水源热泵在地热供暖工程中的应用简介-机械论文发表

摘要：水源热泵具有节能、经济、运行可靠等特点。水源热泵空调系统的应用范围正在逐步扩展，如何在地热供暖工程中利用水源热泵技术。把地热直接供暖后的地热尾水热量提出来既减少了热污染又增加了供暖面积。经济效益也非常好。
关键词：地热；水源热泵；供暖；应用
一、概述
众所周知，在当今社会，环境污染和能源危机严重地威胁着人类的生存与发展，如何理解这一问题已成为全人类的头等课题。在这种背景下，以环保和节能为特征的绿色建筑和与之相应的空调系统应运而生。而热泵系统正是满足这些要求的中央空调系统之一。
水源热泵具有节能、经济、运行可靠等特点。目前，国内已有多家水源热泵的专业生产厂，水源热泵空调系统的应用范围正在逐步扩展。
水源热泵技术可利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，即通过少量的高位热能的输入，把不能直接利用的低位热能转化为可以利用的高位能，从而达到节约部分高位能的目的。
另外，地热做为一种清洁能源用于采暖，在我国北方城市发展迅速。但是地热供暖后普遍存在着排放温度过高的现象，针对这一问题开发利用高温或中高温热泵技术，既解决了热污染问题，又增加了供热面积，可谓一举两得。
在国外，水源热泵技术已经相当成熟；在我国，对于水源热泵技术的研究也已经起步，尤其近些年水源热泵技术在工程中的应用已经取得了很多的设计运行经验，而且无论是热泵机组还是热泵技术都在不断的改进和提高。
二、水源热泵的特点
水源热泵基本上克服了空气源热泵的缺点，并且具有如下的特点：
⑴ 属于可再生能源利用技术
水源热泵是具备了利用地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。其中可以利用的水体，包括地下水或河流、地表部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散地相对地均衡。这使得利用储存于其中地近乎无限地太阳能或地能成为可能。所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。
⑵ 便于计量和收费
空调用电负荷在用户位置，因此便于空调的计量与收费。这对于用户合理使用空调系统，节约空调系统的能耗，公平、公正、公开地摊派空调运行管理是很有利的。
⑶ 运行安全可靠
水源热泵机组的空调系统是可以基本保证全年按用户的需要开启空调系统，特别是春秋空调过渡季节均能运行，也就相当于四管制空调系统。一般，水源热泵供、回水的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。水体夏季作为空调的冷源，冬季作为空调的热源，水体温度较恒定的特性，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。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。
⑷ 高效节能
水源热泵机组可利用的环境水体温度冬季为12－22℃，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体为18－35℃，水体温度比环境温度低，所以制冷的冷凝温度降低，机组效率提高。据美国环保署EPA估计，设计安装良好的水源热泵，利用江河湖水等，供热制冷空调的运行费用可降低30－40％。
⑸ 灵活应用
有的建筑物内，特别在过渡季节，部分区域需要供冷，部分区域需要供热，水源热泵可以同时供冷和供热，可以实现建筑内冷热量的转移和平衡，从而系统少用能源。
⑹ 环境效益显著
水源热泵使用的是电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗的是一次能源，其所产生的污染物和二氧化碳等气体会对周围的环境产生影响。所以节能实际上也是减少了污染。
三、水源热泵系统的管路设计
水源热泵空调系统的设计与施工是一项系统性工作，需要从多方面来分析这一工程的特点。
1. 水源热泵系统管路设计的特点
水源热泵的管路设计相对于空气源热泵来说，具有明显的特点，主要体现在以下几点：
⑴ 开、闭式两种形式的转换
水源热泵系统通常由开式（夏季）和闭式（冬季）一套管路两种形式，季节转换，即开、闭式系统形式的转换。
① 夏季利用开式的原因，开式冷却塔远比闭式冷却塔便宜，如采用板式换热器，则多了一套水循环系统。另外，往板式换热器的冷却水往往达不到热泵机组进、出水设计温度的要求。但是闭式冷却塔可以保证水质不受污染，所以采用开式冷却塔时要注意水的除垢问题。
② 季节转换，可通过管路系统中合理设置的阀门进行切换。
⑵ 管径的确定
水系统管路各管段管径的确定，在水力计算中，应按夏季工况考虑，（指长江流域等冬冷夏热地区）因为夏季的水流量远大于冬季工况。应计算出合理的管径，这样即可以避免管材的浪费，又可以使初投资降低，节约资金。
⑶ 同程式系统
设计时，水环路尽可能地采用同程式系统，这样初投资费用虽然有所增加，但有利于保持环路的阻力平衡，这样空调系统运行效果更加良好。
2. 水源热泵系统中的构件布置
水泵一般布置于辅助设备（如冷却塔、锅炉等）和水源热泵机组之间，这样布置可使机组的供水管处于水泵的压水段，而补给水管处于水泵的吸水段。
水源热泵系统中，水管路系统的设计与施工非常重要。一般来说，系统配件管路的造价在整个系统总造价中所占比例很大，因此需尽可能合理地布置管道。
四、水源热泵在地热工程中的应用
1. 热泵设计选型
山东聊城某工程供热面积13.3万平米，地板采暖，采暖设计负荷5120kW。地热可提供热量1745kW,热泵调峰热量3375kW，调峰设计负荷比65％。设计选用两台常温型热泵机组，设计工况下制热量分别为1670kW和1740kW。
2. 热泵调峰系统设计
常见的热泵供热工程利用水源均为浅井水，浅井水水源温度稳定，水质较好，能直接进入热泵系统利用；但该工程的特点是现场有地热井，一级供热后地热尾水温度较高，流量大，直接排放不仅会造成一定的热污染，而且对地热资源的利用率也较低。因此为提高地热利用率，该系统设计利用地热尾水做为水源热泵机组的水源，热泵机组用于地热供暖系统调峰。
地热尾水一般均具有腐蚀性，需加装换热器才能与热泵机组连接，而且地热尾水的温度和流量也会受到地热采暖系统的影响，随着运行工况而变化。
由厂家进行选型设计，两台机组蒸发器侧并联，冷凝器侧串连，设计工况下蒸发器进出口温度18/11℃，冷凝器进出口温度38.7/44/50℃。
3. 工程环保及节能性
地热作为一种洁净环保的新能源，越来越多的应用于人们日常的生产、生活中，已经成为补充或替代常规能源（如煤、石油、天然气等）的优良能源形式。充分合理地开发利用好地热资源，不仅具有社会和环境效益，更能带来可观的经济效益。
该工程项目供热基础热源为地热，调峰热源选用水源式热泵。热泵机组通过输入少量的电能，从低温热源进一步提取热量供至用户，能源利用方式环保无污染，是典型的环保供热工程项目。
提高地热利用率另一个途径是降低地热水排放温度，该项目即是利用热泵设备实现了这一目的。热泵是消耗高品位能源—电能，将低品位热能转换为较高品位热能的节能装置，高效、节能、环保是其突出的优点。热泵用在地热水供热系统中，可以从放热后低温的地热尾水中再次取热，使地热尾水再次降温，达到较低的排放温度，从而充分利用地热资源。
参考文献：
1　徐伟，等译，朗四维，校.地源热泵工程技术指南.北京：建筑工业出版社，2001
2　丁卫东，袁鲁滨.水源热泵技术在供热空调工程中的应用.节能，2002（5）