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水源热泵节能系统在某改造工程中的应用
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天津金大地能源工程技术有限公司 王安民 曹振婷 石光
摘要：水源热泵技术是利用低品位的浅层地下水作为冷热源，进行冬季采暖、夏季制冷的技术。该技术具有明显的节能环保效应并实现了低位能向高位能的转化。本文主要针对天津某水源热泵节能改造项目供暖和制冷进行了分析，阐明了推广水源热泵技术的广阔的发展前景和良好的环保和经济、社会效应。
关键词：水源热泵；低位能；空调；社会效应
水源热泵技术是利用地球表面浅层水如地下水、地热水、地表水、海水及湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。地能(地下水、土壤或地表水)作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。本文对利用低品位的浅层地下水作为水源热泵的冷热源，冬季热泵机组把地能中的热量“取”出来，向建筑物供暖；夏季热泵机组把室内热量取出来，释放到地下水中的热泵系统进行了可行性分析，并对热泵供暖和制冷的经济性进行了分析研究。
2 项目简介
该项目位于天津，空调面积约为3496.5m2。地上五层总高度为16.8m，1层为商店，2～5层为办公用房。本项目是个节能改造工程，原来冬季采用锅炉供暖、夏季采用家用空调制冷，现利用浅层的地下水作为热泵的冷、热源，采用水源热泵系统代替原有系统，末端采用风机盘管，源侧打两眼井，互为灌采井，达到冬季供暖夏季制冷的目的。
本工程共开凿具有采水及回灌功能的采灌井两眼。开采井和回灌井井相距50m左右，井深均为450m。
3 项目可行性分析
据项目需水量的要求，本工程需开凿第Ⅳ含水组井深450m深井2眼，同层采灌对井井距50m左右。
工程所在地地温梯度3.2℃/100m。本工程取水层拟从325～446m选取，砂层总厚度57m，预计单位出水量4.5 m3/hm，水质为HCO3-Na型水。井口出水温度25℃，静水位－77 m，该层地下水水质好，能满足热泵机组对地下水的水质要求，同时此层含水组静水位较深，有利于采灌平衡。
根据笔者所在单位在天津市新技术园区管委会水源热泵空调系统科研成果，对井同层井距50m左右时，单位降深出水量与单位升幅回灌量之比为1∶0.507，这个研究成果已经天津市科委鉴定通过。结合本工程应用上述成果，400m深井单位出水量为4.5m3/hm ，单位回灌量为2.25m3/hm ，静水位－77m，采用负压回灌方法。利用温差11℃时单井灌量能达到100m3/ hm以上 。本项目夏季最大需水量仅为41m3/h ，冬季最大需用水量为38m3/h完全能实现采灌平衡，并留有余地。
为保证采灌井长期安全运行，采灌对井冬夏两季互为灌采使用，充分利用天津地区粉细砂含水层储能作用，又能在互为灌采使用过程中达到洗井目的。使采灌对井开采量和回灌长期运行不会衰减，达到长期安全运行的目的。
冬季整个系统需用地下水仅为32m3/h。使用一对第Ⅳ含水组深井即可达到采灌平衡。因此，该项目具有很大的可行性。
4 设计内容
本次节能改造设计的范围主要为：
热泵机房水源热泵系统工艺管道设计
室内灌采管路工艺管道设计
热泵机房水源热泵系统工艺控制方案设计
室外水源热泵打井泵房工艺设计
空调末端风机盘管安装
通过以上设计，本工程冬季为空调末端提供45-40℃的热水，夏季为空调末端提供7-12℃的冷水，满足供热供冷的要求。
5 空调系统介绍
5.1空调系统主要设计参数（见表1）
5.2水源热泵机组介绍
喷淋式水源热泵机组
本项目采用喷淋式水源热泵机组，具体介绍如下：
喷淋式（降膜式）蒸发器有效的提高换热效果，在冷凝器进/出水温度40℃～45℃；蒸发器
进/出水温度12℃～7℃的工况条件下，比一般干式机组制冷量提高30%。（机组蒸发温度提高3～4℃）。
低压侧增压喷射泵的运用，以闪气槽中的闪气为动力，将蒸发器中的冷媒压力提升后，进入压缩机吸气端。
冷凝器：冷凝器采用高效专用换热管，独特的内部结构设计，比一般机组冷凝温度下降1℃～2℃。降低了压缩机耗功，提高了机组能效比。
油分、闪气槽，具有专利权的过滤式油分，油分离效果稳定。从根本解决了油分离效果较低而引起的机组运转效能衰减的问题。闪气槽在系统中的合理配置，使机组满载效率COP（kW/kW）值提高了10%。
孔口板，采用孔口板调整冷媒流量，安全可靠，无损坏，无维修费用，可满足机组负荷在12.5%～100%的准确调节。
水源热泵制冷供暖的系统示意图如图1所示。
5.3回灌井和开采井
本工程采用了同层对井回灌技术，即施工两个井深、结构相同的井，一个井冬抽夏灌，另一个井夏抽冬灌，两个井为同一含水层（本工程中为第Ⅳ含水层）
5.3.1回灌井和开采井工艺
（1）井孔孔径大于600毫米，配合使用双滤网过滤器使过水断面增大，利于增加井的采、灌量。由于滤网内的砾料相对固定，不因采、灌时的双向流水冲击作用改变原有的排列顺序，故而能保持管井长期的灌采运行。
（2）双层滤网内应添2～3毫米砾料和管外间隙充填的1.5～5.0毫米砾料形成梯级填砾反滤层，可以阻挡采水和回扬水时细颗粒。
（3）填砾高度高于顶部滤水管20～30m,可以防止因长期抽灌亏砂，粘土下滑阻塞含水层。
（4）洗井采用正压活塞洗井和负压的复合式洗井方法，洗井较为彻底，达到了基本清除泥皮、水清砂净，增加单位出水量的效果。
（5）在井管一定深度安装水位测管，可以在运行中随时进行水位观测，掌握井的运行状况。
由于采用了全新的成井结构及施工工艺，适合滨海地区粉细砂含水层灌采需要，成井质量较好，可以为工程运行打下良好基础。
5.3.2灌采工艺流程
真空回灌又称负压回灌，是指在泵管内形成-0.1Mpa压力的条件下，由泵管将回灌水灌入井下含水层的一种方法，具体操作为：在具有密封装置的回灌井中，开泵扬水时，井管和管路内充满地下水时停泵，并立即关闭泵出口的控制阀门，（图2中A）此时，由于重力作用，井管内水迅速下降，在管内的水面与控制阀之间造成真空度，（图2中B）在这种真空状态下，开启控制阀门和回灌水管路上的进水阀，靠真空虹吸作用，水就迅速进入井管内，并克服阻力向含水层中渗透。真空回灌适用于地下水位埋藏较深（静水位埋藏深度大于10m），渗透性良好的含水层。
在真空回灌过程中，最忌讳空气进入井内。但是，绝对密封是难以达到的，回灌时或多或少会有点漏气。应该用真空表测定管道内真空度大小。一般认为：真空度为-0.06～0.07Mpa时，密封效果好；当真空度小于-0.05Mpa时，密封程度差，应立即维修，补漏。当回扬后停泵、关闭制阀门,则真空表显示负压，如小于-0.06Mpa这时并不能认为密封效果已经很好，需在8小时后基本保持不变或未下降至0.05Mpa以下，才可以进行真空回灌。
除上述外，真空回灌还应注意以下事项：
（1）必须定期回扬，回扬时间很据回灌井畅通情况而定，一般一天回扬一次。每次20～40分钟，至水清砂净。
（2）回灌井初期使用时回灌量应由小到大逐渐增加，以免因反向水流作用过大，冲击过滤层造成通水不畅。
（3）注意停灌期的保养管理工作，至少每15天回扬一次，以保证水流畅通，防止井内水质变更和滤网被堵。
（4）灌采互用井应每年洗井一次，以防止滤水层累计淤塞，影响井的使用寿命。
压力回灌的操作方法与真空回灌大致相同。但其有井管回灌的特点，当井管内存有大量空气时，必须排净。否则空气会进入井内，造成气相阻塞。
因为加压回灌必须采用加压设备、消耗能源。一般情况下在负压可以回灌的情况下，不宜采用。故此，对本方法不再细述。
本工程实际运行中采用真空回灌的方法。基本满足100%回灌。
另外，笔者所在单位拥有“应用于水源热泵冷暖空调系统中的采灌井地面装置”和“应用于水源热泵冷暖空调中的采灌井”两项专利。
6 项目节能性和经济性预测
6.1项目节能量测算的依据和基础数据
而直接燃煤供热的能源利用效率仅为0.7左右（考虑到锅炉效率，输运损失，不平衡时调节不利的损失等）。
6.2 项目节能量测算公式、折标系数和计算过程
6.2.1.计算过程中的相关折标系数：
标准煤燃烧供应发热量为6995kcal/kg，即8.13kWh/kg。
1kWh的电能相当于320g标准煤燃烧释放的能量（取燃煤发电的效率为38%。）
6.2.2项目原方案耗费能量测算公式和计算过程（见表2）：
6.2.3项目节能方案耗费能量测算公式和计算过程（见表3）：
结论：本工程通过使用水源热泵，年节省标准煤110t，按照使用20年计算，则节省标准煤2200t。
7 项目环境影响分析
在环境保护方面，冬季采暖时，燃煤1kg将向大气排放3kg左右的CO2，该项目水源热泵系统每年可少向大气排放CO2约为330吨，对减少温室气体的排放有重要的意义；在夏季空调工况中，空调废热被排放到了地下水体中，而不是像常规空调那样通过冷却塔排放到大气中。这一点，对夏季炎热的南方城市有特殊的意义，可避免城市 “热岛现象”。
由以上分析可看出水源热泵供暖和空调的节能效果很好，并且热泵直接消耗的只是电能，环境效益显著；尤其对于改造工程，水源热泵工程系统取代了原有的燃煤锅炉，对保护环境具有重大的意义。另外，带有回灌的热泵供暖和空调系统，抽上来的地下水经过热泵机组提取冷量后，基本全部回灌，热泵只是提取了地下水的“热量”或“冷量”，而并没有利用地下水的“水”，这有利于保护地下水资源不受污染及防止地面下沉。
地下水地源热泵系统充分利用了地下水储热量大、热交换效果好的特点，如果在利用过程中，在对特定工程地下水水文地质资料进行详细勘察和水文试验的前提下，做好热源井群及地下水水源热泵空调系统的设计，就可以达到既满足建筑物空调舒适性要求，又充分提高地下水水源热泵系统运行的经济性和可靠性，带来较大的社会效益和经济效益，为我国可再生能源利用和节能减排事业作出积极贡献。
参考文献：
[1] 赵军, 戴传山. 地源热泵技术与建筑节能应用[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007,6.
[2] 陆耀庆. 实用供热空调设计手册[K]. 北京：中国建筑工业出版社，1993,6.
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西安地源热泵与水源热泵的区别？
作者：admin 发布日期： 9:31:28
西安地源热泵与水源热泵的原理都是一样（通过输入少量高品位能源，实现低温位热能向高温位转移），只是取热源的方式不同。水源热泵是通过打井直接取地下水,或者利用江河湖泊的水，进行换热或换冷；地源热泵也属于水源热泵，只是通过打井、地下埋设很多管道，然后再在管道内注满水或者冷媒作为换热介质，通过管道内的介质，在密闭系统循环吸收地下的热量或冷量。
水源热泵大部分属开式系统，需要利用到水资源，水源要求必须满足一定的温度、水量和清洁度。对于从地下水抽取和回灌，必须考虑地质的结构，确保可以通过钻井找到合适的水源，保证回灌可以实现，而且尽量避免地下水源的污染。像上海等一些重要城市，为了保护地下水源不被污染，是禁止抽取利用的。利用江河湖泊水的水源热泵，也受到季节性水位下降等诸多因素影响。总之，水源热泵的使用条件会比较苛刻一些。
而地源热泵是循环管道里面的水或冷媒，它不会污染水，甚至还能循环利用污水，能够实现绿色可持续发展，它不会向自然中排放任何废气、废水、废渣、是一种绿色的温度调节系统。被认为是对环境最友好和最有效的供热、供冷系统，只要地质条件不是很复杂，满足打井的要求就能使用，该系统适用范围广。
地源热泵是特殊形式的水源热泵，两者的区别大致如以上所述，作为新型的空调系统，地源热泵系由于其适用范围的广泛，受到很多别墅用户的青睐。
根据热力学第二定律，热可以自发地由高温物体传向低温物体，而由低温物体传向高温物体则必须做功。热泵系统实现了把能量由低温物体向高温物体的传递，它是以花费一部分高质能(电能)为代价，从自然环境中获取能量，并连同所花费的高质能一起向用户供热。热泵的供热量大于所消耗的功量，是综合利用能源的一种很有价值的措施。热泵由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀等主要部件组成。热泵技术按所需热源的不同大体可分为气源热泵、地源热泵及水源热泵。
地源热泵是一种利用地表浅层地热资源(也称地能，包括地下水、土壤和地表水等携带的能量)的高效节能空调系统。该系统集地质勘探成井技术、热泵技术和暖通技术于一体，利用地热资源进行采暖和制冷。地源热泵通过输人少量的高品位能源(如电能)，实现低温位或高温位的能量转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“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，释放到地能中去。通常地源热泵机组的性能系数COP(指其制热量与所消耗的电能的比值)达到3.8-5.4，即消1kW的能量可以得到4kW以上的热量或制冷量。十几年来，发达国家对于地源热泵技术多有研究和利用，且不断发展，近年来国内也呈现出不断研究和使用的趋势。据统计，至2004年底，浅层地能供暖(冷)系统已在国内推广近1000万平方米。由于地源热泵是利用地球表面浅层地热资源(通常小于400米)作为冷热源而进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层又是一个巨大的太阳能集热器，它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的能源，使得地能成为清洁的可再生能源。地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，在我国华北地区，它在冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高出许多，因此可以节约能源和节省运行费用。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。地源热泵系统可供暖、制冷，还可供生活热水，一机多用，初投资相对较少，一套系统可以替换原来的锅炉和空调两套装置或系统;可应用于各种建筑中。水源热泵是目前我国应用较多的热泵形式，它是以水(包括江、河、湖泊、地下水，甚至是城市污水等)作为冷热源体，在冬季利用热泵吸收其热量向建筑供暖，在夏季热泵将吸收到的热量向其排放，实现对建筑物的供冷。其工作原理大都是通过外部管道
及阀门的切换来实现冬夏工况的转换，夏季空调供回水走蒸发器，水源水走冷凝器，冬季空调供回水走冷凝器，水源水走蒸发器。
水源热泵是利用地球水所储藏的太阳能资源作为冷、热源，进行转换的空调技术。
& &水源热泵可分为地源热泵和水环热泵。地源热泵包括地下水热泵、地表水（江、河、湖、海）热泵、土壤源热泵；利用自来水的水源热泵习惯上被称为水环热泵。
水源热泵的原理
地球表面浅层水源（一般在1000 米以内），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且水源的温度一般都十分稳定。水源热泵技术的工作原理就是：通过输入少量高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在夏季将建筑物中的热量“取”出来，释放到水体中去，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，以达到夏季给建筑物室内制冷的目的；而冬季，则是通过水源热泵机组，从水源中“提取”热能，送到建筑物中采暖。
水源热泵的优点
1、 高效节能
& &水源热泵是目前空调系统中能效比（COP值）最高的制冷、制热方式，理论计算可达到7，实际运行为4～6。
& &水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12～22℃，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体温度为18～35℃，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，从而提高机组运行效率。水源热泵消耗1kW.h的电量，用户可以得到4.3～5.0kW.h的热量或5.4～6.2kW.h的冷量。与空气源热泵相比，其运行效率要高出20～60％，运行费用仅为普通中央空调的40～60％。
2、 属可再生能源利用技术
& &水源热泵是利用了地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。其中可以利用的水体，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对的均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可能。所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。
3、 节水省地
& &以地表水为冷热源，向其放出热量或吸收热量，不消耗水资源，不会对其造成污染；省去了锅炉房及附属煤场、储油房、冷却塔等设施，机房面积大大小于常规空调系统，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。
4、 环保效益显著
& &水源热泵机组供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，无燃烧过程，避免了排烟、排污等污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音、霉菌污染及水耗。所以，水源热泵机组运行无任何污染，无燃烧、无排烟，不产生废渣、废水、废气和烟尘，不会产生城市热岛效应，对环境非常友好，是理想的绿色环保产品。
5、 一机多用，应用范围广
& &水源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。其总投资额仅为传统空调系统的60%，并且安装容易，安装工作量比传统空调系统少，安装工期短，更改安装也容易。
& &水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，小型的水源热泵更适合于别墅、住宅小区的采暖、供冷。
6、 运行稳定可靠，维护方便
& &水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性；采用全电脑控制，自动程度高。由于系统简单、机组部件少，运行稳定，因此维护费用低，使用寿命长。
7、 符合国家政策，获得政策性支持
& &国家十分重视可再生能源开发利用工作，《中华人民共和国可再生能源法》已于日起实施；同时，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，又把大力发展和规模化应用新能源和可再生能源作为能源领域的优先发展主题。从国家立法和发展战略的高度，对可再生能源的发展应用予以强力推动。
& &日前,国家财政部、建设部发文《关于推进可再生能源在建筑中应用的实施意见》以及《可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法》，明确指出“十一五”期间，可再生能源应用面积占新建建筑面积比例为25%以上，到2020年，可再生能源应用面积占新建建筑面积比例为50%以上，这为我国水源热泵的发展提供了良好的环境和强劲的动力。 &
水源热泵的应用限制:
1、 可利用的水源条件限制
& &水源热泵理论上可以利用一切的水资源，其实在实际工程中，不同的水资源利用的成本差异是相当大的。所以在不同的地区是否有合适的水源成为水源热泵应用的一个关键。目前的水源热泵利用方式中，闭式系统一般成本较高。而开式系统，能否寻找到合适的水源就成为使用水源热泵的限制条件。对开式系统，水源要求必须满足一定的温度、水量和清洁度。
2、 水层的地理结构的限制
& &对于从地下抽水回灌的使用，必须考虑到使用地的地质的结构，确保可以在经济条件下打井找到合适的水源，同时还应当考虑当地的地质和土壤的条件，保证用后尾水的回灌可以实现。
3、 投资的经济性
& &由于受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响，水源的基本条件的不同；一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同。虽然总体来说，水源热泵的运行效率较高、费用较低。但与传统的空调制冷取暖方式相比，在不同地区不同需求的条件下，水源热泵的投资经济性会有所不同。