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地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用問題分析
地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種利用地球表面淺層水源（如地下水、河流或湖泊）和人工再生水源（工業(yè)廢水、中水、地?zé)嵛菜龋┘瓤晒嵊挚芍评涞母咝Ч?jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。水源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位熱能的轉(zhuǎn)移。將水體和地層蓄能作為冬、夏季的供暖熱源和空調(diào)冷源，即在冬季，把水體或地層中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量“取”出來，釋放到水體和地層中去。由于其環(huán)保、節(jié)能等特點(diǎn)，近五年來，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在北美（如美國、加拿大）及中、北歐（如瑞士、瑞典）等國家取得了較快的發(fā)展。同樣，中國的地源熱泵市場也日趨活躍，沈陽作為東北地區(qū)地?zé)峁┡?、制冷示范城市之一，其推廣應(yīng)用前景極其廣闊。
1 采用地源熱泵需考慮的問題
擬采用水源熱泵的項(xiàng)目區(qū)域，首先必須了解項(xiàng)目所在區(qū)域的水文地質(zhì)條件，包括水源的水溫、水量、水質(zhì)。采用地下水作為水源應(yīng)用時(shí)，選擇水源的原則為：水量充足、水溫適當(dāng)、水質(zhì)良好、供水穩(wěn)定等。尤其要特別注意水質(zhì)情況，包括含砂量與混濁度及水的化學(xué)性質(zhì)。含砂量與混濁度高，會(huì)造成機(jī)組和管閥磨損，回灌時(shí)會(huì)造成含水層堵塞。因此，地下水源含砂量應(yīng)小于20萬分之一，回灌水的混濁度應(yīng)小于20mg/L。對于井回灌式水源熱泵，除對回灌水質(zhì)有要求外，井的布局也是至關(guān)重要的，因?yàn)榫旱慕ㄔ炀哂胁豢蓜?dòng)性，其正常運(yùn)行對于水源熱泵系統(tǒng)的作用又非常重要，因此井群的設(shè)計(jì)布局應(yīng)當(dāng)慎之又慎。另外,還需考慮井的位置對于鄰近建筑物的影響。由于井的回灌能力受當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件、回灌工藝的限制，為達(dá)到等量回灌，回灌方式的選擇也是考慮的問題之一。是采用真空回灌、重力(自流)回灌、還是壓力回灌，也要針對不同區(qū)域水文地質(zhì)條件考慮進(jìn)行選擇。為保證回灌后不會(huì)引起區(qū)域性地下水污染，應(yīng)遵守如下原則：
(1) 地下水應(yīng)在封閉系統(tǒng)中輸送;系統(tǒng)中與地下水接觸的部件應(yīng)采用耐腐蝕材料制造；取水管路和回灌管路上應(yīng)裝有水表和采集水樣用的旋塞閥;定期對地下水進(jìn)行化驗(yàn)，并將化驗(yàn)結(jié)果報(bào)送有關(guān)部門備案;如發(fā)現(xiàn)地下水異常，特別是水中出現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)超標(biāo)或其它無關(guān)物質(zhì)時(shí),應(yīng)及時(shí)與有關(guān)部門聯(lián)系，并采取措施。
(2) 由于水源熱泵主要建在學(xué)校、生活區(qū)等場所,應(yīng)首先考慮污染問題,為防止地表污水通過抽水井和回灌井污染地下水，并考慮項(xiàng)目區(qū)美觀,機(jī)井設(shè)計(jì)應(yīng)采用沉井形式。
(3) 由于水源熱泵采用的抽水井和回灌井需互換使用，并且為延長井的使用壽命，井管應(yīng)采用鋼管(壽命為25y,與地溫空調(diào)系統(tǒng)一致)，濾水管采用橋式濾水管，濾水管長度要求不小于含水層厚度。
(4) 為保護(hù)建筑物、電線、電纜,井位布置還應(yīng)注意以下問題:井孔中心距電話線至少10m，距地埋電力線路及松散層舊井孔邊線的距離至少5m，距地下通信電纜、構(gòu)筑物、通道及其它地下設(shè)施邊線水平距離至少2m，距高壓線的距離一般為塔高的2倍。
另外，為了施工和維修方便,建議井中心線距地面建筑物水平距離不小于5m,距離大或重要建筑物不小于20m。
2 沈陽地區(qū)地源熱泵應(yīng)用的優(yōu)越條件
2.1 沈陽市地源熱泵應(yīng)用的水文地質(zhì)條件分析
場地水文地質(zhì)條件是進(jìn)行地下水源熱泵設(shè)計(jì)的依據(jù)。因此，地下水源熱泵工程的勘察對象主要在取水目的含水層及其周圍地層，勘察內(nèi)容不僅包括水文地質(zhì)工程地質(zhì)性質(zhì)，還包括熱物理性質(zhì)。通過場地工程勘察和區(qū)域水文地質(zhì)資料，可以確定地下水源熱泵的水文地質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)。
首先需要確定的是目的含水層的位置和類型。地下水源熱泵的取水位置優(yōu)先。
選擇的是滲透性大、厚度大、地下水溫度和水頭穩(wěn)定而埋藏又不是很深的承壓含水層。含水層的選擇主要受區(qū)域水文地質(zhì)條件限制，在地下水源地保護(hù)區(qū)，還必須遵守相關(guān)保護(hù)規(guī)定。
沈城具有推廣地源熱泵的先天條件。一是目前沈陽地下水位不斷上升。另外，全市區(qū)經(jīng)多處測試，沈陽市區(qū)地下水水溫為9℃至15℃，絕大多數(shù)為12℃至14℃，且不受季節(jié)變化影響，符合地源熱能的穩(wěn)定性要求。特別是渾河北岸屬于極其適宜開發(fā)地下水源熱泵的地區(qū)，開發(fā)成本低，可以說沈陽的自然地理及水文地質(zhì)條件適合地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用。
推廣地源熱泵技術(shù)進(jìn)行供暖和制冷，是建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的切入點(diǎn)和突破口。因此，沈陽推廣這項(xiàng)技術(shù)的條件得天獨(dú)厚。政府加大力度，推廣地源熱泵工作，使沈陽在建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的工作中在全國率先突破。
2.2 沈陽市地源熱泵應(yīng)用的政府政策支持
經(jīng)過近十多年來的發(fā)展，沈陽地源熱泵供暖面積已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電供熱、油爐供熱和燃?xì)夤崦娣e，僅次于鍋爐房供熱和熱電聯(lián)產(chǎn)供熱。目前，全市全面推廣地源熱泵技術(shù)已被列入沈陽市節(jié)能降耗工作重點(diǎn)。全市富水和次富水地區(qū)的新建建筑，只要符合條件，原則上都要推廣該項(xiàng)技術(shù)。原有的公共建筑也要逐漸實(shí)施地源熱泵技術(shù)改造，已建住宅則逐步改造，逐漸推廣。2007年，沈陽要在全市范圍內(nèi)廣泛實(shí)施地源熱泵技術(shù)，應(yīng)用面積要達(dá)到1500萬m2。截至2008年底，沈陽城市地源熱泵供熱總面積將達(dá)到3440萬平方米。
在該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用方面，沈陽市政府將在政策上給予扶持，并制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)準(zhǔn)入制度，對施工企業(yè)的資質(zhì)、技術(shù)等進(jìn)行嚴(yán)格管理。
凡符合沈陽市城市供熱規(guī)劃和地源熱泵技術(shù)推廣應(yīng)用規(guī)劃要求，并具備應(yīng)用地源熱泵技術(shù)條件的新建、改建、擴(kuò)建建設(shè)項(xiàng)目，及耗能大的單位，應(yīng)當(dāng)采用地源熱泵系統(tǒng)。對采用地源熱泵系統(tǒng)的項(xiàng)目，系統(tǒng)用電按優(yōu)惠電價(jià)收取，并免收水資源費(fèi)。采用地源熱泵系統(tǒng)供熱的區(qū)域，享受市政府給予應(yīng)用燃煤供熱區(qū)域的全部優(yōu)惠政策。
另外，沈陽市水資源管理規(guī)定，使用地源熱泵系統(tǒng)的單位必須確保所抽取的地下水全部回灌，回灌水應(yīng)當(dāng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。抽水井和回灌井必須分別安裝計(jì)量水表并實(shí)現(xiàn)水量實(shí)時(shí)監(jiān)測，不安水表的單位將被處以5000元以上2萬元以下罰款。
3 水源熱泵應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益分析
3.1 地源熱泵的投資與收益計(jì)劃
據(jù)測算，使用地源熱泵空調(diào)技術(shù)，一個(gè)取暖季內(nèi)，平均每平方米需15元，夏季制冷需5元；而采用一套地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)供冷和供暖，一次性投資大約為200～240元/㎡。因此地源熱泵在市場投資方面具有以下特點(diǎn)：
① 初投資比較低。初投資中包括了從冷熱源到管網(wǎng)到室內(nèi)終端的所有投資項(xiàng)。雖然地源熱泵的初投資高于傳統(tǒng)的鍋爐供暖，但由于地源熱泵既可供暖又可供冷，一次投資全年使用，節(jié)省了冬季供暖的投資，因此地源熱泵的初投資要低于鍋爐加空調(diào)系統(tǒng)的總投資。
?、?供暖成本比較低。以地源熱泵為基準(zhǔn)比較各種供暖方案的供暖成本，煤鍋爐比地源熱泵低30%左右，而天然氣鍋爐要高40%左右，油鍋爐要高70%左右。
③ 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行成本比較低，大約低于單冷空調(diào)的30%左右。
3.2 地源熱泵采暖、空調(diào)聯(lián)供方案投資偏低的主要原因
?、?該系統(tǒng)不需要設(shè)專用機(jī)房。中央空調(diào)的機(jī)房面積(包括空調(diào)裝置、電氣及其它)約為空調(diào)建筑面積的5～8%，其中空調(diào)裝置約占4～5%，以10層建筑物為例，其中機(jī)房約占一層。地源熱泵將空調(diào)裝置分散設(shè)在每戶，不僅減少了機(jī)房的建設(shè)費(fèi)用，且增加了辦公面積，營業(yè)面積的作用也就更大。
?、?封閉水管不要保溫，對豎井沒有特殊要求。
?、?地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)不占有房間的有效面積。而中央空調(diào)系統(tǒng)的戶內(nèi)裝置風(fēng)機(jī)盤管有時(shí)放置在窗戶下，對住宅的影響較大。
?、?水源熱泵采暖運(yùn)行時(shí)，約占總供熱量3/4的吸收熱來自井水，江、河的低溫?zé)峄蚬I(yè)余熱；空調(diào)運(yùn)行時(shí)，約占總制冷量1.2倍的總散熱量由低溫?zé)峄蚬I(yè)余熱分?jǐn)偂Ｒ虼?，該系統(tǒng)較多地降低了采暖、空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)。
?、?水源熱泵機(jī)組直接設(shè)置在用戶房間內(nèi)，減少了輸配損失。
⑥ 水源熱泵機(jī)組能效系數(shù)較高，且性能系數(shù)的穩(wěn)定性也較好。
?、?水源熱泵系統(tǒng)具有熱回收性能。當(dāng)同一建筑中有的房間需供熱，有的房間需空調(diào)時(shí)，無需冷卻及輔助加熱。
4 沈陽市地源熱泵應(yīng)用中存在的問題
(1) 地下水熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與地下水層的深度有很大的關(guān)系。如果地下水位較低，不僅成井的費(fèi)用增加，運(yùn)行中水泵的耗電將大大降低系統(tǒng)的效率。因此在決定采用地下水熱泵系統(tǒng)之前，一定要做詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查，并先打勘測井，以獲取地下溫度、地下水深度、水質(zhì)和出水量等資料。
(2) 防止地下水的化學(xué)污染和熱污染。注入水的水質(zhì)應(yīng)盡量保持與原地下水一致。存在化學(xué)缺陷的含水層不宜作為地下水源熱泵的目的層，如可溶氣體含量高、具有咸淡水或氧化還原帶接口、含鐵量過高、具有污染羽等等。如果水中含有對溫度敏感的化學(xué)物質(zhì)，可能形成熱污染。回灌井引起地下水過冷或過熱（如熱突破）也是熱污染，特別在含水層厚度小、埋藏淺、抽灌井相隔很近時(shí)，熱污染的風(fēng)險(xiǎn)較大。
(3) 避免干擾臨近地區(qū)同類空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行。新建的地下水源熱泵很可能影響到領(lǐng)近已有的同類型地源熱泵，導(dǎo)致地下水成為不穩(wěn)定的熱源，這種現(xiàn)象在荷蘭已經(jīng)比較明顯。地下水源熱泵的抽灌井一般處于建筑物的邊緣，因此容易發(fā)生近交叉干擾現(xiàn)象。對建筑物密集的城市地區(qū)，如果地下水源熱泵或其它形式的地源熱泵分布較多，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮它們之間的相互影響。
(4) 防止地面沉降。通常，獨(dú)立的地下水源熱泵不會(huì)誘發(fā)顯著的地面沉降。但當(dāng)含水層的頂部或底部存在厚度較大的高壓縮性粘性土?xí)r，地面沉降的風(fēng)險(xiǎn)較大。特別當(dāng)回灌率不足時(shí)，可能造成長期而難以察覺的地面沉降趨勢，值得關(guān)注。地下水源熱泵密集分布地區(qū)形成的聯(lián)合漏斗也會(huì)增加地面沉降的風(fēng)險(xiǎn)。
(5) 目前關(guān)于地源熱泵的應(yīng)用方面，缺乏必要的地下監(jiān)測工作。國內(nèi)建設(shè)的大部分地?zé)岜霉こ潭紱]有建立地下水（巖土）的監(jiān)測系統(tǒng)（井），地?zé)岜霉こ淘谶\(yùn)行工程中對地質(zhì)環(huán)境的影響一無所知。
(6) 在地源熱泵的應(yīng)用方面，要防止地下水的化學(xué)污染和熱污染。注入水的水質(zhì)應(yīng)盡量保持與原地下水一致。存在化學(xué)缺陷的含水層不宜作為地下水源熱泵的目的層，如可溶氣體含量高、具有咸淡水或氧化還原帶界面、含鐵量過高、具有污染羽等等。如果水中含有對溫度敏感的化學(xué)物質(zhì)，可能形成熱污染?；毓嗑鸬叵滤^冷或過熱（如熱突破）也是熱污染，特別在含水層厚度小、埋藏淺、抽灌井相隔很近時(shí)，熱污染的風(fēng)險(xiǎn)較大。
水資源是當(dāng)前最緊缺、最寶貴的資源，任何對水資源的浪費(fèi)或污染都是絕對不可允許的。國外由于對環(huán)保和使用地下水的規(guī)定和立法越來越嚴(yán)格，地下水熱泵的應(yīng)用已逐漸減少。
5 地源熱泵應(yīng)用中存在問題的解決辦法
?。?）目前沈陽市地源熱泵抽取的地下水在地下經(jīng)過封閉的換熱器換取熱量后，即刻、就地、原位回灌。因此不消耗水，不污染水，也不會(huì)破壞地下水的正常分布，最大限度降低了對地下水資源的依賴程度，從根本上避免了多井抽灌造成的問題。在電加熱機(jī)組運(yùn)行過程中，無燃燒，無任何固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)污染物排放，徹底解決了燃煤、燃?xì)?、燃油產(chǎn)生的污染問題，對改善大氣質(zhì)量的作用是直接而顯著的。
（2）對于抽取地下水回灌問題，為預(yù)防和處理管井堵塞主要采用回?fù)P的方法，所謂回?fù)P即在回灌井中開泵抽排水中堵塞物。對沈陽的含水層進(jìn)行管井回灌，回?fù)P時(shí)間約一周1～2次。在回灌過程中，掌握適當(dāng)回?fù)P次數(shù)和時(shí)間，才能獲得好的回灌效果，如果怕回?fù)P多占時(shí)間，少回?fù)P甚至不回?fù)P，結(jié)果導(dǎo)致管井和含水層受堵，反而得不償失。回?fù)P持續(xù)時(shí)間以渾水出完，見到清水為止。
?。?）為了保證井孔抽、回水量，沈陽目前水源熱泵的井孔鉆探必須采用反循環(huán)清水鉆進(jìn)，防止泥漿堵塞井壁，影響井的出水量；洗井時(shí)可利用活塞、空壓機(jī)、水泵三聯(lián)合洗井法，洗井效果達(dá)到砂清水凈，含砂量小于1/200000；如果回灌井長時(shí)間使用，將回灌井堵死后，可以采用活塞提拉強(qiáng)力洗井，打開被堵塞的回水通路，確?；毓嘈Ч?/span>
?。?）根據(jù)水源熱泵規(guī)范建議，水源熱泵機(jī)組采用地下水為水源時(shí)，應(yīng)采用閉式系統(tǒng)；對地下水應(yīng)采取可靠的回灌措施，回灌水不得對地下水資源造成污染。