地源热泵空调系统及其在武汉地区的应用

1、地源热泵空调系统及其在武汉地区的应用摘要：地源热泵是一项新兴的节能环保、可再生能源利 用技术，本文回顾了地源热泵空调系统在国内外的发展和应 用情况，介绍了地源热泵空调系统在湖北武汉地区的工程应 用实例，并就地源热泵空调系统设计和实际工程应用中应注 意的问题进行了阐述和探讨。关键词：地源热泵节能工程应用1地源热泵应用概况地源热泵是一个广义的术语，它包括了使用土壤、地下 水和地表水作为热源和热汇的系统，即地下耦合热泵系统， 也叫地下热交换器地源热泵系统；地下水热泵系统 groundwaterheatpu mps,gwhps);地表水热泵系统。国外发展情况地源热泵系统由于采用的是可再生的地热能，因此

2、被称 之为：一项以节能和环保为特征的21世纪的技术。这项起 始于1912年的技术，美国从1946年开始对gshp系统进行 了十二个主要项目的研究，如地下盘管的结构形式、结构参 数、管材对热泵性能的影响等。并在俄勒冈州的波特兰市中 心区安装了美国第一台地源热泵系统。特别是近十年来地源热泵在欧美工业发迗国家取得了 迅速的发展，已成为一项成熟的应用技术。到2000年底， 美国有超过40万台地源热泵系统在家庭、学校和商业建筑中使用，每年约提供8(k)0110 00gwh的终端能量。地源热源在工程上的应用主要为地下耦合热泵系统和地下水热泵系统、地表水热泵系统。国内发展应用情况 能源消费现状到204 0年

3、，我国一次能源的总消费量将迗亿吨标准煤， 是现在能源消费量的3倍。而到本世纪末，国内每年最多可 供应的一次能源生产量为32亿吨标准煤。因此，我国今后 较长期的能源消费年均增长率应控制在左右，直到2040年 能源消费实现零增长目标。我国已探明的能源总体储量，煤炭储量约占世界储量的 11%,原油占，天然气仅占，我国人口约占世界人口的20%, 人均能源占有量不到世界平均水平的一半。我国是煤炭大国 但世界七大煤炭大国中其余六国的的储量比都在200年以上 只有我国的储量不足百年。石油的储量比为四十年，并且中 国石油、天然气的平均丰度值也仅为世界平均水平的57%和45% 对如此严峻的能源形势，国家总的能源

4、政策还是节能和新能源开发、再生能源利用并重，因此，地源热泵技术的 推广应用在我国具有极大的现实意义和广阔的发展前景。地源热泵应用情况地源热泵空调系统的设计，主要包括两大部分：一是建筑物内的水环路空调系统的设计；二是地源热泵空调系统的 地下部分的设计，即地下耦合热泵系统的地下热交换器、地 表水热泵系统的地表水热交换器、地下水热泵系统的水井系 统的设计。地下耦合热栗系统最早应用在89年10月投入运行的上 海闵行开发区办公楼，其技术和设备均由美国提供，使用情 况良好。135个深35米的垂直竖管井，埋管为聚丁烯管。国 内的大专院校均进行了相关的垂直或水平埋地管的试验研 究和小型的工程应用，并建立了地埋

5、管的传热模型。各地的 地质条件不同，土壤的温度和热物性参数都不一样，因此， 地下耦合热栗的应用还有待进一步的实验验证和实验数据 的积累。地表水热泵系统：地表水温度受气候的影响较大，与空 气源热栗类似，武汉东湖等浅水性湖泊夏季水温高于湿球温 度，无利用价值，冬季水温略高于气温，可用作热源水。实 测数据表明宁波奉化江水7m深°(2，珠江底层°(2，江水热污 染很厉害，利用价值不大。可利用长江水作为地表水热泵系 统的热源，但冬季江水水位很低，从取水的经济性及防洪角 度考虑，实际利用还是极难的。地下水热泵系统：综合上述情况可以看到，目前在我国 来说，技术上比较成熟、利用可行性较大、

6、实施的工程项目 较多的还是地下水热泵系统。目前国内生产水源热泵机组的 厂家也已迗到二、三十家。因为国内还没有颁布水源热栗机 组的生产技术标准，国内厂家生产的产品质量差别较大，从 有些厂家的产品样本来看，技术参数不完整、不准确。因为 很多生产厂家没有实测手段，采用水源热泵机组所需要的很 多数据不能提供，甚至不排除某些技术力量差的厂家根本就 没有弄清楚水源热栗机组和常规冷水机组的技术差异，直接 就拿常规冷水机组来作为水源热泵机组推销到市场。目前就 笔者所接触到的厂家来看，只有一家国外公司能够提供专用 电脑软件选型数据，可以根据设计工况选择合理和可信的机 组配置和各种性能数据。2地源热泵在武汉地区的

7、应用地下水源热泵工程实例地下水源热泵在湖北工程应用最早的一家是位于荆州 沙市的法雷奥汽车空调有限公司，采用的是西亚特lwp1800 螺杆水一水热泵机组2台，lgp350 台，总制冷量是1200 kw, 供应一个车间和办公部分，因取水量的限制取水井为一口 50m3/h的井，制冷时另加一台冷却塔进行补充。制热时因车 间本身设备散热量较大，一口井取水完全能够满足供暖需要 夏季井水°(2，冬季°c。2000年9月开始运行。位于汉口循礼门的天与地音乐城，建筑面积5000m2,采 用的是意大利克莱门特活塞式水源热泵机组wrhh1202两台， 总制冷量是720kw,总制热量是750kw。

8、打两口井，一抽一灌，回灌在90%左右，井深47m，冬季出水°(3，取水量60m3/h。 冬季运行机组升温很快，2小时不到机组供水温度即可达到 45°c以上。2002年6月开始运行。武汉凌云科技集团综合厂房，总建筑面积lw00m2,其中 4000m2办公，7000m2生产厂房。选用法国西亚特螺杆式水 源热泵机组lwp250 0二台，总制冷量1440kw，制热量1900kw， 打井4 口，每台机组2 口，一抽一灌。2002年10月开始运 行。汉口香港路香榭里花园4万米2,总制冷量32kw，总 制热量2500 kw。设计选用克莱门特螺杆水源热泵机组 be/srhh2702三台，制

9、冷时冷冻水7/12'c，地下水18/32°c； 制热时供暖水40/50°c，地下水18/8°c。打井由武汉地质工 程勘察院承担，每口井取水量80m3/h，先打试验井，一抽一 灌，取得实验数据，进行详细周密的计算和水文地质分析。 设计三口取水井，五口回灌井，每口井回灌60%，分析计算 认为三口井同时抽水，五口井同时回灌时，场地南侧地水水 位有不到lm的下降，其它部位下降均小于0.5m;南侧的地 面沉降有lcm，其它部位地面沉降小于；大部分场地的不均 匀沉降小于。，不致于对地质构成不良性的影响和影响建筑 物的正常使用。2002年11月开始运行。汉口东西湖武汉航

10、达公司厂房综合楼，建筑面积18000 米2，采用克莱门特螺杆水源热泵机组be/s rhh2702两台，设计六口取水井，六口回灌井，每口井取水量20m3/h。xx 年9月开始运行。汉口百步亭花园小区综合楼，建筑面积21000米2,采 用西亚特螺杆式水冷冷水机组lwp 28一台，螺杆式水源热 栗机组lw p1400两台，涡旋式水源热泵机组l gp100 一台， 冰球配置105m3。本工程是由冰蓄冷系统和水源热栗系统合 而为一的独特的空调系统，具有削峰填谷和节能环保的双重 意义。n年11月开始运行。湖北大学图书馆，建筑面积4 20米2,采用克莱门特 螺杆水源热泵机组be/srhh3602三台，总制冷

11、量3850kw，总 供热量3100 kwo设计三口取水井，六口回灌井，每口井取 水量120m3/h。根据场地条件尽量拉大取水井的间距，在部分 负荷状态下，尽可能用足地下水温差，减少用水量。xx年11 月开始运行。汉口福星惠誉办公综合楼，建筑面积10000米2。采用 西亚特公司螺杆式水源热泵机组lwp1800两台。总制冷量 1090 kw，总供热量850kw。设计两口取水井，四口回灌井， 每口井取水量80m 3/h。xx年11月开始运行。湖北警官学院图书馆i体育馆，建筑面积2米2。采用克莱门特螺杆水源热泵机组be/srhh2702两台，总制冷 量2300kw，总供热量1600kw。设计两口取水井

12、，四口回灌井， 每口井取水量80m3/h。湖北警官学院学生食堂，建筑面积12000米2。采用克 莱门特螺杆水源热泵机组be/s rhh2702两台，总制冷量2300 kw,总供热量1600kw。设计两口取水井，四口回灌井，每口 井取水量80 m3/h。xx年7月开始运行。地下耦合热泵工程实例省公安厅驾校办公大楼，建筑面积5000米2,采用克莱 门特螺杆地源热栗机组wrhh0802两台，总制冷量520kw,总 供热量37 okwo利用室外场地进行垂直埋管，共打孔220个， 间距4x4m，孔内共埋设u型pe换热管w000米，孔深3 0米。 2002年11月开始运行。清江花园小区共有两栋小高层住宅，

13、总建筑面积38000 米2,采用克莱门特螺杆地源热泵机组wrhh0802两台，总制 冷量1560kw,总供热量10kw。利用小区中心花园下地下车 库底部进行垂直埋管，共打孔220个，间距，孔内共埋设u型 pe换热管28000米，孔深在65-70米之间，中间以回填材料填 实。n年6月开始运行。3地源热泵设计中应重视的几个问题水源和取水许可使用水源热栗的前提是必须有可供采取的充足的地下 水源，汉口情况较好，地下水呈面状分布，径流缓慢，补给 充足；武昌、汉阳就要根据具体情况掌握，地下水分布图可 找权威的水文技术行政部门了解咨询。有了水源以后，必须向水行政主管部门申报，申报时必 须有权威部门的地下水开

14、采和回灌设计报告，得到批复后还 必须缴交水资源使用费。申报时还必须附上第三方确认，特别是取水井邻近城市重大基础设施和重点工程时取水和回灌从上面香榭里花园的水文地质分析和计算结果可以看 出，只取水不进行有效回灌或回灌不慎造成地下水污染的都 是极不负责任的行为，都会造成这项利国利民的好事以人人 谈之色变的恶名而夭折。并且这种不负责任的行为造成的损 失是无法挽回的，天津唐沽地下水过量开采，导致海水渗透 进去，对生态造成严重破坏；西安由于地下水过量开采，导 致大雁塔倾斜近1m，并且形成十三条纵、横向裂缝，长达 50公里，钟楼下陷135mm。华北地区形成4万平方公里的华 北大漏斗。武汉地区的地下水开采和

15、回灌都是极为有利的，46米左 右，不回灌没有理由。水源热泵机组能效比问题现在有很多厂家出于商业竞争的需要，极力夸大水源热 泵节能、省钱效果，盲目提高所谓机组的能效比，实际上热 栗机组活塞机c0p在左右，螺杆机在左右，水源热泵机最 多在此基础上提高10%，充其量到5。而且单纯宣扬机组的 cop值有多高也没有任何的实际意义，应该是谈整个水源热 栗系统的能效比，美国制冷学会评定“地下水源热泵”采用 的就是水源热泵系统的能效比，制冷工况时，地下水源热泵 系统的能效比=冷负荷/井泵功率+环路功率+水源热泵功率; 制热工况时，地下水源热泵系统的性能系数=热负荷/井泵功 率+环路功率+水源热泵功率。在设计水

16、源热泵系统时，应尽 量加大地下水的利用温差，减少地下水的使用量，在较小的 地下水用量和最佳的水源热泵机组工况的优化组合下才能 达到最高的水源热泵系统的使用能效比。地表水水源热泵机组的换热问题 热泵与地表水的换热可采用开式循环或闭路循环两种 不同的形式。开式循环是用水泵抽取地表水在热栗的换热器 中换热后再排入水体。但在水质较差时换热器中易产生污垢 降低换热效果，严重时甚至影响系统的正常运行。因而地表 水热泵系统一般采用闭路循环，即把多组塑料盘管沉入水体 中，热泵的循环液通过盘管与水体换热，可以避免因水质不 良引起的污垢和腐蚀问题。由于地表水温度受气候的影响较 大，与空气源热泵类似，当环境温度越低

17、时热泵的供热量越 小，而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承 担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因数有关，需要 根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境 有无影响目前还未见到明确结论，必要时应预先加以考虑。 深水湖在夏季会产生温度的分层，湖底保持较低的温度；冬 季湖面结冰后会限制湖水温度的下降。从目前的实际工程情 况来看，自然形成的浅水性湖泊受外界气候或热污染影响较 大，人工深水湖(水库)是可以提供给热泵使用的较好的地表 水体资源。地下耦合热泵机组的换热问题地下耦合热栗系统换热器为一个由地下埋管组成的地 热换热器(geothermalheatexc hanger,或

18、groundheat exchanger)。地热换热器主要有水平埋管和竖直埋管两种设 置形式。水平埋管形式是在地面开广2米深的沟，每个沟中 埋设2、4或6根塑料管。竖直埋管的形式是在地层中钻直 径为m的钻孔或利用管桩，在钻孔或管桩中设置1组或2组 u型管并用灌井材料填实。钻孔的深度通常为4(t200m。现 场可用的地表面积是选择地热换热器形式的决定性因素，因 此一般采用节省土地面积的竖直埋管地热换热器。地热换热 器所需埋管的总长度需要根据埋管的形式、地下岩土的热物 性、地下的温度和冷热负荷的情况作详细的计算才能确定。 设置地热换热器的主要费用是钻孔的费用，正确设计地热换 热器埋管的长度对于保证系统的性能和经济性十分重要。在 有条件时可以结合建筑桩基形式利用桩孔进行埋管设置，可 省去大量的钻孔费用，施工也极为方便快捷。4结束语地源热泵空调系统在我国是一项新的技术，它是一项跨专业、跨学科的综合能源利用技术，需要通过相关专业技术 人员的通力协作，做好勘测、设计、施工、调试等各项工作 才能使系统达到要求的节能、环保性能。近几年在全国各地 已经有大量工程投入使用，应该积极对实际运行经验进行总 结，以其使地源热泵这项利国利民的可再生能源利用技术得 到健康有序的发展。参考文献1. 殷平.地源热泵在中国c.见：现代空调(3).北京：中国建筑工业出版社，20 01： 1-82