辽阳市地下水源热泵供暖制冷技术可行性及其节能研究

柴雅丽

(辽宁省朝阳市引白入朝供水工程建设管理局；辽宁 朝阳 122000)



辽阳市地下水源热泵供暖制冷技术可行性及其节能研究

柴雅丽

(辽宁省朝阳市引白入朝供水工程建设管理局；辽宁 朝阳 122000)

地源热泵可再生能源技术利用地球表面浅层地热资源，利用供暖空调系统实现能量转换，能够充分利用地下水热能资源，实现地热的循环利用，并作为一项可再生能源技术逐渐被各大城市采用和深入研究。本文依托于辽阳市健身大厦采用水源热泵供暧和制冷项目，通过对项目机组的参数(能量和功率等)进行确定和计算，确定了冬季取暖、夏季制冷的需水量和蓄能需水量，对建设项目过程中的取水情况进行了合理性分析；研究了水源热泵技术的五大优点，对电加热、集中锅炉、空气源热泵和水源热泵等供暖方式进行了研究和计算，分析了该项目的用水合理性；通过对水源热泵原理的研究，对气水分离技术、微机调频供水技术、变频技术等进行了分析，对地下水资源环境的保护，减少对区域水环境的影响具有重要指导和借鉴。

地下水源热泵；供暖制冷技术；节能分析；合理性

为实现“建设资源节约型、环境友好型”社会的战略目标，响应我国建设资源节约型、环境友好型社会的提出，积极推广地源热泵可再生能源技术，充分利用地下水热能资源方针，辽阳市重点开展市健身大厦采用水源热泵供暧和制冷项目建设，深入研究地下水源热泵可再生资源循环利用研究，对于全面落实科学发展观，不断提高资源环境保障能力，实现地区经济健康、快速发展具有重要意义[1-2]。

1 水源热泵机组概述

随着我国可持续发展战略的实施，公众对环保的意识逐渐加强，如何实现取暖方式的可持续健康绿色发展已经成为21世纪建设工程取暖的重要问题。伴随着世界和中国能源利用结构的逐渐转变，我国已经从原有的煤、石油取暖方式逐步过渡到以天然气、电能等清洁能源为主的替代能源取暖方式[3]。然而，对于煤炭、石油、天然气等资源，一方面对目前已经严重污染的大气环境产生进一步的污染，另一方面，这些能源不可再生，极易导致“用一点少一点”的资源短缺局面，极大的影响经济和社会的迅速发展。此外，鉴于我国可持续发展战略的实施产生不良影响。因此，采用新技术、新设备，提高现有能源的利用效率，积极寻找可再生资源已经迫在眉睫。

水源热泵机组作为一种比较理想的新设备在建设项目中逐渐得到应用。水源热泵系统采用的是地下水资源的循环、密封、可再生优势，密封的水环境既避免了对地下水资源的消耗和污染，又解决了水冷却塔的污染现象，有利于环境保护和健康发展[3]。其次，水源热泵采用中央空调集中供暖，不会产生煤炭燃烧、烟气排放、燃料堆放、污染气体排放等污染，替代了锅炉燃烧等传统的取暖方式，避免了城市热岛效应的产生，有利于环境的绿色、健康和可持续发展[4]。另外，机组结构特殊，采用技术先进，制冷机方面较传统取暖方式减少25%，对环境的影响较小，既节能又具有较大的经济价值。

2 辽阳市地下水资源量

根据辽阳市水文勘察资料可知：该地区多年平均地下水资源量能够达到21 939万 m3，而地下水的开采量为18 540万 m3，可以满足地下水资源的开采和利用情况。通过研究确定该建设项目的取水区为太子河冲积扇地段，该区段地下水水量充沛，循环流动性较好，取水后可以快速实现水资源补给，满足该建设项目的取用水要求。通过研究可知，该建设项目所在区域地下水资源情况较好，对于国家和地区的有关产业政策的实施相一致，项目的设计取水方案合理性和适用性较好，满足辽阳市经济发展，同时也符合产业发展计划和政策，对于国家实现保护环境、节约能源以及健康、绿色和可持续发展具有重要意义。

表1 项目机组参数统计表

本项目设计采用四台机组进行取水量计算，各机组参数见下表1所示。分别计算冬季取暖、夏季制冷的需水量和蓄能需水量，计算方法和计算结果见表2所示。

表2 夏、冬季制冷需水量和蓄能需水量计算方法和计算结果统计表

3 水源热泵技术特点

水源热泵机组通过抽水井群取用地下水，进行二次换热或者是将取出的地下水送至地源热泵机组，在机组内进行热量释放或者循环后，通过回灌井群将地下水运输到地下含水层[5]。在地下水源的循环过程中，仅仅是在封闭、循环的系统内对水源能量的利用，因此，与空气及其其他物质不存在任何接触。地下水在循环过程中不存在污染和浪费，也不产生对地下水环境的不利影响[6]。水源热泵技术的优点包括：

3.1 清洁环保

对地下水资源实现自动化、智能化应用，避免了传统方式产热过程中废水、废气、废渣、耗能等造成的污染，同时也减少了粉尘、颗粒和霉菌传播途径，具有绿色、环保、清洁等重要作用。

3.2 节水省地

通过地下水的循环实现能量的吸收和释放过程，不会对水资源产生浪费和消耗，也不会造成水资源的污染。地下水是可再生清洁能源，水源热泵系统的使用，节省了煤厂、锅炉、冷却塔以及煤炭、电机组等占用的土地面积。

3.3 经济高效

新技术的应用可以实现能源利用率的极大提高，该系统的能源利用率是传统锅炉及其电能取暖方式的三到五倍。在经费投入方面，初期投入为其他方式(特别是其他中央空调)的60%，既高效又经济。

3.4 简便安全

实现了“一机两用，灵活配置”。通过利用地下水资源能够满足夏季和冬季供暖不停，实现冬供热、夏供冷。机组配置较灵活，即使在小的空间也可以根据具体情况进行配置。此外，该系统自动化、智能化程度高，不存在储煤、储油、电机组等安全隐患，现场操作简单，不需要专业人员即可完成操作。

3.5 适用广泛，运行可靠

系统适用范围广，不受气候、地域的影响，并对于各类建筑物都能适用。系统的运行稳定可靠，受环境影响较小，安装维护简单。一般情况下，主机运行使用寿命可达到15～20 a[7]。

在常用的供暖方式中，水源热泵的最高可达1.4，具体见表3所示。

表3 供暖方式能量利用系数统计

通过以上分析和表3可知：水源热泵技术对地下水基本不会产生污染，地下水的消耗也只是仅限于在循环过程中的水量损失，整个系统不损耗地下水量。随着的不断增大，运行过程所需要的费用越低，产生的经济和社会效益也越显著。综上所述，该建设项目的用水设计过程合理、科学，资源耗散较少，能够实现可持续发展的要求。

4 水源热泵工作原理与节能分析

水源热泵系统简单说是通过地下水实现能量的循环利用过程。夏季，由于地下水水温低，系统可以将建筑物的热量转移到地下水中，实现热量的快速转换，降低建筑物的温度；冬季，建筑物则可以通过水源热泵系统从地下水中吸水热量，经过温度提升后作用于建筑物，通过热量转换和传热过程后，循环中的地下水又可以重新回流到地下含水层，实现封闭式循环集中供暖[8]。根据初步计算可知：一般情况下，水源热泵系统作用下消耗1 kw的能量，可以实现4 kw以上的建筑物和地下水之间的热量交换，并且热量在转换过程中，地下水仅仅是作为热(冷)源，不会发生地下水资源产生消耗、浪费或污染的情况。

水源热泵系统具有节能、节水等优势：在取水换水方面，采用气水分离技术能够实现等量、循环、封闭式取水换水，由于其系统的封闭性实现地下水循环过程中的最大可能节水，减少了地下水资源的浪费和消耗；在自动化水文控制方面，引进计算机调频供水技术，实时根据建筑物和地下水温差对系统内的水量进行控制，实现智能化和自动化；在能量耗散方面，对潜水泵设置采用变频控制方式，并与机组相互连接，通过机组控制机组的负荷与水泵的取水量，保持潜水泵抽取水量与满足机组所需水量[9-10]。通过一系列的自动化研究和控制，水源热泵系统一方面可以减少潜水泵使用过程中过度的能量消耗，节省电能和地下水，另一方面还能够减少过多地下水的获取造成的水资源浪费和污染现象，最大程度的保护地下水资源，避免对区域水环境的不必要的影响。

5 结语

(1)地源热泵技术作为一种可再生能源技术已逐步在城市供暧和制冷等建设项目中展开应用。通过对辽阳市健身大厦水源热泵供暧和制冷项目进行研究，对空调机组1、空调机组2、游泳馆蓄能机组3和训练馆蓄能机组4的计算参数进行了确定和计算，通过对比辽阳市地区平均地下水资源量和地下水资源可开采量情况，对整个建设项目中的取水情况进行了合理性分析。

(2)研究了水源热泵技术的五大优点：环保洁净、节水省地、经济高效、简便安全、适用广泛和运行可靠，对电加热、集中锅炉、空气源热泵和水源热泵等供暖方式进行了计算，分析了该项目的用水合理性。

(3)通过对水源热泵原理的研究，对气水分离技术、计算机调频供水技术、变频技术等进行了阐述。该可再生资源技术对地下水资源环境的保护，减少对区域水环境的影响具有重要的经济和社会意义。

[1]邱洋. 水源热泵项目取用地下水分析——以抚顺百货大楼为例[J].水利规划与设计.2016, (09): 48-50.

[2]曹彬. 潍坊地区地下水源热泵应用的影响及适宜性分区研究[D].济南：济南大学.2012.

[3]全占东. 辽阳市地下水资源变化趋势模拟与预测研究[J].水利规划与设计.2016, (09): 51-54.

[4]费文. 地源热泵系统应用须理智对待[J].供热制冷.2013(04): 49-50.

[5]黄景锐. 西安市浅层地温场分布特征及其变化分析[D].长安：长安大学.2013.

[6]姜秋耘. 地源热泵抽灌井数值模拟及计算机辅助软件开发[D].大连：大连交通大学.2011.

[7]陆肖. 基于满意PID控制的水源热泵系统节能应用研究[D].西安：西安建筑科技大学.2011.

[8]马金涛. 长春市区浅层地温(热)能资源适宜性分区研究[D]. 吉林：吉林大学.2013.

[9]邵沁源. 煤矿水源热泵中央空调集散控制系统研究[D].安徽：安徽理工大学.2015.

[10]吴烨. 浅层地热能开发的地质环境问题及关键技术研究[D].北京：中国地质大学.2014.

2017-03-03

柴雅丽(1969-)，女，辽宁建平人，工程师，主要从事水利水电工程建设和管理工作。

P314.1

A

1004-1184(2017)02-0033-02