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水源熱泵地下水源熱泵（GroundWaterHeatPumps，GWHP）是地源熱泵（GroundSourceHeatPumps，GSHP）的一個分支。這項技術(shù)起始于1912年，瑞士Zoelly提出了"地熱源熱泵"的概念。1948年，第一臺地下水源熱泵系統(tǒng)在美國俄勒岡州波特蘭市的聯(lián)邦大廈投入了運行。在其后的幾十年中，地下水源熱泵得到了更為廣泛的應用。美國在過去的10年內(nèi)，地下水源熱泵的年增長率為12%，現(xiàn)在大約有500，000套（每套相當于12kW）地下水源熱泵在運行，每年大約有50，000套地下水源熱泵在安裝。我國地下水源熱泵從1997年開始學習和引進歐洲產(chǎn)品，出現(xiàn)了大規(guī)模的地下水源熱泵采暖工程項目。到1999年底，全國大約有100套地下水源熱泵供熱或制冷系統(tǒng)[1].
在我國，煤炭作為主要能源，長期以來在生產(chǎn)、消費中占據(jù)著絕對主導地位。盡管近年來煤炭所占比例略有下降，但仍保持在65%以上，并再次呈現(xiàn)出上升的跡象[2].只有減少煤炭的使用，大氣污染問題才有可能得到解決。我國城鄉(xiāng)建筑發(fā)展迅速，近幾年來每年建成的住宅面積，城鎮(zhèn)已至4～5億平方米，農(nóng)村則達7～8億平方米，其中供熱、空調(diào)的建筑面積高達6.5億平方米。與氣候條件接近的發(fā)達國家相比，我國居住建筑單位面積供暖能耗為他們的3倍左右[3].現(xiàn)在，這些高能耗建筑冬季供暖與夏季空調(diào)的使用正日益普遍，解決它們所造成的能源浪費和環(huán)境污染問題已成為緊迫的需要?，F(xiàn)在我國禁止在城鎮(zhèn)建設(shè)中小型燃煤鍋爐房。因此，除了集中供熱的型式以外急需發(fā)展其它的替代供熱方式。熱泵（包括地下水源熱泵）就是這樣一種可以有效節(jié)省能源、減少大氣污染和CO排放的供熱和空調(diào)新技術(shù)。
1、基本工作原理
地下水源熱泵系統(tǒng)的低位熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。熱泵機組冬季從生產(chǎn)井提供的地下水中吸熱，提高品位后，對建筑物供暖，把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱和加濕的地方，取熱后的地下水通過回灌井回到地下。夏季，則生產(chǎn)井與回灌井交換，而將室內(nèi)余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中，達到降溫或制冷的目的，另外還可以起到養(yǎng)井的作用。
如果是水質(zhì)良好的地下水，可以直接進入熱泵進行換熱，這樣的系統(tǒng)我們稱為開式環(huán)路。實際工程中更多采用閉式環(huán)路形式的熱泵循環(huán)水系統(tǒng)，即采用板式換熱器把地下水和通過熱泵的循環(huán)水分隔開，以防止地下水中的泥沙和腐蝕性雜質(zhì)對熱泵機組的影響[3].
由于較深的地層不會受到大氣溫度變化的干擾，故能常年保持恒定的溫度，遠高于冬季的室外空氣溫度，也低于夏季的室外空氣溫度，且具有較大的熱容量，因此地下水源熱泵系統(tǒng)的效率比空氣源熱泵高，COP值一般在3和4.5之間，并且不存在結(jié)霜等問題。此外，冬季通過熱泵吸收大地中的熱量提高空氣溫度后對建筑物供熱，同時使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過熱泵把建筑物的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣，在地下水源熱泵系統(tǒng)中大地起到了蓄能器的作用，進一步提高了空調(diào)系統(tǒng)全年的能源利用效率。
地下水源熱泵系統(tǒng)還可以產(chǎn)出生活熱水，其水路連接方式大致有四種。最簡單的方式有空調(diào)水系統(tǒng)與生活熱水水系統(tǒng)完全分開和相關(guān)聯(lián)且井水系統(tǒng)串級連接這兩種，但是前者冷凝溫差太小，后者也不能解決生活熱水用的水源熱泵機組停機時空調(diào)系統(tǒng)容量減小的問題。所以有了在后者基礎(chǔ)上增加電動三通閥的方式，這樣不僅減小了裝機容量、降低了初投資，而且機組的配置也更加合理，提高了系統(tǒng)總能效比。此外，目前還有一種生活熱水采用熱回收型水源熱泵機組的連接方式[4].后兩種方式充分利用了井水的能量，且通過回收空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱來制備生活熱水，使整個系統(tǒng)的能效比得到了提高，比較合理、節(jié)能。
國內(nèi)的地下水回灌基本上采用原先的人工回灌方式，主要分為壓力回灌和真空回灌兩種。壓力回灌適用于高水位和低滲透性的含水層，也適用于低水位和滲透性好的地下含水層；而真空回灌則僅適用于低水位和滲透性好的含水層?，F(xiàn)在國內(nèi)的大多數(shù)系統(tǒng)都采用的是真空回灌的地下水回灌方式。另外，國內(nèi)通常采用回揚和清洗的方式來維持地下水的回灌?；負P次數(shù)和回揚的時間視含水層的透水性大小而定，其次要考慮井的特征、水質(zhì)、回灌量和回灌技術(shù)方法。這些都是非常專業(yè)化的工作，大大增加了用戶的維護工作量，而且這種操作對井的損害也很大，會造成系統(tǒng)壽命的降低[5].
2、工程應用實例
1997年，中國科技部與美國能源部簽署了中美能源效率及可再生能源合作議定書，其中一項就是地源熱泵的發(fā)展戰(zhàn)略。1998年，中美兩國確定在我國北京（代表北部寒冷地帶）、寧波（代表中部夏熱冬冷地帶）、廣州（代表南部亞熱帶）合作建立三個地源熱泵的示范工程。北部示范工程是北京食品發(fā)酵研究所綜合辦公樓及專家樓，中部示范工程是寧波雅戈爾工業(yè)城，南部示范工程是廣州松田職業(yè)技術(shù)學院。在這三個示范工程項目中，兩個為地下水源熱泵系統(tǒng)，一個為復合式地下水源熱泵系統(tǒng)（HybridGWHP）[1、2].
除了這些之外，還有其它一些工程實例，其中比較有代表性的工程有：
清華同方人工環(huán)境有限公司承擔的山東東營市勝泰大廈的地下水源熱泵系統(tǒng)和空軍豐臺招待所、辦公樓的地下水源熱泵空調(diào)改造系統(tǒng)。其中，東營市勝泰大廈的建筑面積4，500m，制冷量271kW，冷凍供回水溫度7C/14C，輸入功率62kW；制熱量290kW，熱水供回水溫度50C/40C，輸入功率83kW.設(shè)計了2口水源水井，當其中一口為抽水井時，另一口水源井為回灌井。空軍豐臺招待所、辦公樓冷量1，400kW，熱量1500kW，采用3口供水井，井深50m，地下承壓水溫度為15C左右；回灌井2口，井深28m[2].
內(nèi)蒙古科技廳科力賓館的地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工程（國家試驗示范工程）。該工程總建筑面積約為10，000m，水源為兩口井，井深180m，直徑320mm，其中一口為供水井，一口為回灌井，兩口井可以交替使用。分別采用小流量、少回灌技術(shù)和極限水溫控制法解決了水量偏小和水溫偏低的問題。因該地區(qū)的淺層水逐年下降，且很不穩(wěn)定，故采用承壓水作為水源，并且通過建造沉砂調(diào)節(jié)池和實現(xiàn)定期回揚、消除氣阻砂阻等方法成功解決了承壓水回灌難的問題[6].
山東兗州某煤礦地面建筑的地下水源熱泵系統(tǒng)工程。地面建筑面積為20000m，該礦區(qū)有著可供利用的豐富礦井水資源，夏季水溫為25C，冬季水溫為19C.由于煤礦礦井水已被抽到地表，故省去了額外打井、水泵的費用，而且充分利用了既有資源，有著很好的經(jīng)濟性[7].
另外，為了實現(xiàn)"綠色奧運、人文奧運"的目標，北京市政府將地熱資源的開發(fā)利用列入了奧運公園的能源供應規(guī)劃之中。專家們預測，2008年北京奧運會之前北京奧運公園將鉆10眼地熱產(chǎn)水井和回灌井，預計井深3，000～4，000m，每口井日出水量在6500m以上，水溫均大于65C以上[2].
3、存在問題分析
最近幾年地下水源熱泵系統(tǒng)在我國得到了迅速的發(fā)展，雖然它是一種環(huán)保、節(jié)能、先進的空調(diào)方式，但對于利用地下水這種資源仍然存在一些需要注意的問題：
①地質(zhì)問題
地下水屬于一種地質(zhì)資源，大量采用地下水源熱泵，如無可靠的回灌，將會引發(fā)嚴重的后果。地下水大量開采引起的地面沉降、地裂縫、地面塌陷等地質(zhì)問題日漸顯著。例如地下水的過度抽取引起的地面沉降，在我國浙江、江蘇和整個華北平原，情況都仍然非常嚴重。地面沉降除了對地面的建筑設(shè)施產(chǎn)生破壞作用外，還會產(chǎn)生海水倒灌、河床升高等其他環(huán)境問題。對于地下水源熱泵系統(tǒng)，若嚴格按照政府的要求實行地下水100%回灌到原含水層的話，總體來說地下水的供補是平衡的，局部的地下水位的變化也遠小于沒有回灌的情況，所以一般不會因抽灌地下水而產(chǎn)生地面沉降。但現(xiàn)在在國內(nèi)的實際使用過程中，由于回灌的堵塞問題沒有根本解決，有可能出現(xiàn)地下水直接地表排放的情況。而一旦出現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境問題，往往是災難性和無法恢復彌補的。
②水質(zhì)問題
現(xiàn)在國內(nèi)地下水源熱泵的地下水回路都不是嚴格意義上的密封系統(tǒng)，回灌過程中的回揚、水回路中產(chǎn)生的負壓和沉砂池，都會使外界的空氣與地下水接觸，導致地下水氧化。地下水氧化會產(chǎn)生一系列的水文地質(zhì)問題，如地質(zhì)化學變化、地質(zhì)生物變化。另外，目前國內(nèi)的地下水回路材料基本不作嚴格的防腐處理，地下水經(jīng)過系統(tǒng)后，水質(zhì)也會受到一定影響。這些問題直接表現(xiàn)為管路系統(tǒng)中的管路、換熱器和濾水管的生物結(jié)垢和無機物沉淀，造成系統(tǒng)效率的降低和井的堵塞。更可怕的是，這些現(xiàn)象也會在含水層中發(fā)生，對地下水質(zhì)和含水層產(chǎn)生不利影響。更深層的問題是地下水經(jīng)過地下管路時溫度、壓力的變化是否會影響其熱力學平衡狀態(tài)，地下熱環(huán)境會對區(qū)域生態(tài)帶來怎樣的影響[4].水資源是當前最緊缺、最寶貴的資源，任何對水資源的浪費和污染都是絕對不可允許的。
4、個人分析思考對于地下水源熱泵，筆者在此提出幾點自己的看法，謹供參考。
4.1地下水源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點
①根據(jù)熱力學第二定律，采用熱泵的形式為建筑物供熱可大大降低一次能源的消耗，提高一次能源的利用率，因此地下水源熱泵系統(tǒng)具有高效節(jié)能的優(yōu)點。
②地下水源熱泵系統(tǒng)可實現(xiàn)對建筑物的供熱和制冷，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以代替原來的鍋爐加制冷機的兩套系統(tǒng)。系統(tǒng)緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節(jié)省建筑空間，也有利于建筑的美觀。
③地下水溫度較恒定的特征，使得地下水源熱泵系統(tǒng)運行更穩(wěn)定可靠，整個系統(tǒng)的維護費用也較鍋爐-制冷機系統(tǒng)大大減少，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。
4.2地下水源熱泵系統(tǒng)的缺點
①這種系統(tǒng)需要有豐富和穩(wěn)定的地下水資源作為先決條件。由于打井的成本并不與取水量的大小成正比，因此較大系統(tǒng)的投資效益比較高。地下水源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性還與地下水層的深度有很大關(guān)系。
②在冬季，我國北方地區(qū)土壤溫度較低，并且以熱負荷為主，如果采用地下水源熱泵供暖，則機組和換熱器的初投資比較高，連續(xù)運行的效率也較低。夏季運行時，機組容量過大，造成浪費。我國政府、建筑設(shè)計人員和公眾對這一技術(shù)缺乏了解。不僅因初投資高于其它系統(tǒng)而得不到認可和推廣，而且給運行管理帶來了很大的問題。運行管理是任何一個HVAC系統(tǒng)的重要組成部分，對于地下水源熱泵這種特殊設(shè)計更是關(guān)鍵因素。
③環(huán)境方面的問題一旦出現(xiàn)，基本上是無可挽回的，或挽回的成本將非常巨大。從某種程度上講，造成的危害不亞于大氣污染。
4.3對于地下水源熱泵應采取的態(tài)度
①地下水資源在某種程度上是國家的一種戰(zhàn)略物資，而且一些水文地質(zhì)界的專家對當前地下水源熱泵的發(fā)展也持保留意見，因此，對于在我國大面積推廣這種系統(tǒng)應采取慎重的態(tài)度。
②在決定采用地下水源熱泵系統(tǒng)之前，一定要做詳細的水文地質(zhì)調(diào)查，并先打勘測井，以獲取地下溫度、地下水溫度、水質(zhì)和出水量等數(shù)據(jù)，合理地配置整個系統(tǒng)。
③設(shè)計、施工和運行等各個環(huán)節(jié)都要有謹慎小心的態(tài)度，確保系統(tǒng)不會因負荷不當、水泵功耗過高、管理不善而降低了效率。
5、結(jié)束語隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，環(huán)境和能源問題越來越受到國際社會和我國政府的重視，這使得暖通空調(diào)設(shè)計人員不得不尋找更先進、節(jié)能、環(huán)保的空調(diào)采暖技術(shù)。地下水源熱泵作為一種可持續(xù)發(fā)展的綠色能源技術(shù)，有著高效節(jié)能的特點，受到了各國的廣泛關(guān)注，在我國的發(fā)展也是十分迅速，相信將來也一定能有其發(fā)展空間。
參考文獻
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