1、 地源熱泵應用概況

　　地源熱泵（GSHPS）是一個(gè)廣義的術(shù)語(yǔ)，它包括了使用土壤、地下水和地表水作為熱源和熱匯的系統，即地下耦合熱泵系統（ground-coupled heat pump systems, GCHPS），也叫地下熱交換器地源熱泵系統（ground heat exchanger）；地下水熱泵系統groundwater heat pumps, GWHPS）；地表水熱泵系統（surface water heat pumps, SWHPS）。

　　1.1 國外發(fā)展情況

　　地源熱泵系統由于采用的是可再生的地熱能，因此被稱(chēng)之為：一項以節能和環(huán)保為特征的21世紀的技術(shù)。這項起始于1912年的技術(shù)（瑞士提出的一個(gè)專(zhuān)利，該技術(shù)的應用始于英、美兩國），美國從1946年開(kāi)始對GSHP系統進(jìn)行了十二個(gè)主要項目的研究，如地下盤(pán)管的結構形式、結構參數、管材對熱泵性能的影響等。并在俄勒岡州的波特蘭市中心區安裝了美國第一臺地源熱泵系統。

　　特別是近十年來(lái)地源熱泵在歐美工業(yè)發(fā)達國家取得了迅速的發(fā)展，已成為一項成熟的應用技術(shù)。到2000年底，美國有超過(guò)40萬(wàn)臺地源熱泵系統在家庭、學(xué)校和商業(yè)建筑中使用，每年約提供8000~11000Gwh的終端能量。

　　地源熱源在工程上的應用主要為地下耦合熱泵系統（GCHPS）和地下水熱泵系統（GWHPS）、地表水熱泵系統（SWHPS）。

　　1.2 國內發(fā)展應用情況

　　1.2.1能源消費現狀

　　到2040年，我國一次能源的總消費量將達38.6億噸標準煤，是現在能源消費量的3倍。而到本世紀末，國內每年最多可供應的一次能源生產(chǎn)量為32億噸標準煤。因此，我國今后較長(cháng)期的能源消費年均增長(cháng)率應控制在2.5%左右，直到2040年能源消費實(shí)現零增長(cháng)目標。

　　我國已探明的能源總體儲量，煤炭?jì)α考s占世界儲量的11%，原油占2.4%，天然氣僅占1.2%，我國人口約占世界人口的20%，人均能源占有量不到世界平均水平的一半。我國是煤炭大國，但世界七大煤炭大國中其余六國的的儲量比都在200年以上，只有我國的儲量不足百年。石油的儲量比為四十年，并且中國石油、天然氣的平均豐度值也僅為世界平均水平的57%和45%.

　　面對如此嚴峻的能源形勢，國家總的能源政策還是節能和新能源開(kāi)發(fā)、再生能源利用并重，因此，地源熱泵技術(shù)的推廣應用在我國具有極大的現實(shí)意義和廣闊的發(fā)展前景。

　　1.2.2地源熱泵應用情況

　　地源熱泵空調系統的設計，主要包括兩大部分：一是建筑物內的水環(huán)路空調系統的設計；二是地源熱泵空調系統的地下部分的設計，即地下耦合熱泵系統的地下熱交換器、地表水熱泵系統的地表水熱交換器、地下水熱泵系統的水井系統的設計。

　　地下耦合熱泵系統最早應用在89年10月投入運行的上海閔行開(kāi)發(fā)區辦公樓（4305m2，冷負荷4532KW，熱負荷231KW），其技術(shù)和設備均由美國提供，使用情況良好。135個(gè)深35米的垂直豎管井,埋管為聚丁烯管。國內的大專(zhuān)院校均進(jìn)行了相關(guān)的垂直或水平埋地管的試驗研究和小型的工程應用,并建立了地埋管的傳熱模型。各地的地質(zhì)條件不同，土壤的溫度和熱物性參數都不一樣，因此，地下耦合熱泵的應用還有待進(jìn)一步的實(shí)驗驗證和實(shí)驗數據的積累。

　　地表水熱泵系統：地表水溫度受氣候的影響較大,與空氣源熱泵類(lèi)似,武漢東湖等淺水性湖泊夏季水溫高于濕球溫度，無(wú)利用價(jià)值，冬季水溫略高于氣溫，可用作熱源水。實(shí)測數據表明寧波奉化江水7M深31.2℃，珠江底層31.8℃，江水熱污染很厲害，利用價(jià)值不大�？衫�用長(cháng)江水作為地表水熱泵系統的熱源，但冬季江水水位很低，從取水的經(jīng)濟性及防洪角度考慮，實(shí)際利用還是極難的。

　　地下水熱泵系統：綜合上述情況可以看到，目前在我國來(lái)說(shuō)，技術(shù)上比較成熟、利用可行性較大、實(shí)施的工程項目較多的還是地下水熱泵系統。目前國內生產(chǎn)水源熱泵機組的廠(chǎng)家也已達到二、三十家。因為國內還沒(méi)有頒布水源熱泵機組的生產(chǎn)技術(shù)標準，國內廠(chǎng)家生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量差別較大，從有些廠(chǎng)家的產(chǎn)品樣本來(lái)看，技術(shù)參數不完整、不準確。因為很多生產(chǎn)廠(chǎng)家沒(méi)有實(shí)測手段，采用水源熱泵機組所需要的很多數據不能提供，甚至不排除某些技術(shù)力量差的廠(chǎng)家根本就沒(méi)有弄清楚水源熱泵機組和常規冷水機組的技術(shù)差異，直接就拿常規冷水機組來(lái)作為水源熱泵機組推銷(xiāo)到市場(chǎng)。目前就筆者所接觸到的廠(chǎng)家來(lái)看，只有一家國外公司能夠提供專(zhuān)用電腦軟件選型數據，可以根據設計工況選擇合理和可信的機組配置和各種性能數據。

　　2、 地源熱泵在武漢地區的應用

　　2.1 地下水源熱泵工程實(shí)例

　　2.1.1地下水源熱泵在湖北工程應用最早的一家是位于荊州沙市的法雷奧汽車(chē)空調有限公司，采用的是西亞特LWP1800（545KW）螺桿水一水熱泵機組2臺，LGP350一臺（110KW），總制冷量是1200Kw，供應一個(gè)車(chē)間（5000m2）和辦公部分（900m2）, 因取水量的限制取水井為一口50m3/h的井，制冷時(shí)另加一臺冷卻塔進(jìn)行補充。制熱時(shí)因車(chē)間本身設備散熱量較大，一口井取水完全能夠滿(mǎn)足供暖需要。夏季井水18.5℃，冬季17.8℃。2000年9月開(kāi)始運行。

　　2.1.2位于漢口循禮門(mén)的天與地音樂(lè )城，建筑面積5000m2,采用的是意大利克萊門(mén)特活塞式水源熱泵機組WRHH1202兩臺，總制冷量是720Kw，總制熱量是750Kw（其中供暖450Kw，利用熱回收系統供生活熱水300Kw）。打兩口井，一抽一灌，回灌在90%左右，井深47m，冬季出水20.5℃，取水量60m3/h.冬季運行機組升溫很快，2小時(shí)不到機組供水溫度即可達到45℃以上。2002年6月開(kāi)始運行。

　　2.1.3武漢凌云科技集團綜合廠(chǎng)房，總建筑面積11000m2, 其中4000m2辦公，7000m2生產(chǎn)廠(chǎng)房。選用法國西亞特螺桿式水源熱泵機組LWP2500二臺，總制冷量1440Kw，制熱量1900Kw，打井4口，每臺機組2口，一抽一灌。2002年10月開(kāi)始運行。

　　2.1.4漢口香港路香榭里花園4萬(wàn)米2，總制冷量3200Kw，總制熱量2500Kw.設計選用克萊門(mén)特螺桿水源熱泵機組BE/SRHH2702三臺，制冷時(shí)冷凍水7/12℃，地下水18/32℃；制熱時(shí)供暖水40/50℃，地下水18/8℃。打井由武漢地質(zhì)工程勘察院承擔，每口井取水量80m3/h, 先打試驗井，一抽一灌，取得實(shí)驗數據，進(jìn)行詳細周密的計算和水文地質(zhì)分析。設計三口取水井，五口回灌井，每口井回灌60%，分析計算認為三口井同時(shí)抽水，五口井同時(shí)回灌時(shí)，場(chǎng)地南側地水水位有不到1m的下降，其它部位下降均小于0 .5m；南側的地面沉降有1cm，其它部位地面沉降小于0.5cm；大部分場(chǎng)地的不均勻沉降小于0.2‰，不致于對地質(zhì)構成不良性的影響和影響建筑物的正常使用。2002年11月開(kāi)始運行。

　　2.1.5漢口東西湖武漢航達公司廠(chǎng)房綜合樓，建筑面積18000米2，采用克萊門(mén)特螺桿水源熱泵機組BE/SRHH2702兩臺，設計六口取水井，六口回灌井，每口井取水量20m3/h.2003年9月開(kāi)始運行。

　　2.1.6漢口百步亭花園小區綜合樓，建筑面積21000米2，采用西亞特螺桿式水冷冷水機組LWP2800一臺, 螺桿式水源熱泵機組LWP1400兩臺，渦旋式水源熱泵機組LGP100一臺,冰球配置105 m3.本工程是由冰蓄冷系統和水源熱泵系統合而為一的獨特的空調系統,具有削峰填谷和節能環(huán)保的雙重意義。2004年11月開(kāi)始運行。

　　2.1.7湖北大學(xué)圖書(shū)館，建筑面積42000米2，采用克萊門(mén)特螺桿水源熱泵機組BE/SRHH3602三臺，總制冷量3850KW,總供熱量3100KW.設計三口取水井，六口回灌井，每口井取水量120m3/h.根據場(chǎng)地條件盡量拉大取水井的間距,在部分負荷狀態(tài)下,盡可能用足地下水溫差,減少用水量。2004年11月開(kāi)始運行。

　　2.1.8漢口福星惠譽(yù)辦公綜合樓，建筑面積10000米2 .采用西亞特公司螺桿式水源熱泵機組LWP1800兩臺�？傊评淞�1090KW,總供熱量850KW.設計兩口取水井，四口回灌井，每口井取水量80m3/h.2003年11月開(kāi)始運行。

　　2.1.9湖北警官學(xué)院圖書(shū)館？￠體育館，建筑面積20000米2 .采用克萊門(mén)特螺桿水源熱泵機組BE/SRHH2702兩臺，總制冷量2300KW,總供熱量1600KW.設計兩口取水井，四口回灌井，每口井取水量80m3/h.

　　湖北警官學(xué)院學(xué)生食堂，建筑面積12000米2 .采用克萊門(mén)特螺桿水源熱泵機組BE/SRHH2702兩臺，總制冷量2300KW,總供熱量1600KW.設計兩口取水井，四口回灌井，每口井取水量80m3/h.2004年7月開(kāi)始運行。

　　2.2 地下耦合熱泵工程實(shí)例

　　2.2.1省公安廳駕校辦公大樓，建筑面積5000米2，采用克萊門(mén)特螺桿地源熱泵機組WRHH0802兩臺，總制冷量520KW,總供熱量370KW.利用室外場(chǎng)地進(jìn)行垂直埋管,共打孔220個(gè),間距4X4M,孔內共埋設U型PE換熱管10000米,孔深30米。2002年11月開(kāi)始運行。

　　2.2.2清江花園小區共有兩棟小高層住宅，總建筑面積38000米2，采用克萊門(mén)特螺桿地源熱泵機組WRHH0802兩臺，總制冷量1560KW,總供熱量1000KW.利用小區中心花園下地下車(chē)庫底部進(jìn)行垂直埋管,共打孔220個(gè),間距4X3.5M,孔內共埋設U型PE換熱管28000米,孔深在65-70米之間,中間以回填材料填實(shí)。2004年6月開(kāi)始運行。

　　3、 地源熱泵設計中應重視的幾個(gè)問(wèn)題

　　3.1水源和取水許可

　　使用水源熱泵的前提是必須有可供采取的充足的地下水源，漢口情況較好，地下水呈面狀分布，徑流緩慢，補給充足；武昌、漢陽(yáng)就要根據具體情況掌握，地下水分布圖可找權威的水文技術(shù)行政部門(mén)了解咨詢(xún)。

　　有了水源以后，必須向水行政主管部門(mén)（水務(wù)局水資源管理處）申報，申報時(shí)必須有權威部門(mén)的地下水開(kāi)采和回灌設計報告，得到批復后還必須繳交水資源使用費（生活用0.02元/米3，工業(yè)用0.03元/米3）。申報時(shí)還必須附上第三方確認，特別是取水井鄰近城市重大基礎設施和重點(diǎn)工程時(shí)。

　　3.2取水和回灌

　　從上面香榭里花園的水文地質(zhì)分析和計算結果可以看出，只取水不進(jìn)行有效回灌或回灌不慎造成地下水污染的都是極不負責任的行為，都會(huì )造成這項利國利民的好事以人人談之色變的惡名而夭折。并且這種不負責任的行為造成的損失是無(wú)法挽回的，天津唐沽地下水過(guò)量開(kāi)采，導致海水滲透進(jìn)去，對生態(tài)造成嚴重破壞；西安由于地下水過(guò)量開(kāi)采，導致大雁塔傾斜近1M，并且形成十三條縱、橫向裂縫，長(cháng)達50公里，鐘樓下陷135mm.華北地區形成4萬(wàn)平方公里的華北大漏斗。

　　武漢地區的地下水開(kāi)采和回灌都是極為有利的，46米左右，不回灌沒(méi)有理由。

　　3.3水源熱泵機組能效比問(wèn)題

　　現在有很多廠(chǎng)家出于商業(yè)競爭的需要，極力夸大水源熱泵節能、省錢(qián)效果，盲目提高所謂機組的能效比（有的機組COP值達到5.3甚至到6），實(shí)際上熱泵機組活塞機COP在3.8~4.2左右，螺桿機在4.0~4.6左右，水源熱泵機最多在此基礎上提高10%，充其量到5.而且單純宣揚機組的COP值有多高也沒(méi)有任何的實(shí)際意義，應該是談?wù)麄�(gè)水源熱泵系統的能效比，美國制冷學(xué)會(huì )（ARI）評定“地下水源熱泵”采用的就是水源熱泵系統的能效比，制冷工況時(shí)，地下水源熱泵系統的能效比（EER）=冷負荷/井泵功率+環(huán)路功率+水源熱泵功率；制熱工況時(shí)，地下水源熱泵系統的性能系數（COP）=熱負荷/井泵功率+環(huán)路功率+水源熱泵功率。在設計水源熱泵系統時(shí)，應盡量加大地下水的利用溫差，減少地下水的使用量，在較小的地下水用量和最佳的水源熱泵機組工況的優(yōu)化組合下才能達到最高的水源熱泵系統的使用能效比。

　　3.4地表水水源熱泵機組的換熱問(wèn)題

　　熱泵與地表水的換熱可采用開(kāi)式循環(huán)或閉路循環(huán)兩種不同的形式。開(kāi)式循環(huán)是用水泵抽取地表水在熱泵的換熱器中換熱后再排入水體。但在水質(zhì)較差時(shí)換熱器中易產(chǎn)生污垢，降低換熱效果，嚴重時(shí)甚至影響系統的正常運行。因而地表水熱泵系統一般采用閉路循環(huán)，即把多組塑料盤(pán)管沉入水體中，熱泵的循環(huán)液通過(guò)盤(pán)管與水體換熱，可以避免因水質(zhì)不良引起的污垢和腐蝕問(wèn)題。由于地表水溫度受氣候的影響較大，與空氣源熱泵類(lèi)似，當環(huán)境溫度越低時(shí)熱泵的供熱量越小，而且熱泵的性能系數也會(huì )降低。一定的地表水體能夠承擔的冷熱負荷與其面積、深度和溫度等多種因數有關(guān)，需要根據具體情況進(jìn)行計算。這種熱泵的換熱對水體中生態(tài)環(huán)境有無(wú)影響目前還未見(jiàn)到明確結論，必要時(shí)應預先加以考慮。深水湖在夏季會(huì )產(chǎn)生溫度的分層，湖底保持較低的溫度；冬季湖面結冰后會(huì )限制湖水溫度的下降。從目前的實(shí)際工程情況來(lái)看，自然形成的淺水性湖泊受外界氣候或熱污染影響較大，人工深水湖（水庫）是可以提供給熱泵使用的較好的地表水體資源。

　　3.5地下耦合熱泵機組的換熱問(wèn)題

　　地下耦合熱泵系統換熱器為一個(gè)由地下埋管組成的地熱換熱器 （geothermal heat exchanger, 或ground heat exchanger）。地熱換熱器主要有水平埋管和豎直埋管兩種設置形式。水平埋管形式是在地面開(kāi)1~2米深的溝，每個(gè)溝中埋設2、4或6根塑料管。豎直埋管的形式是在地層中鉆直徑為0.1~0.15 m的鉆孔或利用管樁，在鉆孔或管樁中設置1組（2根）或2組（4根）U型管并用灌井材料填實(shí)。鉆孔的深度通常為40~200m.現場(chǎng)可用的地表面積是選擇地熱換熱器形式的決定性因素，因此一般采用節省土地面積的豎直埋管地熱換熱器。地熱換熱器所需埋管的總長(cháng)度需要根據埋管的形式、地下巖土的熱物性、地下的溫度和冷熱負荷的情況作詳細的計算才能確定。設置地熱換熱器的主要費用是鉆孔的費用，正確設計地熱換熱器埋管的長(cháng)度對于保證系統的性能和經(jīng)濟性十分重要。在有條件時(shí)可以結合建筑樁基形式利用樁孔進(jìn)行埋管設置，可省去大量的鉆孔費用，施工也極為方便快捷。

　　4 、結束語(yǔ)

　　地源熱泵空調系統在我國是一項新的技術(shù)，它是一項跨專(zhuān)業(yè)、跨學(xué)科的綜合能源利用技術(shù)，需要通過(guò)相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的通力協(xié)作，做好勘測、設計、施工、調試等各項工作才能使系統達到要求的節能、環(huán)保性能。近幾年在全國各地已經(jīng)有大量工程投入使用，應該積極對實(shí)際運行經(jīng)驗進(jìn)行總結，以其使地源熱泵這項利國利民的可再生能源利用技術(shù)得到健康有序的發(fā)展。

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　　作者：陳焰華