第七章水源热泵

1、第 七 章 水 源 热 泵 一引 言n 水源热泵技术作为一种有益于环境保护和可持续发展的冷热源形式，已经引起了国内建设机构设计单位、房地产商和生产厂商以及公众的广泛兴趣，"水源热泵"作为一个新兴的名词，越来越广泛的被人们谈及。这一技术自从上世纪90年代开始已经广泛应用于国内的空调工程领域，目前已经成为华北和中原地区空调系统的一大热点，而且其应用地区，已经从北京、天津、山东、河南、河北，迅速扩大到湖北、湖南、内蒙和东北等地。各式各样的水源热泵产品n 最近几年国内空调设备生产厂家纷纷推出了各式各样的水源热泵产品，冠之以诸如“地能中央空调系统”、“水源中央空调系统”、“地温中央空

2、调系统、"中央液态冷热源"等等的名称，这不但没有令人明白"水源热泵"的内涵，反而在一定程度上起到了混淆视听的作用。因此，非常有必要从学术界的定义出发，阐述"水源热泵"这一名词的学术渊源并给出科学的定义和分类。此外，由于水源热泵工程的设计与施工是一项系统性工作，因此需要从空间和时间的角度来分析这一工程的特点，并就其水源和机组部分目前急需解决的问题作了相应的描述。按照这一思路，本文进行了全面细致的阐述。实例n 最后，给出了北京地区某高层住宅公寓利用深井回灌分户水源热泵系统的工程实例，该住宅楼为一高层住宅建筑，亦具有普通的商用建筑的空调采暖

3、的特点，对于水源热泵的推广极具参考价值。 二水源热泵概念原理和归类n 水源热泵是一种利用地球表面或浅层水源（如地下水、河流和湖泊），或者是人工再生水源（工业废水、地热尾水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。水源热泵技术利用热泵机组实现低温位热能向高温位转移，将水体和地层蓄能分别在冬、夏季作为供暖的热源和空调的冷源，即在冬季，把水体和地层中的热量"取"出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到水体和地层中去。从学术角度来说水源热泵系统 ，n 从学术角度来说，当利用的对象都是水体和地层（含水地层）蓄能，而且都是以水作为热泵机组的冷热源供给载体时，都可

4、以将之归类为水源热泵系统。分类n 根据 ASHRAE Handbook: HVAC Applications.（1995）的分类，将地热能资源按温度范围不同分为三类，其中地源热泵应用类包括了水源热泵的两种方式：地下水源和地表水源热泵。（一）地温能与地源热泵的工作原理n 地源热泵技术在1995年被ASHRAE归纳为地热资源3种利用方式之一.即(1) 高于一150 °C 高温地热发电.(2) 小于150 °C 的中低温地热直接利用.(3) 通常小于32 °C 的地源热泵技术应用.1、地温能n 地球表面温度通常保持在15°C左右.这是因为地球接受到的2.6&#

5、215;1024J太阳能中,大约有50%被地球吸收.其中一半能量以长波形式辐射出去,余下的作为水循环,空气循环,植物生长动力,而如今全球人口消耗总能量仅为2.827 ×1020J,可见太阳能及地表储存能量多丰富.n 地球主要由地壳,地幔和地核组成.按照温度的变化特性,地球表面的地壳层可分为可变温度带,恒温带和增温带3个带.可变温度带受太阳辐射影响,温度有昼夜.年份.世纪甚至更长的周期变化.恒温带温度变化幅度几乎为零,深度一般为2030m;增温带在常温带以下,问答随深度增加而升高,其热量主要来源是地球内部的热能.n 根据目前国内外实际情况,把地下400m范围内土壤层中或地下水中蓄存的相

6、对稳定的低温位热能定义为地温能(也有称大地能或地表热能).2、地源热泵工作原理n 地源热泵供热空调系统主要分3部分:室外地温能地下换热系统,水环管路与水源热泵机组和室内采暖空调末端.如图1.n 室外换热系统包括埋地换热器,地下水换热器,地表水换热器等,室内末端输配系统,包括加压包括送风系统或地板盘管,风机盘管等.图7-1 地源热泵空调系统示意图n 地源热泵系统与空气源热泵系统不同,它利用地表牵层中蓄存的能量,室外空气温度拨动很大,但地表面几米以下的地温全年相对恒定.如图7-2所示.图7-2 地下土壤层随着时间的温度变化n 在冬季,地源热泵系统通过埋在地下或沉浸在池塘、湖泊中的封闭管路，或者直接

7、利用地下水，从大地中收集自然界中的热量，由装在室内机房或室内各房间区域中的水源热泵装置通过电驱动的压缩机和热交换器把大地的能量集中，并以较高的温度释放到室内。图7-3 地源热泵在冬季供热模式n 在夏季，与上述过程相反，地源热泵系统将室内的多余热量不断地排出而为大地所吸收，使建筑物室内保持适当的温湿度。其过程类似于电冰箱，不断、地从冰箱内部抽出热量并将它排出箱外，使箱内保持低温。图7-4地源热泵在夏季供冷模式n 从图7-3,7-4可看出，不管是冬季工况还是夏季工况，都可以产生生活热水，满足用户常年的需要。（二）地源热泵系统的分类n 对热泵装置本身来说，有多种分类方法。如：n （1）按热源分，有空

8、气源、地下水源、土壤源、太阳能及排放余热等。n （2）按压缩机种类分，有活塞示、螺杆式、涡旋式、离心式。n （3）按热泵功能分：有单纯供热、交替制冷供热、同时制冷供热。n （4）按驱动方式分：电力压缩式、热力吸收式。n （5）按供热温度分；有低温（<100°C)高温(>100) °Cn 此外,按热源和冷热媒介质的组合方式热泵还可分为多种类型，如空气空气式热泵，空气水式热泵，水水式热泵，水空气式热泵。n 对于地源热泵,实际上强调的是利用地温能或地表浅层热能的热泵空调系统,是广义的术语.热泵装置作为该系统的核心部件,上述分类有些也可应用于地源热泵的分类,如按冷热媒介

9、质不同可分为水水式、水空气式等。目前，地源热泵系统中应用较多的是以水作为热源介质的热泵装置，俗称水源热泵。n 鉴于地下热源系统在地源热泵空调系统中的关键作用，以下重点根据其型式的不同对地源热泵系统进行分类。根据地下换热系统的不同，可以分成闭环系统、开环系统与直接膨胀系统3种类型。对于一个地区地下换热方式的选择，主要取决于水文地质结构、有效的土地面积和生命周期费用。n 1 闭环系统n 闭环系统指的是通过水或防冻液在预埋地下的塑料管中进行循环流动来传递热量的地下换热系统。闭环系统的具体形式有垂直环路、水平环路、；螺旋管环路与池塘环路，还有一种与建筑地桩相结合的桩埋管换热器。(1)垂直环路 n 由高

10、密度聚氯乙烯管组成,这些管环放在直径100150mm的垂直管孔中,井内埋设U形管或同心套管.具体长度取决于土壤热特性.所有垂直管孔要用膨润土(粘土)罐浆.有并联式系统和串联式系统.并联式系统所用管径较小,所需水泵扬程较低,可用较小水泵,运行费较少,被大多用户选择.垂直环路系统更多用于土地面积有限、水位较深地方。(2)_水平环路 n 将横管放在深度约为1.23.om(3)螺旋管环路。一种型式是多管水平环路的一个改进，通常称为”slinky”;另一种型式是在窄小的垂直管沟中沿高度方向布置螺旋盘管，通常适用于冷量较小的系统。如果工程设计恰当，将与垂直环路和水平环路一样有效。（4）池塘湖泊环路。n 为

11、使系统运行良好，池塘的大小必须在4000以上，深度超过4.6m.管环为盘管 ，连接到公共联箱上，然后将它漂浮到池塘或湖泊中，充水后即会沉入水底。这种系统的安装费不高，即使水面冬季结冰，仍能正常运行。 （5）桩埋管环路。n 指利用建筑地桩或在混凝土构件中充满液体的管道系统。奥地利在20世纪80年代末期将该技术用于建筑物的供暖和降温。2开环系统n 开环系统通常指利用传统的地下水井传递地下水中或地下土壤中热量的地源热泵系统 。表面水热泵（SWHP）中的池塘或湖水直接利用热泵系统也属开环系统。开环系统有许多特殊因素要考虑，如水质，水量，地面沉降以及回灌或排放问题。而且应特别注意底下水源的应用要接受当地

12、水资源管理部门的应用。如北京地处山前平原。浅层地下水资源条件比其他大城市的情况更优越。3直接膨胀式系统n 该系统直接采用装有制冷剂的铜管埋入底下取热。铜管可以垂直埋也可以水平埋，前着每Kw制冷量需要2.6-4.0 土地面积，通常 2 .73.7m 深；后者每Kw制冷量需要11.9-14.5土地面积，1.5-3.0m深。在沙质，粘土或较干土壤中不宜用垂直埋。由于地下埋管是金属管，容易手腐蚀。系统供热/制冷量一般在 7.013.6Kw.4.其他分类方式n 根据对象不同，地源热泵可分为家（住宅）用和商（公共建筑）用两大类；根据输送冷热量方式，可分为集中式和分散式。n 集中式系统热泵布置在机房内，冷热

13、量集中通风或水路分配系统送到各房间。如图7-5（a）所示。n 分散式系统用中央水泵，采用水环路方式将水送到各用户最为冷热源，用户单独使用自己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼，学校。商用建筑等。此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上，便于计量，适用于目前独立热计量要求。如图7-5（b）所示。n 按照热源系统的组成方式又可以分为纯地源系统与混合系统。混合式系统是将地源与冷却塔或加热锅炉联合使用，如图7-6所示。此外，地源与太阳能，工业余热等热源联合使用的系统，也是混合式地源热泵系统的一种类型。n 在南方地区，冷负荷大。热负荷低。夏季适合联合使用地源和冷却塔，冬季只使用地源。而在北方地区，热负

14、荷大，冷负荷抵，冬季适合联合使用地源锅炉，夏季只使用地源。这样，混合式系统可以减少地源的容量和尺寸，节省投资。n 此外。图7-6所示的混合系统，其运行方式与通常的水环路热泵系统是一致的。在夏季，全部或大多数机组供冷，热量通过水环路排至室外的冷源，如地源或冷却塔；在春季和秋季，对有内区与周边区的建筑物，会出现内区需要供冷而周边区需要供热。内区的热量就被周边区所利用，即内区空调的排热与周边区热泵供热所需热量接近平衡时，室外的冷热源可以停运。这种制冷供热同时进行，能量在建筑物内部转移，运行费用最少，节能效果明显，无论房屋开发商和用户以及建筑设计师和设备管理人员都十分有利。图7-6 混合式地源热泵系统

15、n 在实际工程应用中，还有一类利用地热水直接供热后的尾水作为热源的热泵系统，国内一般称为地热热泵，我们将其归为广义的地源热泵系统。由于这一类应用，热源温度高，因此采用中高温热泵其系统优势将更加明显。目前，不少单位或研究机构在从事这方面的研究工作和工程应用工作。n 国内目前的工程应用中，开环系统几乎占据了地源泵的全部市场，但从长远来说，因地制宜地利用闭环系统必将成为今后的发展方向。认真总结国内外的研究成果与发展趋势，充分结合中国实际情况，积极探索地源热泵系统优化设计与应用的方式，对于扩大可再生能源在建筑领域应用的规模，将有十分重要的意义。 三、地源热泵系统的设计n （一）地源热泵系统设计基础资料

16、n 在具体进行地源热泵系统设计工作之前，必须首先作好基础资料的收集与可行性论证工作。基础资料除了与普通中央空调系统相同的要求之外对于地源系统部分还需要以下一些内容：n 总平面布置和地表情况，包括：项目范围的大小和形状。项目周围现存和规划建筑。道路，绿地，人工景观和附属设施的情况。现有的水井，废水，中水情况。n 地质，水文和地表水的调查报告，包括：地表水应用调查报告。地下水系统实验井的调查报告。实验井是为了解决地下水资源的具体情况和地质情况而设定的。地下水质条件包括：地下水温，单位时间单口井的出水量，地下水的化学成分（含钙，镁，铁，锰，硫酸根，氯根等离子），地下水酸碱度，含水层的深度，当地地质情

17、况（是沙土还是黏土，粘土，沙土的透水性比较好，有利于取水和回灌）。n 垂直地下热交换器系统的试验孔调查报告。试验孔能为地下热交换器的设计提供必要依据。包括：当地恒温层的深度，大地的温度，地下土质的组成成分，土质的导热性能及土质强度。n 水平地下热交换器试验坑的调查报告。n 监视井。这些资料为地下闭式环路地源热泵，地下水开式地源热泵或者地表水地源热泵系统的设提供基础数据。以及内容不一定全作，视具体情况而定。（二）地源热泵系统冷（热）负荷计算于热泵机组选择1、地源热泵系统冷（热）负荷计算房间冷（热），湿负荷湿是确定热泵设备容量的基本依据。在某一时刻为保持房间恒温恒湿，需向房间提供的冷量称为冷负荷；

18、相反，为补偿房间的失热而需向房间提供的热量称为热负荷；为维持房间相对湿度，需由房间除去或增加的湿量称为湿负荷n 房间的冷负荷通常来源于以下及个方面：n 由于太阳辐射和室外温差经维护结构传入的热量。人体，照明设备，各种工艺设备及电气设备散入的热量。为满足房间卫生，正压和最小新风要求的新风带入热量。n 房间的热负荷通常包括一下几方面：维护结构基本耗热量。冷风渗透耗热量。冷风侵入耗热量。空调新风耗热量。得湿量主要湿人体散湿量和工艺过程和工艺设备散出得湿量。n 地源热泵系统工程得冷负荷计算方法与常规空调系统相同，热负荷计算方法与采暖系统大致相同，但需考虑新风耗热量。地源热泵系统末端所需风量得确定方法与

19、常规空调系统相同。地源热泵系统得冷（热）湿负荷同样与室外空气参数有关，并以其作为计算依据。地源热泵系统确定室内外空气参数得原则方法与普通空调系统相同。2、热泵机组选择 n 根据以上计算得冷(热)负荷，依照不同地区，不同用户得具体情况，确定采暖空调对象建筑物的同时使用系数。对于住宅楼，当住户<100户时，该系数为0.7；当户数为100150户时，为0.650.7;当户数为150200户时，为0.6。参考热泵设备厂家得产品说明书和技术手册，选择适合制冷和采暖要求的热泵机组。选型时一定要仔细阅读厂家的产品说明书，核对机组额定工况，非额定工况是否与实际工程的工况一致，供热量，制冷量是否满足要求。

20、n 此外，对于热泵机组型式的选择，也要综合考虑。n 如螺杆式制冷压缩机，压力，容量特性稳定，对变工况运行具有较好的适应性，对气体带液运行不敏感；运转时力矩变化小，动力平衡性好，易损件少，振动小，运行寿命长，可靠性高；滑阀可实现无级能量调节，喷油运行，排气温度低；操作简单，易实现自动化。因此，正逐渐开始在一定的冷量范围内成为地源热泵的主要型式。（三）地源系统的设计一）地源系统取热（放热）量计算 地源系统取热量和放热量与系统冷（热）负荷和热泵机组的输入功率有关。n 夏季放热量可用如下公式进行估计n QC=QL+N或QC=QL(1+1/e)n 式中 QC 夏季机组向地下排热量，W;n QL 夏季地源

21、热泵系统冷负荷，W;n N 热泵机组制冷时的输入功率，W;n e 设备制冷的性能系数。n 冬季取热量可用如下公式进行估计n QE=QR-N或QE=QR(1-1/eh)n 式中n QE_ 冬季机组从地下获取的热量W;QR_ 冬季地源热泵系统热负荷，W;N_ 热泵机组制热时的输入功率，W;eh_ 设备供热的性能系数。二）地源系统方式选择与设计n 在全面了解用户具体情况，完成了负荷计算，初步的机组选择以及部分主要参数确定的基础上，应该对不同的地源系统方式以及整个方案进行详细的可行性论证，以后确定是一开式的地下水源方式，地表水源方式还是以某种埋管方式的闭式系统作为整个地源热泵系统的热源。 以下针对目前

22、国内的主要应用方式和未来最有希望的地源方式分别阐述其设计的主要内容。1、开式地下水源方式的主要参数或环节设计n 地下水是指埋藏和运移在地表以下含水层中水体。地下水分布广泛，水质比地表水好，水温随气候变化比地表水小，是地源热泵中央空调可以利用的较为理想的水源。地下水按理埋藏条件分为上层滞水，潜水，层间水，裂缝水和溶洞水5类。开式地源热泵系统主要利用潜水和浅层层间水。 n 水源系统的水量，水温，水质和供水稳定性是影响水源热泵系统运行效果的重要因素。n 应用水源热泵时，对水源系统的原则要求是水量充足，水温适度，水质适宜，供水稳定。水源的水质，应适宜于系统机组，管道和阀门的材质，不至于产生严重的腐蚀损

23、坏。水源供水系统供水保证率要高，供水功能具有长期可靠性，能保证水源热泵中央空调系统长期和稳定运行，这就必须很好地解决回灌问题。（1）地下水的水量确定。n 地下水的水量是影响地下水源热泵系统制冷，供热效果的一项关键因素，充足的水源水量，能满足用户制热负荷或制冷负荷的需要。如水量不足，机组的制热和制冷量将随之减少，达不到用户理想的运行状态。如水量缺口较大，不能满足负荷要求，就应考虑其他方案。 在冬季和夏季地下水的需要量实际上与地源热泵本身的性能，地下水温度，建筑物的冷热负荷及换热器的形式，换热能力等因素有关。n 夏季可采用以下公式进行估算 MC=QC/(CTC)n 式中n QC_ 夏季机组向地下排

24、热量，KW C_ 水的比热，KJ/Kgn MC_夏季所需地下水的水流量，Kg/s; Tc_ 夏季冷凝器出水，进水温度差，即（TCO-TCE）, n TCO_夏季冷凝器出水温度，n TCE_夏季冷凝器出水温度（地下水井的出水温度），;冬季可采用以下公式进行估计n ME=QE/( CTE) 式中 QE_ 冬季机组从地下获取的热量，KW;n ME_ 冬季所需地下水的水流量，KG/s;n C_ 水的比热，KJ/Kg;n TE_冬季蒸发器出水、进水温度差，即（TEE-TEO）, ;n TEE_ 冬季蒸发器进水温度（水井的出水温度），;n TEO 冬季蒸发器出水温度，。n 对某一具体工程，由上述两式计算出

25、夏季和冬季两种工况所需的地下水的水流量MC和ME会有所不同，应根据地下水温，冬季运行温差，热泵机组运行费用以及水文地质状况等因素进行综合考虑，以最终确定地下水的水流量。（2）地下水的水温确定。n 所谓水源的水温应适度就是适合机组运行工况的要求。例如，在制热运行工况时，水源水温应该为1222；在制冷运行工况时，水源水温应该为1830;。因此，地下水温度为1222左右时，地下水源热泵机组制冷状态和制热状态均处于最佳工况点。如天津地区地下水，在深200400m范围内，水温通常在1622范围，对夏季空调和冬季供暖都十分有利。但是如果处在地热异常区，地下水的温度会偏高，冬季使用时尚可以采用小流量，大温差

26、的措施，但在夏季使用时，地下水源的优势不一定明显，这时可以采用冷却塔的方式n 地下水水温随自然地理环境，地质条件及循环深度不同二变化。n 近地表处为变温带，变温带之下的一定深度温恒温带，地下水温不受太阳辐射影响。不同纬度地区的恒温带深度不一样，水温范围1022。恒温带向下，地下水温随深度增加而升高，升高多少取决于不同地域和不同岩性的地热增温率。地壳平均地热增温率为2.5/100m,大于这一数值为地热异常。在恒温带以下，地下水温变化规律可按下式计算 TH=TB+(H-Hd)Tgn 式中 TH_ 在深处地下水温度，n TB_ 所在地区的年平均气温，n Tg_ 低温梯度（一般0.02/m左右），/m

27、 n H_ 欲测定地下水水温的深度，n Hd_ 所在地区恒温带的深度，m.n 如果冬季地下水温较高或夏季地下水温较低，为了节约地下水资源，可在地下水侧采用大温差，小流量的运行方式，也可以采用与机组回水混合的运行方式，从而尽量满足机组要求的水温。混合装置可以是容积式混水器，也可以是喷射式混水器。 （3） 地下水的水质n 自然界中的水处于无休止循环运动之中，不但与大气，土壤和岩石等环境介质接触，互作用，使其具用复杂的化学成分，化学性质和物理性质。应用地下水源热泵时，处应关心水源水量，温度以外，还应关注水的化学成分，混浊度，硬度，矿化度和腐蚀性等因素。地下水源热泵对地下水水质的基本要求时澄清，水质稳

28、定，不腐蚀，不滋生微生物或生物，不结垢等。但是，目前对地下水水源热泵所用水源的水质尚无专门的规定。表7 2 为冷却水水质标准的有关规定，可作为地源热泵确定水质状况的参考。 表7-2 冷却水水质有关规定n 名称 允许含量值n 硬度含量200/ Ln 混浊度10/Ln 氯离子(Cl-)n 总矿化度<3000/Ln 总铁离子(Fe2+,Fe3+)0.5/Ln 硬度<200/Ln 锰(Mn)0.5/Ln PH值6.8-9.2n 硫化氢(H2S)0.5/Ln 硫酸根(SO42-)200/L1）含砂量与混浊度n 有些水源含有泥砂，有机物与胶体悬浮物，使水变得浑浊。水源含砂量高对机组和

29、管阀造成磨损。含砂量和混浊度高的水用于地下水回灌会造成含水层堵塞。用于水源热泵系统的水源，含砂量应<1/20万，混浊度<20mg/L.如果水源热泵系统中装有办事换热器，水源水中固体颗粒物的粒径应<0.5mm。2）水的化学成分及其化学性质n 自然界水中溶有不同离子，分子，化合物和气体，使得水具有酸碱度，硬度，矿化度和腐蚀性等化学性质，对机组材质有一定影响。3）酸碱度n 水的PH值小于7时呈酸性，反之呈碱性。水源热泵的水源PH值应为6.5-8.5。4）硬度n 水中Ca2+,Mg2+总量称为总硬度。硬度大，易生垢。水源热泵水源水中的CaO含量应<200mg/L。5）矿化度n

30、单位容积水中所含各种离子，分子，化合物的总量称为矿化度。用于水源热泵系统的水源水的矿化度应<3g/L。6）腐蚀性n 水中Cl-。游离CO2等都具腐蚀性，溶解氧的存在加大了对金属管道的腐蚀破坏作用。应用水源热泵系统时，对腐蚀性，硬度高的水源，应在系统中加装抗腐蚀的不锈钢换热器或钛板换热器。如果地下水源的水质不适合水源热泵机组使用时，可以采取相应的技术措施进行水质处理，使其符合机组要求。在水源系统中经常采用的水处理技术有除砂器与沉淀池，静水过滤器，电子水处理仪，板式换热器等几种。当水源水的矿化度小于350mg/L时，水源系统可以不加换热器，采用直供连接。当水源水的矿化度>500mg/L

31、时，应安装抗腐蚀性强的钛合金板式换热器。7）除铁设备n 地下水对设备的有害成分中危害最大的是水中的铁。我国地下水的含铁量，多数在10mg/L以下，少数超过20mg/L,但一般不超过30mg/L.地下水中的铁常以二价铁形式存在，由于二价铁在水中的溶解度较大，所以刚从含水层抽出来的含铁地下水仍然清澈透明，但与空气接触后，水中二价铁被氧化，转化为絮状的三价铁氢氧化物，沉淀阻塞管道，影响正常工作。因此，对含铁量高的地区使用除铁装置进行除铁，有利与地源热泵更加广泛的使用。（4）地下水的回灌，n 所谓地下水回灌，就是将被水源热泵机组交换热量后排出的水再注入地下含水层中去。这样做可以补充地下水源，调节水位，

32、维持储量平衡；可以回灌储能，提供冷热源，如冬灌夏用，夏灌冬用；可以保持含水层水头压力，防止地面沉降。所以，为保护地下水源，确保水源热泵系统长期可靠运行，水源热泵系统工程中一般应采取回灌措施。n 为了降低深井投资并节省水泵运行能耗，应尽可能减少深井回灌回路循环水量，为此就需要尽量加大此回路的供回水温差。1）回灌水的水质。n 对于回灌水的水质要求是好于或等于原地下水质，回灌后不会引起区域性地下水水质污染。实际上，水源水经过热泵机组后。只是交换了热量，水质几乎未发生变化，回灌不会引起地下水污染。2）回灌类型。n 根据工程场地的实际情况，可采用地面渗入补给，诱导补给和注入补给。注入式回灌一般利用管井进

33、行，常采用(自流)，负压（真空）和加压（正压）回灌等方法。无压自流回灌适于含水层渗透性好，井中有水位和静止水位差。真空负压回灌适于地下水位埋藏深（静水位麦深在10m以下），含水层渗透性好。加压回灌适用于地下水位高。渗水性差的地层。对于抽灌两用井，为防止井间互相干扰，应控制合理井距。3）回灌量。n 回灌量大小于水文地质条件，成井工艺，回灌方法等因素有关，其中水文地质条件是影响回灌量的主要因素。一般来说，出水量大的井回灌量也大。在基岩裂隙含水层和岩溶含水层中回灌，在一个回灌年度内，回灌水位和单位回灌量变化都不大。在砾卵石含水层中，单位回灌量一般是单位出水量的80以上；在粗砂含水层中，回灌量是出水量

34、的5070；在细砂含水层中，单位回灌量是单位出水量的3050。采灌比是确定抽灌井数的主要依据。4）回扬。n 为预防和处理管井阻塞，主要采用回扬的方法。回扬即在回灌井中开泵抽排水中阻塞物。每口回灌井回扬次数和回扬持续时间主要由含水层颗粒大小和渗透性而定。试验证实，在几次回灌之间进行回扬以连续回灌不进行回扬相比，前者能恢复回灌水位，保证回灌井正常工作。5）单井回灌技术。n 从原理上讲，其与多井自然回灌有所不同。单井抽灌在地下局部形成抽灌的平衡和循环，其原理如图77所示，深井被人为的分隔为上部的回灌去和下部的抽水区两部分.当系统运行时，抽水区的水通过潜水泵提升到井口换热器，与热泵机组进行换热后，通过

35、回水井回到井中。抽水区的水被抽吸时，抽水区局部形成漏斗，回灌的回灌水在水头压力的驱动下，从井的四周往抽水区渗透，因此单井抽灌兼具真空及压力回灌的优点，在此过程中完成回灌水与土壤的热交换，此时回灌水所经过的土壤就成为一个开放式的换热器。图7-7 单井抽灌原理图n 单井抽灌变多井间的小水头差为单井的高水头差，因此单井抽灌比多井更易解决水的回灌问题，同时还有占地面积小的优点。在实际应用中，单井回灌技术一般适用于供热制冷负荷较小的情况。2、闭式土壤垂直埋地换热器系统的设计.n （1）垂直埋地换热器包括以下几部分：n 1）U型管，常用管道材料是高密度聚乙烯和聚丁稀管道材料。这种管有专门厂家制造，并经过大

36、压测试。对于地下换热器，不推荐使用PVC 管。n 2）流体可以是水或含有防冻剂的水。n 3）浆或回填物，用来加大与岩土的传热，以及保护地下水不受污染。n 4）岩土。（2）设计的目标。n 进行埋地换热器系统安装设计时应尽量以最小代价满足两个目标n 1）岩土和换热管之间最佳热接触。n 2）保护地下水不受污染。n 污染源来自于地表水（包括腐烂物，除草剂或其他材料）或含水层间的流动。达到这两个目标，通常采用最小的可行性孔洞直径。小直径井孔费用少，安装快，传热好，减少了接触热阻和地下水污染。（3）埋地换热器的设计。n 首先要确定整个换热器的尺寸。其中井深、井孔直径和环路是3个关键因素。计算埋管长度时，必

37、须知道土壤温度，含水量，导热系数，管道直径，热阻，流量等或经过实际测试得到的不同地质条件下不同管径的单位长换热量。井孔数量与井深成反比，单个井孔的深度由钻井费用决定。为节约初投资，确定单个井孔深度后，就可反算出井孔数量。n 根据地源热泵系统的取热，放热负荷，由有关公式可以计算出地源热泵系统的流量。n 为了保持合理的压降，根据经济流速可确定埋管的直径。埋管直径直接决定井孔直径。小直径井孔费用小，其优点是：井孔排出的泥沙少，这意味着以更小的能耗、处理费用及回填物费用的相应降低来更好地防止地下水受污染。传热性能得到改善，因为大部分回填材料的导热系数都低于岩石。相应增大了井孔的间隔。其缺点是用降低管径

38、来降低孔径可能导致高的压降和高的循环泵运行费用。n 并不是埋管直径的越大越好，例如使用3.2cm而不是1.9cm的埋管，可以减少埋深10%,但是要求更大的井径，增加了能耗，处理费，回填物费用等，同时增大了防止地下水污染的难度，为保持井孔间隔还会增大占地面积。所以，在设计一个埋管换热器系统时，必须权衡个方面的得失，确定一个相对优化的埋地换热器系统。n 埋地换热器地源系统的环路不是串联就是并联。n 串联环路就是仅有一个流程，而并联环路有两个或两个以上流程。串联环路的最大优点是：需要较大的直径管道，管道的线性长度有较高的热性能。系统内的废气和废渣较易排除。缺点是：管径较大，流量较大，需要的防冻剂量也

39、大。由于管道过长，容易引起水力失调。影响系统的能力。并联环路的优点是：管径较小。费用较低。易于系统的水力平衡。缺点是：系统中的空气和废渣不易排出。难于保证各个分支环路的流量平衡。n 一个埋管换热器系统通常由若干个环路组成，各个环路之间可以是并联连接，也可以是串联连接，或串联并联混合连接；每个环路通常也由若干个埋管换热器组成，随着埋管换热器数量的增加，环路的个数也在增加，传统的设计采用同程式的分支集水管。近来，许多设计师更多使用闭环集水器，再将个分支集水管与总集水管连接。总集水管直径为15cm或更大。总集水管与地源热泵机相连。n 由于埋管换热器式密闭循环系统，利用的是大地土壤进行换热，不是直接利

40、用地下水换热，埋管换热器内充满了水或由防冻剂的水，这些水可以是预先处理的或在室外管路的地上部分安装一套水处理设备和除污器，以防止腐蚀，阻塞地源热泵设备。应用实例n 天津某办公室地下水地源热泵工程n 该工程为一办公楼，分为两期，一期为1.2万，二期为1.6万. 一期工程已运行近一年，二期工程仍在建设中。n 采用地下水源热泵完成冬季供暖和夏季空调。选用WRHH3006机组2台，单台机组制冷量和供热量为877.4Kw,可满足总建造面积2.8万的要求。冬夏季节供热，制冷的转换是通过水侧阀门来实现的，如图78所示。n 地下水源热泵冬季供热，夏季制冷阀门转换示意图夏季制冷 ；(b)冬季供热钻了3口井，井距

41、47m,井深400m,井口水温25,出水量93t/h,单位出水量5.1t/h.m.一期工程已运行一年多，热泵机组连续运行，性能比较稳定。n 冬季，热水供回水温度为42/37.由于采用了大温差，冬季地下水温将大14，地下水流量42t/h 就可满足建造物供暖的要求；夏季地下水62.5t/h,灌采比43，较小的流量运行减轻了回灌井的压力。该工程目前可以做到完全回灌，取得了既节能又节约水的效果。图78为地下水地源热泵冬季供热，夏季制冷阀门转换示意图。图78地下水地源热泵冬季供热，夏季制冷阀门转换示意图(a夏季供冷b冬季供热)。四、四种地源热泵应用方式介绍n 下面对于四种地源热泵应用方式作出相应的介绍：

42、n 1 Groundwater heat pumps, GWHPs地下水热泵系统，也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。n 2 Surface-water heat pumps, SWHPs地表水热泵系统。通过直接抽取或者间接换热的方式，利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵冷热源。归属于水源热泵方式。n 3 Ground-couple heat pumps GCHPs（地下耦合热泵系统），也称埋管式土壤源热泵系统。 a) Horizontal ground-coupled

43、 heat pump水平埋管地源热泵系统b) Vertical borehole ground-coupled heat pump 垂直埋管地源热泵系统n 还有另外一个术语叫Ground heat exchanger 地下热交换器地源热泵系统。这一闭式系统方式，通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。n 4 Standing column well heat pumps, SCW 单井换热热井，也就是单管型垂直埋管地源热泵，在国外常称为“热井”。n 这种方式下，在地下水位以上用钢套作为护套，直径和

44、孔径一致；地下水位以下为自然孔洞，不加任何固井设施。热泵机组出水直接在孔洞上部进入，其中一部分在地下水位以下进入周边岩土换热，其余部分在边壁处与岩土换热。换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。这一方式主要应用于岩石地层，典型孔径为150mm，孔深450m也可以归类于地下季节性蓄能n 另外，水源热泵中的地下水源热泵方式也可以归类于地下季节性蓄能应用领域。北欧及中欧部分国家倡导利用浅层地热以及地下蓄能为建筑物提供冬夏季供暖及空调，这些国家更为关注地下季节性蓄能应用.从原理上来说n 从原理上来说，含水层蓄能应用领域与深井回灌式水源热泵方式具有很多相同之处，两者涉及的系统地

45、下部分的施工工艺、设计原则以及相关的理论大致相同。北欧及中欧部分国家对于含水层蓄能的应用研究的许多成果都可以加以借鉴，应用于深井回灌式水源热泵方式的相关应用和研究。综上所述，水源热泵可以归属为地源热泵的两个分支：地下水源热泵以及地表水源热泵；也可以归属为地下季节性蓄能应用与热泵技术的结合应用。但是需要强调的是，不同应用方式的分类，是为了让人们更为便捷的去了解或推广应用某种技术，而实际上各种不同的分类之间可能存在一定的交集。 以季节性地下蓄能方式为例，其冷热源提供可以为天然冷热源，例如将冬季室外的降雪或冷水回灌入蓄冷井群，夏季抽取被蓄存的冷水作为空调的冷源，夏季将温度较高的地表水回灌入蓄热井群，

46、冬季抽取被蓄存的热水作为空调预热的热源；而当采用热泵机组作为冷热源的提供时，也就是说冬季将热泵机组出口的冷水回灌入蓄冷井群，而夏季将热泵机组出口的热水回灌入蓄热井群，这一方式也可以归类为典型的深井回灌式水源热泵方式。五、水源热泵的特点及发展动态1特点n 属可再生能源利用技术水源热泵是利用了地球表面或浅层水源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地球表面水源和土壤是一个巨大的太阳能集热器，收集了47的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。水源热泵技术利用储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，为人们提供供暖空调，当之无愧的成为可再生能源一种形式。节能技术n 属经济有效的节能技术地球表面或浅层

47、水源的温度一年四季相对稳定，一般为1025，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度特性使得水源热泵的制冷、制热系数可达3.55.5。n 与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或7090%的燃料内能为热量，供用户使用。 与传统的空气源热泵相比，空气源热泵的制冷、制热系数通常为2.23.0，水源热泵方式的能量利用效率要比空气源热泵高出40%以上。另外，地球表面或浅层水源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。环境效益n 环境效益显著水源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40以上，与电

48、供暖相比，相当于减少70以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25的充灌量；属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此，制冷剂泄漏机率大为减少。n 2、国内外水源热泵发展动态n 以下部分将对国内外水源热泵的大致发展动态作出相应描述。鉴于水源热泵归属于不同的应用分类方式，本部分的内容将包括水源热泵系统以及相关方式的应用研究领域。（1）国外应用部分n 美国以及加拿大等北美国家主要关注地源热泵中埋管方式地源热泵应用，更偏重用于住宅和小型商用系统（20冷吨以下）的地源热泵方式，多采用水空气系统，而在大型建筑方面，美国推行WLHP（Water l

49、oop heat pump）系统，即水环热泵系统。 其地源热泵领域的主要发展参见下图 中、北欧n 与美国的地源热泵发展有所不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源和地下季节性蓄能应用。对于埋管式土壤源热泵的应用，据1999年的统计，为家用的供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士为96，奥地利为38，丹麦为27。 （2）国内应用部分n 中国早在50年代，就曾在上海、天津等地尝试夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，天津大学热能研究所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究，1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。目前，国内的清华大学、天津大学、重庆大学、天津商学院、山东建工学院、

50、中国科学院广州能源研究所等多家大学和研究机构都在对水源热泵进行研究。其中清华大学经过多年在多工况水源热泵的研究已经形成产业化的成果，已建成多个示范工程。 美国能源部和中国科技部合作n 美国能源部和中国科技部于1997年11月签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书，其中主要内容之一是"地源热泵"，该项目拟在中国的北京、杭州和广州3个城市各建一座采用地源热泵供暖空调的商住建筑或工业建筑，以推广运用这种"绿色技术"，缓解中国对煤炭和石油的依赖程度，从而达到能源资源多元化的目的。（3）国内外水源热泵研究进展n 目前美国和国内的科研机构对于深井水源热泵（GWHP

51、）应用工程的研究，多集中于地面以上部分，即热泵机组运行效率分析，和循环系统的优化设计及长年运行分析等。论文Groundwater Heat Pumpingn M.J.Hatten在其论文Groundwater Heat Pumping: Lessons Learned in 43 Years at one Building.（ASHRAE Transactions, 92-11-5.）中，对位于美国的某建筑水源热泵系统的历史运行进行了总结。提出关于深井回灌水源热泵系统设计中应当注意的方面，其中提及必要的地下含水层的地质分析，及井的尺寸的合理设计和系统设计应满足未来增长的负荷需求，应考虑井的供水

52、和回灌能力在长时间运行后的下降。但没有给出关于前期勘察设计的理论依据。 A.L. Snijders在其论文n A.L. Snijders在其论文Aquifer Seasonal Cold Storage for Space Conditioning: Some Cost-effective Applications.（ASHRAE Transactions, 92-11-3.）中，提出了水源热泵应用的可行性条件，认为为避免回灌水对抽水井井水的影响，应令两井之间保持一定的距离，但距离大小的确定没有进一步的论述。该文献还提及早在1991年IAE（International Energy Agenc

53、y）已经进行了推广利用土壤及地下水资源作为蓄热载体的工作。 美国的B.R.Meloy 论文n 美国的B.R.Meloy 在其论文Free Cooling Works for Cowlitz County Hall of Justice.中对美国某建筑的水源热泵系统的设计与运行进行了总结，提及系统运行中所遇到的问题：1 井壁出现结垢现象，需定期清洗。2 换热器亦出现结垢，需定期清洗。 （没有将井水和机组水隔离，本文作者按。）3 设计中没有考虑系统运行损耗。n B.R.Meloy的论文中还提及在该工程设计准备阶段，对于井的位置及井水水温的确定，往往通过咨询资深地质人员并凭借主观经验及主观作出判断。

54、 天津大学研究n 天津大学地热研究培训中心的Li Xinguo分析了水源热泵机组在建筑物冷热负荷共存时的运行工况，未涉及地下土壤流动换热问题。 张昆峰等研究n 张昆峰等进行了利用土壤中多孔材料竖直埋管提取土壤热量，作为冬季热源的热泵机组运行的试验研究，得出不同埋管尺寸，不同水循环方式以及各种工况下运行参数对热泵性能和取热量的影响，并分析了井水流量及温度对热泵机组性能的影响。张昆峰等随后在其实验数据结果基础上, 通过理论计算并进行模拟分析, 考察井水热泵运行时, 循环水流量、井的直径和深度、运行方式及时间对井水温度和取热量的影响。其选取的数学模型忽略了土壤中的地下水流动，不考虑抽水井和回灌井之间

55、的相互影响，以及假设土壤的热物理参数为常数，即不考虑土壤中的水热耦合。 单井承压含水层蓄能研究 早在七十年代末及八十年代初，国外及国内的科研单位及学者已经进行了有关单井承压含水层季节性蓄能的现场实验和数值模拟。美国Auburn大学在阿拉巴马州的Mobile进行了多次现场实验，取得一定的实测数据。每轮实验的基本过程为：向一承压含水层中的完整井连续注入5080摄氏度的热水，注入时间为12个月；然后经过12个月的储存时间，从同一口井中连续抽取热水。实验记录位于试验井周围多个观测井的温度和水位数据，以及灌注和抽取的水量及水温。美国加州大学的Lawrence Berkeley Laboratory（LBL）针对Auburn大学现场实验建立了相应的有限差分数值模拟程序，并通过该程序对实验进行了模拟和分析。清华大学的陈兆祥亦建立了有关的承压含水层蓄冷数值模拟程序ASMP，并根据Auburn大学的现场实测数据对该程序进行了验证。IEA Annex 8 国际能源协会附件8n IEA Annex 8 国际能源协会附件8：地下蓄能的实现为推动地下蓄能的应用和发