电价收取，并免收水资源费。采用地源热泵系统供热的区域，享受市政府给予应用燃煤供热区域的全部优惠政策。　　另外，沈阳市水资源管理规定，使用地源热泵系统的单位必须确保所抽取的地下水全部回灌，回灌水应当符合国家标准。抽水井和回灌井必须分别安装计量水表并实现水量实时监测，不安水表的单位将被处以5000元以上2万元以下罚款。　　3 水源热泵应用的经济效益分析　　3.1 地源热泵的投资与收益计划　　据测算，使用地源热泵空调技术，一个取暖季内，平均每平方米需15元，夏季制冷需5元；而采用一套地源热泵空调系统供冷和供暖，一次性投资大约为200～240元/㎡。因此地源热泵在市场投资方面具有以下特点：　　① 初投资比较低。初投资中包括了从冷热源到管网到室内终端的所有投资项。虽然地源热泵的初投资高于传统的锅炉供暖，但由于地源热泵既可供暖又可供冷，一次投资全年使用，节省了冬季供暖的投资，因此地源热泵的初投资要低于锅炉加空调系统的总投资。　　② 供暖成本比较低。以地源热泵为基准比较各种供暖方案的供暖成本，煤锅炉比地源热泵低30%左右，而天然气锅炉要高40%左右，油锅炉要高70%左右。　　③ 地源热泵空调系统运行成本比较低，大约低于单冷空调的30%左右。　　3.2 地源热泵采暖、空调联供方案投资偏低的主要原因　　① 该系统不需要设专用机房。中央空调的机房面积(包括空调装置、电气及其它)约为空调建筑面积的5～8%，其中空调装置约占4～5%，以10层建筑物为例，其中机房约占一层。地源热泵将空调装置分散设在每户，不仅减少了机房的建设费用，且增加了办公面积，营业面积的作用也就更大。　　② 封闭水管不要保温，对竖井没有特殊要求。　　③ 地源热泵空调系统不占有房间的有效面积。而中央空调系统的户内装置风机盘管有时放置在窗户下，对住宅的影响较大。　　④ 水源热泵采暖运行时，约占总供热量3/4的吸收热来自井水，江、河的低温热或工业余热；空调运行时，约占总制冷量1.2倍的总散热量由低温热或工业余热分摊。因此，该系统较多地降低了采暖、空调系统的运行费。　　⑤ 水源热泵机组直接设置在用户房间内，减少了输配损失。　　⑥ 水源热泵机组能效系数较高，且性能系数的稳定性也较好。　　⑦ 水源热泵系统具有热回收性能。当同一建筑中有的房间需供热，有的房间需空调时，无需冷却及辅助加热。　　4 沈阳市地源热泵应用中存在的问题　　(1) 地下水热泵系统的经济性与地下水层的深度有很大的关系。如果地下水位较低，不仅成井的费用增加，运行中水泵的耗电将大大降低系统的效率。因此在决定采用地下水热泵系统之前，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、地下水深度、水质和出水量等资料。　　(2) 防止地下水的化学污染和热污染。注入水的水质应尽量保持与原地下水一致。存在化学缺陷的含水层不宜作为地下水源热泵的目的层，如可溶气体含量高、具有咸淡水或氧化还原带接口、含铁量过高、具有污染羽等等。如果水中含有对温度敏感的化学物质，可能形成热污染。回灌井引起地下水过冷或过热（如热突破）也是热污染，特别在含水层厚度小、埋藏浅、抽灌井相隔很近时，热污染的风险较大。　　(3) 避免干扰临近地区同类空调系统的运行。新建的地下水源热泵很可能影响到领近已有的同类型地源热泵，导致地下水成为不稳定的热源，这种现象在荷兰已经比较明显。地下水源热泵的抽灌井一般处于建筑物的边缘，因此容易发生近交叉干扰现象。对建筑物密集的城市地区，如果地下水源热泵或其它形式的地源热泵分布较多，设计时必须考虑它们之间的相互影响。　　(4) 防止地面沉降。通常，独立的地下水源热泵不会诱发显着的地面沉降。但当含水层的顶部或底部存在厚度较大的高压缩性粘性土时，地面沉降的风险较大。特别当回灌率不足时，可能造成长期而难以察觉的地面沉降趋势，值得关注。地下水源热泵密集分布地区形成的联合漏斗也会增加地面沉降的风险。　　(5) 目前关于地源热泵的应用方面，缺乏必要的地下监测工作。国内建设的大部分地热泵工程都没有建立地下水（岩土）的监测系统（井），地热泵工程在运行工程中对地质环境的影响一无所知。　　(6) 在地源热泵的应用方面，要防止地下水的化学污染和热污染。注入水的水质应尽量保持与原地下水一致。存在化学缺陷的含水层不宜作为地下水源热泵的目的层，如可溶气体含量高、具有咸淡水或氧化还原带界面、含铁量过高、具有污染羽等等。如果水中含有对温度敏感的化学物质，可能形成热污染。回灌井引起地下水过冷或过热（如热突破）也是热污染，特别在含水层厚度小、埋藏浅、抽灌井相隔很近时，热污染的风险较大。　　水资源是当前最紧缺、最宝贵的资源，任何对水资源的浪费或污染都是绝对不可允许的。国外由于对环保和使用地下水的规定和立法越来越严格，地下水热泵的应用已逐渐减少。　　5 地源热泵应用中存在问题的解决办法　　（1）目前沈阳市地源热泵抽取的地下水在地下经过封闭的换热器换取热量后，即刻、就地、原位回灌。因此不消耗水，不污染水，也不会破坏地下水的正常分布，最大限度降低了对地下水资源的依赖程度，从根本上避免了多井抽灌造成的问题。在电加热机组运行过程中，无燃烧，无任何固态、液态、气态污染物排放，彻底解决了燃煤、燃气、燃油产生的污染问题，对改善大气质量的作用是直接而显着的。　　（2）对于抽取地下水回灌问题，为预防和处理管井堵塞主要采用回扬的方法，所谓回扬即在回灌井中开泵抽排水中堵塞物。对沈阳的含水层进行管井回灌，回扬时间约一周1～2次。在回灌过程中，掌握适当回扬次数和时间，才能获得好的回灌效果，如果怕回扬多占时间，少回扬甚至不回扬，结果导致管井和含水层受堵，反而得不偿失。回扬持续时间以浑水出完，见到清水为止。　　（3）为了保证井孔抽、回水量，沈阳目前水源热泵的井孔钻探必须采用反循环清水钻进，防止泥浆堵塞井壁，影响井的出水量；洗井时可利用活塞、空压机、水泵三联合洗井法，洗井效果达到砂清水净，含砂量小于1/200000；如果回灌井长时间使用，将回灌井堵死后，可以采用活塞提拉强力洗井，打开被堵塞的回水通路，确保回灌效果。　　（4）根据水源热泵规范建议，水源热泵机组采用地下水为水源时，应采用闭式系统；对地下水应采取可靠的回灌措施，回灌水不得对地下水资源造成污染。