郝正明

1.水源熱泵技術(shù)的理論基礎(chǔ)

水源熱泵系統(tǒng)是利用地下水的溫度和相對(duì)濕度的變化來(lái)對(duì)地下水中的熱量進(jìn)行交換的一種裝置。它由水輪機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)組等組成。在整個(gè)過(guò)程中，通過(guò)將空氣抽到箱體內(nèi)，然后再將抽起來(lái)的熱能傳遞給冷卻塔，從而達(dá)到對(duì)室內(nèi)的加熱作用。在實(shí)際工程中，可以使用的冷水機(jī)組有很多，但大多數(shù)是單臺(tái)的制冷機(jī)，而這種單臺(tái)制冷機(jī)的價(jià)格比較昂貴，運(yùn)行的環(huán)境要求也很高，所以一般都不采用。如果要對(duì)一個(gè)區(qū)域的地暖供暖工程的用水進(jìn)行有效的管理與控制，就必須研究出一套完整的理論基礎(chǔ)。從熱力學(xué)的角度來(lái)看，當(dāng)流體的黏度比達(dá)到一定程度的時(shí)候時(shí)，會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：在黏度比較大的地方時(shí)，會(huì)有很大的阻力；相反，流速較小的地區(qū)則會(huì)沒(méi)有阻力。因此就需要用一些能夠使傳質(zhì)變快的設(shè)備來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的傳熱方式[1]。

2.水源熱泵的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，水源熱泵技術(shù)的發(fā)展主要分為三大類：（1）水泵法：這種方法是通過(guò)將水作為能源來(lái)供應(yīng)所需的能量；（2）變頻器法：利用變頻器的工作原理，把需要傳輸?shù)碾娔苻D(zhuǎn)化成所需的電壓和頻率的裝置；（3）輔助加熱法：在夏季，可以用它來(lái)進(jìn)行供暖，冬季則可使用其來(lái)補(bǔ)充熱能。這三種方法各有優(yōu)劣，但都有各自的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。對(duì)于地下水的開(kāi)采和地下熱量的吸收來(lái)說(shuō)，它們都有一個(gè)共同點(diǎn)就是對(duì)環(huán)境無(wú)污染，而且也沒(méi)有任何的浪費(fèi)或者排放的余量。但是由于這些特點(diǎn)，在實(shí)際的施工中，要根據(jù)不同的情況選擇合適的方法才行。所以就出現(xiàn)了兩種比較新的計(jì)算方式，一種為直接接觸法，另一種為間接感應(yīng)發(fā)熱測(cè)量。

3.水源熱泵在地?zé)峁┡こ讨械膽?yīng)用

目前，我國(guó)地?zé)岜孟到y(tǒng)主要是由城市集中供暖、地下管網(wǎng)和地面露天采空?qǐng)鋈N形式構(gòu)成的供水方式。在這三種形式中，地下水一般是通過(guò)地表水的補(bǔ)給來(lái)達(dá)到其要求的溫度；而在地上的建筑中，由于其本身具有的特點(diǎn)和施工的條件比較復(fù)雜，對(duì)水源的需求量也比較大，這就導(dǎo)致了直接取用普通的地?zé)崴姆椒ú荒軌驖M足需要。而采用蓄能技術(shù)的冷水機(jī)組，可以有效地解決上述問(wèn)題，并且不會(huì)造成二次污染。

3.1 水源熱泵地?zé)峁┡到y(tǒng)的建立

由于熱泵裝置在地下，其本身的特點(diǎn)也決定了它的運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜，比如說(shuō)，它是一個(gè)集水箱、壓縮機(jī)等為一體的綜合系統(tǒng)，所以在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)建筑物的具體情況，來(lái)進(jìn)行水源熱泵的布置和相關(guān)的設(shè)置；然后再對(duì)整個(gè)機(jī)組的位置以及各個(gè)部件的尺寸和安裝的要求來(lái)確定。

（1）水箱：因?yàn)槔渌膲毫Σ皇呛芨?，而且溫度的變化比較大，因此可以把這個(gè)系統(tǒng)直接安置到集中式的制冷設(shè)備中，這樣就能使其保持恒定的工作狀態(tài)，并且不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱的現(xiàn)象；（2）壓縮機(jī)：通過(guò)對(duì)制冷壓縮機(jī)的合理配置，將制冷壓縮機(jī)的容量大小控制好，從而使其運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程更加穩(wěn)定；（3）供水：為了保證供暖的質(zhì)量問(wèn)題，必須有一定的供給量，否則會(huì)造成浪費(fèi)。同時(shí)還要考慮當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛玻苊獍l(fā)生意外的事故或者是人為的破壞等。

3.2 水源熱泵的平衡條件

平衡條件是指建筑物的供暖系統(tǒng)在滿足熱負(fù)荷的前提下，使其供回水溫度保持恒定不變，從而達(dá)到節(jié)能的目的；也可以稱為“冷工況”，即在夏季，由于室外的熱量無(wú)法通過(guò)蒸發(fā)器吸收，而需要將室內(nèi)的冷量全部用于提供所需的熱水；或者是在冬季，因?yàn)橥饨绲沫h(huán)境因素，導(dǎo)致所需的水量減少，這時(shí)就應(yīng)該采用抽水泵的方式來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充。

（1）對(duì)地?zé)崮艿睦脤?duì)于地?zé)岬睦弥饕w現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是對(duì)地表的地下水加以回收，然后再利用水的形式來(lái)加熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將地下的熱量轉(zhuǎn)化為電能的作用；二是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的能力用來(lái)儲(chǔ)存。（2）對(duì)空氣的利用：如果水源的位差較大，那么就會(huì)造成大量的煤炭、石油等不可再生的資源浪費(fèi)，因此要充分地考慮到這一點(diǎn)，比如把可燃的煤油等經(jīng)過(guò)低溫液化之后再送入建筑中，這樣不僅能夠提高能源的使用效率，而且還能節(jié)約一部分的用電量。

3.3 水源熱泵系統(tǒng)的控制策略

由于熱泵機(jī)組的運(yùn)行工況和工作條件的差異性，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要對(duì)其進(jìn)行合理控制與調(diào)節(jié)，這樣才能保證其正常的運(yùn)轉(zhuǎn)和高效的使用；同時(shí)，還應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)的溫度、流量以及壓力等參數(shù)的變化規(guī)律都有一定了解并采取相應(yīng)的調(diào)整措施，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定安全。（1）在實(shí)際的施工中，可以通過(guò)設(shè)置一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫濕度、水壓等，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)分析出影響系統(tǒng)的主要因素，從而確定最佳的控制策略。（2）在現(xiàn)場(chǎng)的一些大型建筑中，一般情況下，水源熱泵房的環(huán)境比較惡劣，因此必須采取有效的防凍手段，比如采用制冷循環(huán)，使水溫保持恒定，進(jìn)而降低凍融災(zāi)害的發(fā)生概率。（3）對(duì)于地下的管道而言，如果是直接埋設(shè)在土壤當(dāng)中，那么就不能再增加管材的數(shù)量；而當(dāng)?shù)叵滤宦袢氲酵恋刂?，就?huì)導(dǎo)致管材的體積變小，并且會(huì)造成滲漏的問(wèn)題出現(xiàn)。

3.4 水源熱泵的利用率

對(duì)水源熱泵進(jìn)行有效地利用是保證其能夠正常運(yùn)行的基礎(chǔ)條件，所以要想使其在地?zé)峁┡こ讨械玫礁玫膽?yīng)用，就必須提高它的利用率。（1）在對(duì)地?zé)崴募訜徇^(guò)程中，存在著溫度的差異和環(huán)境的變化會(huì)導(dǎo)致冷水的溫度不同，因此要想使水溫保持恒定，就需要降低自來(lái)水的供水壓力，從而達(dá)到控制冷凝流量的目的。（2）在對(duì)地下水開(kāi)采和地下水位下降等情況下，為了減少地表的冰凍現(xiàn)象，可以使用人工井點(diǎn)的方式來(lái)增加井點(diǎn)的高度。（3）如果是在夏季，則應(yīng)該采用低溫低壓的系統(tǒng)來(lái)代替高溫高壓的系統(tǒng)。（4）當(dāng)水源的水質(zhì)比較差，而且又有季節(jié)性的影響時(shí)，則應(yīng)選用節(jié)假日的集中供冷模式，以滿足冬季的需求量。這樣既能做到環(huán)保又能節(jié)約成本。（5）對(duì)地?zé)岜孟到y(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化主要是為了提高熱泵的效率和效益。在對(duì)地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用中，可以通過(guò)以下方式：將地下水井作為一個(gè)儲(chǔ)存庫(kù)，在地下水位上升到一定程度后，再將其儲(chǔ)存在蓄水池中。利用地下車庫(kù)的儲(chǔ)罐將其存儲(chǔ)于庫(kù)內(nèi)，并與地面水一起使用。我國(guó)的地勢(shì)地貌類型不同，對(duì)于地表水資源的需求也就有所不同，因此在對(duì)地?zé)崮艿难芯繒r(shí)，要考慮到當(dāng)?shù)氐牡匦翁攸c(diǎn)，根據(jù)實(shí)際的情況選擇合適的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)最大化地利用水資源。

3.5 敏感度控制

敏感度是指某一區(qū)域內(nèi)的某一溫度、壓力值與周圍環(huán)境的溫差的比值；敏感系數(shù)越大，則說(shuō)明該溫度、壓力的變化對(duì)周邊的影響就越小，對(duì)其進(jìn)行處理的難度就會(huì)降低。當(dāng)熱泵的熱力工況發(fā)生變化時(shí)，其敏感性也隨之改變。例如在地?zé)崴到y(tǒng)中，當(dāng)水泵的排氣閥門打開(kāi)時(shí)，水的存在會(huì)導(dǎo)致排氣管道中的空氣流量增加，從而使管道內(nèi)的氣壓增大，這就是一個(gè)非常危險(xiǎn)的情況；當(dāng)水的導(dǎo)程阻力加大，水流速度變大，則可能造成管壁的腐蝕和變形，甚至發(fā)生堵塞。因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候要充分考慮到這些因素，并采取相應(yīng)的措施來(lái)避免這種安全事故的出現(xiàn)。

如果是在室外，那么就要盡可能地減少輻射對(duì)其的影響，對(duì)于地下水源，比如說(shuō)河湖，可以適當(dāng)?shù)靥岣咚吹膶?dǎo)程的負(fù)荷量，這樣不僅能夠減少管壁的腐蝕和變形，而且能使水面的升溫的幅度大大增高。地下水的開(kāi)采和地下水位的下降對(duì)建筑物的影響很大，因此在施工前必須做好相關(guān)的準(zhǔn)備工作，包括施工方案、技術(shù)措施等，以保證水源熱泵系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在進(jìn)行施工前，要依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的要求制定出合理的施工流程，并對(duì)整個(gè)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題做詳細(xì)的記錄與說(shuō)明。然后再由技術(shù)人員將現(xiàn)場(chǎng)的土體情況、水文條件以及氣象資料等信息傳遞給總承包商，總包方負(fù)責(zé)將這些數(shù)據(jù)上傳到總包方的電腦上，供業(yè)主參考。最后由總包單位把所有的數(shù)據(jù)匯總后，再統(tǒng)一交給監(jiān)理工程師，最終得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。如果實(shí)際測(cè)量的參數(shù)與理論值有差異，需要及時(shí)調(diào)整。

3.6 土壤源

土壤源主要是指水文循環(huán)中的水文站，它是利用地下水資源，通過(guò)地下水源來(lái)進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存的裝置設(shè)備。在熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮水源的溫度、壓力、流量等因素，從而保證在正常的工作條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地?zé)崴墓?yīng)和回收。

在熱泵機(jī)組的運(yùn)行當(dāng)中，要根據(jù)實(shí)際的情況選擇合適的土壤源，因?yàn)槿绻麤](méi)有足夠的熱量就不會(huì)對(duì)制冷壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)造成影響，所以說(shuō)，需要從土壤的溫升率的角度出發(fā)，來(lái)確定土壤源的溫升率，進(jìn)而達(dá)到降低耗能的目的；同時(shí)，還要注意到，土質(zhì)的性質(zhì)不一樣也會(huì)導(dǎo)致不同的制冷劑的使用量，比如說(shuō)，當(dāng)土質(zhì)的硬度比較低的時(shí)候就可以選用石灰石，而當(dāng)含水量較高的時(shí)候就要采用堿穩(wěn)定劑，而且還應(yīng)該增加一些輔助的物質(zhì)；對(duì)于那些含有大量的雜質(zhì)或者是有害成分的制冷劑，例如氟利昂等，都不能直接用作土壤的熱能來(lái)源。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在地?zé)岜孟到y(tǒng)中，地下水源熱泵機(jī)組是一種新型的節(jié)能型能源，其主要的優(yōu)點(diǎn)是：可以有效地利用水源的熱量；節(jié)約能耗；可實(shí)現(xiàn)無(wú)污染的運(yùn)行模式。但是我國(guó)地?zé)崮苜Y源相對(duì)匱乏，而且受地理?xiàng)l件、氣候環(huán)境等因素的影響，所以應(yīng)該加大研究力度，使水源熱泵可以更好地應(yīng)用于生活中。