趙恩榮 徐廣才

通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司

1 引言

隨著社會(huì)發(fā)展，人們生活水平不斷提升。對(duì)于室內(nèi)環(huán)境有了更高的要求，希望能夠改善室內(nèi)生活水平，供暖制冷是設(shè)環(huán)境調(diào)節(jié)的重要方式，也是目前居民生活中能耗最高的源頭。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，在日常工作中需要對(duì)供暖制冷設(shè)備的能耗進(jìn)行控制，采用多種控溫方式減少這種高耗能設(shè)施的參與程度，從整體上控制室溫過程中投降低能耗。地下水源熱泵的工作原理是基于熱力學(xué)第二定律，并且利用了逆卡諾循環(huán)原理，主要的組成部分包括壓縮機(jī)，冷凝機(jī)，蒸發(fā)器，轉(zhuǎn)換閥，膨脹閥。在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)僅壓縮機(jī)消耗少量電能，將水作為載體，吸收或釋放熱量，經(jīng)過管道流通，對(duì)途經(jīng)區(qū)域進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。整個(gè)過程額外不需再投入其他能量，所以是目前溫度調(diào)節(jié)方面能耗控制最好的一種選擇。

2 機(jī)組特點(diǎn)

（1）在整個(gè)地下水熱泵中，電能消耗主要用于對(duì)水進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，原先的耗能大戶——溫度調(diào)節(jié)則由地?zé)岜猛瓿?，由于是采集地下水，溫度來源完全取決于自然界，可以節(jié)約大部分能源。不需額外消耗化石能源，可以減少對(duì)化石能源的依賴。地下水源熱泵對(duì)于使用環(huán)境的適應(yīng)能力很強(qiáng)，可以適合所有居住區(qū)域的供暖制冷需求，不需要加裝用于祛除氣體和廢物的裝置。投入使用后維持成本較低，只需定期進(jìn)行質(zhì)量檢查，完成磨損零部件的更替即可。與傳統(tǒng)的供暖方式相比，不需要占用供暖系統(tǒng)附近的土地資源。過程中也不會(huì)向外排出廢水廢渣，減輕了對(duì)周圍環(huán)境的影響。在夏季需要執(zhí)行制冷任務(wù)時(shí)，不需要加入額外的冷卻水塔，因此對(duì)建筑物外觀規(guī)劃不會(huì)造成破壞，可以直接引入使用，避免了在室外布置設(shè)施設(shè)備造成的噪聲污染和外形破壞。

（2）高效節(jié)能。經(jīng)研究數(shù)據(jù)表明，冬季采用水源熱泵技術(shù)，水源側(cè)的水溫在10℃~20℃，明顯超過了周圍空氣環(huán)境溫度。這種溫差的存在會(huì)使得在熱泵循環(huán)的過程中，蒸發(fā)溫度大大提升，提高系統(tǒng)的能效比。而夏季水體溫度為18℃~35℃,制冷的冷凝溫度降低,實(shí)際的冷卻效果要好于傳統(tǒng)的風(fēng)冷式和冷卻塔式的結(jié)構(gòu)。無論是供暖還是制冷，采用水源熱泵技術(shù)都能夠較好的完成溫度調(diào)節(jié)目的，并且在使用過程中不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成負(fù)擔(dān)和影響，且不需額外設(shè)置輔助機(jī)組和房屋，對(duì)于占地面積也能夠進(jìn)行最大限度地節(jié)約，因此是一種很理想的替代傳統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方案。通過與中央空調(diào)系統(tǒng)末端進(jìn)行協(xié)調(diào)，在智能化系統(tǒng)的統(tǒng)一控制下，對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精確的溫度調(diào)節(jié)，完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)日常生活環(huán)境溫度調(diào)節(jié)的需求。

（3）運(yùn)行安全可靠、在整個(gè)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，除集中布置的機(jī)械設(shè)備外，占地范圍最廣的是管線，只要保證在安裝過程中管線的參數(shù)規(guī)格符合設(shè)計(jì)圖紙要求，沒有出現(xiàn)尺寸報(bào)錯(cuò)的情況，管線可以保持很長時(shí)間的穩(wěn)定使用狀態(tài)。只需要在特定節(jié)點(diǎn)安排檢修人員對(duì)管線連接處和管壁外表進(jìn)行檢查，檢查管壁是否有磨損老化腐蝕的情況。檢修過程投入的成本很低。

機(jī)械設(shè)備由于是集中安裝和布置，所以檢修可以在短時(shí)間內(nèi)全部檢查完成。在設(shè)備安裝過程中就已經(jīng)預(yù)留了足夠的操作空間。

地下水位的溫度常年保持恒定，而且處于地下環(huán)境，對(duì)于周圍自然環(huán)境變化影響不敏感，受周圍環(huán)境變化的影響幅度較小，可以使得水源熱泵的輸出效率在較長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。與機(jī)械驅(qū)動(dòng)的制熱系統(tǒng)相比，能夠在更長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定運(yùn)行。在系統(tǒng)投入使用后不需頻繁對(duì)其基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行更換，整體運(yùn)營投入的維護(hù)成本較少，主要的成本投入集中于前期建設(shè)投入。由于絕大部分結(jié)構(gòu)為管線，而管線布置在室內(nèi)和地下，因此出現(xiàn)凍管的情況較少，安全性較高。根據(jù)空氣源熱泵的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，當(dāng)空氣源熱泵面臨需要除霜時(shí)，其30%左右的能耗會(huì)被浪費(fèi)在該方面。

（4）功能多樣，設(shè)備利用率高。水源熱泵機(jī)組可以根據(jù)冬季和夏季不同溫度調(diào)節(jié)功能進(jìn)行模塊化系統(tǒng)搭接，實(shí)現(xiàn)一套系統(tǒng)多種用途跨越。冬季夏季近六個(gè)月使用時(shí)間，提高了設(shè)備的使用時(shí)間，減少了設(shè)備故障之后對(duì)其進(jìn)行零部件更換所面對(duì)的難度，是一種非常穩(wěn)定成熟的系統(tǒng)控制方案。而且目前相關(guān)從業(yè)人員還試圖將其進(jìn)行模塊化改造，通過不同的環(huán)境特點(diǎn)和使用需求，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況采用靈活多變的模塊化控制方式，將一套成熟的供暖系統(tǒng)拼接到不同的使用環(huán)境中，讓這套設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性提升到一個(gè)新的高度。

（5）便于計(jì)量和收費(fèi)。水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在使用過程中通過自然冷和電能來進(jìn)行工作，其中電能可以直接通過電表讀數(shù)來明確，只要通過對(duì)電表數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，轉(zhuǎn)化為額定關(guān)系的供暖或制冷量，就可以完成對(duì)該客戶計(jì)量收費(fèi)的工作。不需要額外再設(shè)置鍋爐供熱計(jì)費(fèi)和計(jì)量的工作。電能系統(tǒng)收費(fèi)計(jì)量完全可以接入非常成熟的電能控制收費(fèi)系統(tǒng)，一步到位直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，減少了額外安置所需投入的成本和設(shè)備。

（6）便于安裝、管理。水源熱泵機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，占地面積小，施工模塊較為固定，安裝人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)之后，即可熟練上手，獨(dú)立完成設(shè)備安裝和檢修工作任務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)中除了集中布置的壓縮機(jī)等裝置外，大部分管線不需要通過專業(yè)設(shè)備的輔助檢查，在系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)和養(yǎng)護(hù)這兩方面都有很大的優(yōu)勢(shì)。

3 升級(jí)改造的余地和方向

目前水源熱泵機(jī)組在使用過程中存在的問題在于，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)各覆蓋節(jié)點(diǎn)具體溫度調(diào)節(jié)功能的掌握。而這一點(diǎn)可以通過日趨成熟的智能化網(wǎng)點(diǎn)控制系統(tǒng)來得以實(shí)現(xiàn)?？刂浦行脑诟鞴?jié)點(diǎn)布置傳感設(shè)備，對(duì)所屬區(qū)域的溫度變化情況進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，經(jīng)無線傳輸實(shí)現(xiàn)對(duì)全局狀態(tài)的掌握和收集。原本的人工操作調(diào)節(jié)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)控制中心根據(jù)編定好的程序，對(duì)不同區(qū)域溫度變化情況進(jìn)行分析，通過比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，判斷溫度控制效果是否符合預(yù)期，如果存在差異，則通過遠(yuǎn)程控制手段調(diào)用其他輔助溫度控制系統(tǒng)。例如將該區(qū)原有的中央空調(diào)系統(tǒng)接入到自動(dòng)控制系統(tǒng)中，額外補(bǔ)充的工作量由中央空調(diào)系統(tǒng)來完成。并且為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，對(duì)中央空調(diào)運(yùn)行系統(tǒng)也要進(jìn)行調(diào)整，不能采取過去大鍋飯的溫度調(diào)節(jié)模式，而是要將中央空調(diào)系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象節(jié)點(diǎn)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)單一節(jié)點(diǎn)溫度的精確調(diào)節(jié)，根據(jù)不同的需求進(jìn)行精準(zhǔn)投放，這樣一來可以大幅節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)行過程中所需要的能耗。

智能化控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工操作系統(tǒng)相比，智能化控制系統(tǒng)由眾多傳感設(shè)備和完善的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)24小時(shí)不間斷的監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)溫度變化情況，減少了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程的控制，并且通過加入遠(yuǎn)程控制的手段，能夠在發(fā)現(xiàn)參數(shù)差異時(shí)及時(shí)介入，通過遠(yuǎn)程控制和干預(yù)的手段，及時(shí)對(duì)該區(qū)域的系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行指令下達(dá)，在極短的時(shí)間內(nèi)就彌補(bǔ)現(xiàn)有溫度調(diào)節(jié)所存在的問題。可以大幅度解放工作人員，使其有更多的時(shí)間和精力去完善現(xiàn)有系統(tǒng)。在現(xiàn)有的工作崗位上做出更多具有創(chuàng)新意義的行為來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不斷優(yōu)化改進(jìn)。

4 工程實(shí)例

文中所列舉的工程原為工作廠房，后改建為居民區(qū)，安裝有中央空調(diào)供暖系統(tǒng)，且周圍水資源豐富，地下水溫符合地下水源熱泵系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，建筑總面積15376m2，樓層高度39m。包含少量辦公區(qū)域，為改善生活辦公條件，實(shí)現(xiàn)更低能耗的溫度調(diào)節(jié)需求，對(duì)該區(qū)原有的調(diào)溫系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，采用地下水源熱泵系統(tǒng)。

該工程采用管井取水的方式，在供暖區(qū)域新鉆三口水井，平均出水量達(dá)到3200方每天。每一個(gè)水井都可以實(shí)現(xiàn)供水和回灌的雙重功能，保證了在水井投入使用之后，不會(huì)由于頻繁的抽水供水活動(dòng)而造成地下水位的波動(dòng)，最大限度地減少系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)于周邊環(huán)境所造成的影響。并且可以節(jié)約水體占地空間，延長水晶使用壽命，使單個(gè)水井設(shè)備的年使用天數(shù)提高。

機(jī)房水系統(tǒng)主要由水源循環(huán)系統(tǒng)和空調(diào)水源循環(huán)系統(tǒng)兩部分組成。為防止長時(shí)間使用造成淤泥堆積，影響出水口使用效率，還額外設(shè)置兩臺(tái)復(fù)合過濾器，用于定期對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)雜質(zhì)進(jìn)行去除。

5 存在問題分析

近幾年地下水源熱泵系統(tǒng)在我國得到了迅速的發(fā)展，很多具有合適自然條件的區(qū)域都會(huì)選擇該系統(tǒng)作為補(bǔ)充溫度調(diào)節(jié)的存在。在使用過程中，該系統(tǒng)也確實(shí)體現(xiàn)了其環(huán)保，節(jié)能高效的先進(jìn)使用狀態(tài)，但是在利用過程中隨著使用經(jīng)驗(yàn)增長還是發(fā)現(xiàn)了一些問題需要解決。

5.1 地質(zhì)問題

作為地質(zhì)資源的地下水被大量采用投入到地下水泵中，如果在過程中不設(shè)置回灌系統(tǒng)，就會(huì)造成嚴(yán)重后果，例如地下水位開采過多會(huì)導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)應(yīng)力平衡被打破，有可能會(huì)導(dǎo)致地面沉降，地表出現(xiàn)裂縫或塌陷的地質(zhì)情況。我國的江蘇徐州地區(qū)，就是典型的由于地下水開采過度而導(dǎo)致城區(qū)出現(xiàn)多處地下結(jié)構(gòu)沉降的案例。放眼整個(gè)華北平原，包括浙江省，江蘇省，由于這些地區(qū)人口密度大，城市建設(shè)面積廣，城市化時(shí)間長，對(duì)于地下水位開發(fā)利用的時(shí)間和總體規(guī)模都處于較大的水準(zhǔn)。因此這些地區(qū)出現(xiàn)上文所提及的地面塌陷沉降的情況更為普遍，已經(jīng)是一個(gè)嚴(yán)重影響城市地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的重要問題。而且在目前的技術(shù)條件下，還沒有相應(yīng)的措施能夠解決這一問題，因此我們目前能做到的只能通過提前預(yù)防的方式來降低過度開采地下水所導(dǎo)致的各類環(huán)境破壞問題。地面沉降不僅僅會(huì)造成周邊區(qū)域的建筑物使用安全威脅，在臨海城市還有可能會(huì)導(dǎo)致海水或河床倒灌的情況。

這種情況已經(jīng)相當(dāng)明顯。目前各級(jí)政府對(duì)于地下水回灌都有一套具體的量化指標(biāo)，例如河北省對(duì)于地下水回灌至原含水層的比例就達(dá)到了100%，如果各開發(fā)企業(yè)能夠按照政府規(guī)定的比例來回灌地下水，地下水的供給補(bǔ)充就能處于平衡狀態(tài)，即使局部地區(qū)出現(xiàn)地下水位波動(dòng)也不會(huì)造成嚴(yán)重的影響。但在實(shí)際情況下，目前國內(nèi)很多地區(qū)回灌堵塞問題不被重視，還有很嚴(yán)重的滯后拖延情況，導(dǎo)致地下水會(huì)被直接排放到地表，一旦出現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境問題，對(duì)于周邊區(qū)域的正常生產(chǎn)生活將會(huì)帶來災(zāi)難性的影響。雖然各地政府已經(jīng)制定了相應(yīng)的補(bǔ)充意見和實(shí)施方案，但是在具體實(shí)施過程中缺乏部門牽頭，在劃定職權(quán)時(shí)還有部分內(nèi)容，沒有確定具體的責(zé)任人和部門，所以在實(shí)行過程中還是會(huì)存在一些問題。

5.2 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(yán)格意義上的密封系統(tǒng)，回灌過程中的回?fù)P、水回路中產(chǎn)生的負(fù)壓和沉砂池，都會(huì)使外界的空氣與地下水接觸，導(dǎo)致地下水氧化。地下水氧化會(huì)產(chǎn)生一系列的水文地質(zhì)問題，如地質(zhì)化學(xué)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做嚴(yán)格的防腐處理，地下水經(jīng)過系統(tǒng)后，水質(zhì)也會(huì)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(jī)物沉淀，造成系統(tǒng)效率的降低和井的堵塞。

6 結(jié)束語

空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代城市居民生活中為調(diào)節(jié)室內(nèi)生活環(huán)境常常采用的設(shè)備。該系統(tǒng)確實(shí)能夠有效改善使用者的生活環(huán)境，但是過程中也會(huì)造成巨大的能源消耗，如果不采取有效手段進(jìn)行控制，或者是找到其他替代方法，這種高能耗的運(yùn)行方式會(huì)造成嚴(yán)重的能源負(fù)擔(dān)和環(huán)境污染問題。地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在這方面可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)的缺陷。