申喜亮

（山西三建集團有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

對于社會經(jīng)濟而言，能源是支撐其不斷向前邁進的支柱性力量。在時代飛速發(fā)展的背景下，人類已經(jīng)進入了現(xiàn)代社會，對能源的需求規(guī)模日益擴大。而為了實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展，綠色清潔能源的開發(fā)與應用已經(jīng)受到了社會各界的關(guān)注。因此，水源熱泵技術(shù)成為取代傳統(tǒng)暖通空調(diào)技術(shù)的優(yōu)選，其環(huán)保效益、節(jié)能效益以及經(jīng)濟效益均優(yōu)于前者，正在暖通工程中被廣泛推廣，且取得了良好的應用效果。

1 水源熱泵技術(shù)的原理

通過地球水所儲藏的太陽能資源轉(zhuǎn)換冷源與熱源的空調(diào)技術(shù)即為水源熱泵技術(shù)。該技術(shù)主要是以水泵技術(shù)作為參照對象，使得熱量能夠從低溫物體中轉(zhuǎn)移到高溫物體中，實現(xiàn)熱量的有效提升，因此可以認為，“水泵”實際上是這一技術(shù)形式中的“熱泵”的來源。地下水源熱泵系統(tǒng)基本能夠被細分為3個更加細致的系統(tǒng)，分別是水源系統(tǒng)、熱泵機組以及用戶末端系統(tǒng)[1]。當處于冬季時，地下水的溫度通常會高于地表溫度，所以，此時地下水就可以充當“熱源”，將地下水引入熱泵機組蒸發(fā)器之后，其自身的熱量將會轉(zhuǎn)移到制冷劑中，并在恰當?shù)臅r間完成回灌。與此同時，制冷劑會繼續(xù)傳輸熱量，直至將其運輸?shù)嚼淠髦写嬗械臒崴?，但值得注意的是，此時的熱水本身的溫度較低，在其吸收到來源于冷凝器中的熱量之后，將會被傳輸?shù)接脩裟┒讼到y(tǒng)中，從而實現(xiàn)取暖。當處于夏季時，地下水的溫度則會低于地上的溫度，因此，此時地下水又可以充當“冷源”，在將地下水引入熱泵機組之后，冷凝器會促使制冷劑本身的熱量逐步消散，同時在恰當?shù)臅r間內(nèi)完成回灌。與此同時，制冷劑將會繼續(xù)將冷量轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)器中存放的冷凍水，當冷凍水自身的溫度下降到一個更低的水準時，則會被再一次轉(zhuǎn)移到用戶末端系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)制冷。

2 水源熱泵技術(shù)在暖通工程中的應用優(yōu)勢

相較于以往的暖通工程空調(diào)系統(tǒng)，水源熱泵技術(shù)在暖通工程中的應用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3個層面。

2.1 具備良好的經(jīng)濟性

在與過去的暖通空調(diào)技術(shù)相比較時可以發(fā)現(xiàn)，由于水源熱泵技術(shù)在應用加工期間以地下水系統(tǒng)作為主要的能源來源，這種熱泵系統(tǒng)本身的容量較大，這也意味著其在實際應用期間投入的運行費用將會更低，相較于暖通空調(diào)，其運行成本規(guī)模將會縮減18%～54%。不僅運行費用降到更低的水準，并且系統(tǒng)的維護成本也更少。由此可見，水源熱泵技術(shù)在應用期間的經(jīng)濟性十分優(yōu)良。通常來說，如果應用水源熱泵技術(shù)的暖通工程的安裝容量超出528kW，并且工程井深處于180～540m時，該系統(tǒng)的整體經(jīng)濟效益將會更加優(yōu)良。不僅如此，在經(jīng)過專業(yè)人士的預估和計算之后可以發(fā)現(xiàn)，地下水源熱泵技術(shù)的投資增量回收期年限約為4～10年。

2.2 具備良好的節(jié)能性

相較于地表全年溫度而言，地下水的常年溫度表現(xiàn)出冬暖夏涼的局面，原因在于地球表層用于隔熱和蓄熱的能力。因此，使用地下水的水源熱泵技術(shù)可以將建筑物中存在的熱量帶走，其制熱效果和制冷效果均處于較高水準[2]。

2.3 具備良好的環(huán)保性

通過對水源熱泵技術(shù)的原理進行分析之后可以發(fā)現(xiàn)，地下水為該系統(tǒng)應用期間的基本傳熱介質(zhì)，因此，在冬季進行取暖時，無須像過去一樣使用鍋爐系統(tǒng)，這也意味著燃料燃燒時產(chǎn)生的污染性氣體將會大幅減少，實現(xiàn)了有效的環(huán)境保護。不僅如此，這也意味著消耗的燃料規(guī)模得到了有效降低，節(jié)能效果優(yōu)良。在夏季制冷時，也不再需要使用冷卻水塔，這實現(xiàn)了水資源消耗規(guī)模、霉菌污染程度以及噪聲污染程度的有效降低。同時，當水源熱泵系統(tǒng)在夏季進行應用時，建筑物內(nèi)部的熱量還會被傳輸?shù)降叵?，并未轉(zhuǎn)移到空氣中，這對于減輕城市熱島效應而言也是十分有利的。

3 水源熱泵技術(shù)在暖通工程中應用期間存在的問題

就現(xiàn)階段暖通行業(yè)的發(fā)展狀況來看，水源熱泵在其中的應用范圍呈現(xiàn)出逐漸擴大的趨勢，作為一種節(jié)能、高效的可再生能源利用技術(shù)，水源熱泵技術(shù)的有關(guān)技術(shù)體系愈發(fā)完善。不過，就現(xiàn)如今水源熱泵技術(shù)的實際應用狀況來看，仍然存在著一些不容忽視的問題。

3.1 勘察、分析與設(shè)計存在偏差

從本質(zhì)上來說，水源熱泵技術(shù)實際上是一種有著較強綜合性的技術(shù)，而不是單純的暖通技術(shù)[3]。我國有著遼闊的國土面積，從南至北、從東至西的緯度和經(jīng)度跨度均較大，加之各個地區(qū)與海洋之間的距離存在差異，使得我國各個區(qū)域的氣候條件和水文地質(zhì)條件表現(xiàn)出其獨有的特征，不同地區(qū)在應用暖通工程時所提出到的要求也不相同?；谶@種情況，在將水源熱泵技術(shù)應用到暖通工程建設(shè)中時，需要對所處區(qū)域的實際情況進行全方位地調(diào)研與勘察，確保項目建設(shè)場地地下水的水溫條件、污染物質(zhì)含量以及水質(zhì)等多項指標均能夠與水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計要求相滿足。除此之外，工作人員還應當深入了解工程地下水源周圍區(qū)域的環(huán)境，確保其具備順利建設(shè)熱源井的條件。不過就實際情況來看，在實際開展工作的過程中，工程設(shè)計人員在對水源熱泵系統(tǒng)進行設(shè)計時往往更加傾向于依賴自身的設(shè)計經(jīng)驗，忽視了分析項目建設(shè)區(qū)域條件的工作，同時也未在結(jié)合實際情況的基礎(chǔ)上論證自身的設(shè)計方案，最終導致生成的設(shè)計方法和水源熱泵系統(tǒng)的具體運行參數(shù)之間呈現(xiàn)出較為嚴重的差異，使得節(jié)能效果難以達到預期標準。

3.2 回灌技術(shù)不當破壞地下水系統(tǒng)

水源熱泵技術(shù)本身屬于一種綠色節(jié)能技術(shù)，在將其應用到暖通工程中時，一項重要任務即為保障生態(tài)系統(tǒng)平衡，倘若在水源熱泵系統(tǒng)中對出現(xiàn)開采地下水資源過度的情況，導致地表下沉現(xiàn)象產(chǎn)生的可能性就會加大，這種情況將會對建筑物使用安全和地表道路的使用安全產(chǎn)生較大的威脅[4]。為了避免這種情況的產(chǎn)生，在對地下水資源進行開采時，保證100%同層回灌是其中的關(guān)鍵一環(huán)。與此同時，還需要按照暖通工程項目本身的具體情況完成恰當?shù)幕毓嗉夹g(shù)的選擇，從而最大限度地減少浪費地下水資源的規(guī)模。就現(xiàn)階段我國在應用水源熱泵技術(shù)時的具體情況來看，由于微生物生長、氣泡堵塞、化學沉淀以及懸浮物沉淀等多種因素的存在，導致地下水資源難以實現(xiàn)全部回灌，這不僅會對系統(tǒng)運行產(chǎn)生一定的消極影響，還會在不同程度上破壞地下水系統(tǒng)。

4 水源熱泵技術(shù)在暖通工程中應用的實際案例

4.1 案例簡介

本文案例為一寫字樓建筑群中的暖通工程項目，分析水源熱泵技術(shù)在其中的應用。該寫字樓建筑群共涉及4棟建筑物，其中有一棟建筑物包含地上地下兩部分，地下1層，地上9層，余下3棟建筑物均只涉及地上部分，且其層數(shù)均為5層。該建筑群的整體建筑面積共計25000m2，建筑物水源熱泵系統(tǒng)末端設(shè)計的熱負荷與冷負荷功率分別為1696kW和2438kW。與此同時，該建筑群的暖通工程中還涉及10口熱源井，以滿足建筑物中人員的制冷和取暖需要。在這10口熱源井中，共涉及1口備用井、7口回水井以及2口抽水井。與此同時，這一項目中還包含4臺潛水泵，這之中還包含2臺備用的潛水泵。當處于夏季時，水源熱泵機組的冷水供水溫度和回水溫度分別可以達到7°C和12°C；當處于冬季時，水源熱泵機組的熱水供水溫度和回水溫度則分別可以達到45°C和40°C。與此同時，還將風機排管設(shè)備安裝在了水源熱泵系統(tǒng)末端。

4.2 水源熱泵系統(tǒng)運行現(xiàn)狀

在該寫字樓建筑群內(nèi)部水源熱泵系統(tǒng)運行期間，依托人為力量進行設(shè)置是冷凍水供水溫度設(shè)置的最主要形式。具體來說，系統(tǒng)管理人員應當在與自身工作經(jīng)驗進行有機結(jié)合的基礎(chǔ)上大致預測水源熱泵系統(tǒng)啟用時的供水溫度區(qū)間，并進行科學地調(diào)節(jié)。在水源熱泵系統(tǒng)運行的過程中，通常情況下，當室內(nèi)熱負荷水平越高時，設(shè)定的供水溫度參數(shù)值將會隨之呈現(xiàn)出下降趨勢，通常來說，供水溫度的變化范圍往往會處于±3°C。從理論層面的角度出發(fā)，如果設(shè)定的供水溫度處于較低水準時，那么建筑物室內(nèi)溫度減弱的幅度將會比較明顯且下降速度較快。當室內(nèi)的溫度條件可以與熱舒適性條件相符合時，供水溫度仍然保持在初始狀態(tài)，那么出現(xiàn)浪費冷量情況將會成為一種必然現(xiàn)象。不僅如此，在這種情況下甚至會有一些水源熱泵末端用戶通過打開門窗的方式對室內(nèi)溫度進行調(diào)節(jié)，這無異于浪費能源[5]。

在對當前水源熱泵系統(tǒng)的運行狀況進行分析之后可以發(fā)現(xiàn)。如果2臺機組在同一時間內(nèi)運行，并且此時2臺備用機組的旁通閥保持在開啟狀況，那么機組主供水和冷凍水出水的溫度將會存在一定的差異，通常會保持在2～3°C左右。在循環(huán)水泵處于工頻運行狀態(tài)時，冷凍水的實際流量可以達到180～190m3/h；如果2臺機組在同一時間運行，且此時另外2臺備用機組的旁通閥處于關(guān)閉狀態(tài)，那么此時水源熱泵機組主供水和冷凍水出水的溫度將會大致保持在相同的狀態(tài)，冷凍水流量相較于前者也會呈現(xiàn)出一定的下降趨勢，降低至130～140m3/h。通過對這兩種情況進行分析之后可知，當備用機組的旁通閥處于開啟狀態(tài)時，冷凍水的流量將會處于一個更高水準。在此期間，一部分冷凍水回收將會與機組冷凍水出水匯合，共同流入冷凍水主供水管道中去，而另一部分冷凍水回水將會流經(jīng)空調(diào)機組制冷；當備用機組的旁通閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，水源熱泵機組的冷凍水流量相較于前者也會更少，在這種狀態(tài)下，所有的冷凍水回水均會經(jīng)過機組制冷處理。

4.3 水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化措施

通過對該寫字樓建筑群的水源熱泵系統(tǒng)的運行狀況進行研究之后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)在實際應用期間還具備著十分可觀的節(jié)能潛力，這也意味著其節(jié)能效益將會得到進一步提升。而在實現(xiàn)在這一目的的過程中，實現(xiàn)初始供水溫度設(shè)定的優(yōu)化是其中的關(guān)鍵一環(huán)。具體來說，在設(shè)定初始供水溫度的過程中，當系統(tǒng)管理人員啟動水源熱泵機組時，所設(shè)定的供水溫度需要保持在一個較低的水準，同時在掌握建筑物室內(nèi)溫度條件的基礎(chǔ)上對機組的實際運行時間進行合理的設(shè)置。此外，當建筑物室內(nèi)的溫度條件能夠達到熱舒適性的要求之后，系統(tǒng)管理人員就可以將供水溫度的設(shè)定值適當提高，從而保證建筑物室內(nèi)的溫度條件能夠處于一個合理的區(qū)間。通過這種設(shè)定溫度的模式，不僅能夠?qū)⑺礋岜孟到y(tǒng)的功能進行充分發(fā)揮，同時還在很大程度上防止了浪費冷量情況的產(chǎn)生。

為了可以對實際產(chǎn)生的能源節(jié)約效果進行確定，還需要利用相應的試驗，試驗內(nèi)容應當包括旁通閥關(guān)閉試驗以及冷凍水供水溫度調(diào)節(jié)試驗。具體的試驗內(nèi)容共分為兩個部分：首先，旁通閥關(guān)閉試驗。通過上述內(nèi)容中對該建筑物群水源熱泵系統(tǒng)的運行狀況進行分析之后可以得知，備用機組旁通閥裝置的開啟或關(guān)閉將會影響主冷凍水的主供水溫度，倘若該溫度下降到了溫度控制范圍的最小值，此時壓縮機將會被自動關(guān)閉。在保證氣象情況大致保持相同條件的基礎(chǔ)上，分別對旁通閥開啟時和關(guān)閉時水泵熱源系統(tǒng)的整體運行電量進行統(tǒng)計。其次，冷凍水供水溫度調(diào)節(jié)試驗。在對冷凍水供水溫度進行調(diào)節(jié)時，將溫度調(diào)節(jié)范圍設(shè)定為（-1～+2）°C。倘若供水溫度超出了設(shè)定的溫度值，即需要對壓縮機進行關(guān)閉，并在保證氣象情況大致保持相同條件的基礎(chǔ)上，分別對溫度設(shè)定值存在差異情況下系統(tǒng)的整體運行電量進行統(tǒng)計。通過這兩項試驗之后可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改進之后的水源熱泵系統(tǒng)可以在很大程度上防止系統(tǒng)供水溫度設(shè)定值下降到較低水平，同時旁通閥的開啟和關(guān)閉也會對能源消耗量產(chǎn)生影響，因此在系統(tǒng)運行期間，系統(tǒng)管理人員應當對這項內(nèi)容加以關(guān)注，根據(jù)實際情況進行適當?shù)卣{(diào)節(jié)。

5 結(jié)語

綜上所述，在人們環(huán)保意識不斷提升的背景下，暖通工程中水源熱泵技術(shù)的應用范圍得到了充分拓寬，該技術(shù)的應用能夠與人們制冷和取暖的需求相匹配。就當前水源熱等技術(shù)的應用現(xiàn)狀而言，運行方式、系統(tǒng)配置、建筑類型以及水文地質(zhì)條件等均會對技術(shù)應用效果產(chǎn)生影響。為此，相關(guān)人員應當提升勘察設(shè)計、技術(shù)優(yōu)化和運行改進的質(zhì)量，確保水源熱泵技術(shù)的效能可以得到切實發(fā)揮，削弱技術(shù)應用期間產(chǎn)生的不利影響，切實實現(xiàn)建筑物和所在區(qū)域及周邊環(huán)境的和諧共處。