水源熱泵原理

1、地下水源熱泵的特點和地下工程問題地下水源熱泵的工作原理地下水源熱泵系統(tǒng)是一種新型節(jié)能環(huán)?？照{(diào)系統(tǒng)，利用地下水溫度穩(wěn)定的特點，抽取地下水到地面以上，與建筑物 內(nèi)的空氣進(jìn)行熱交換，然后再回灌到含水層，形成循環(huán)，因此又被稱為開放式循環(huán)系統(tǒng)（Open loop system1）。與 深層地?zé)衢_發(fā)不同，地下水源熱泵主要開發(fā)埋深在200 m以內(nèi)的淺部含水層，相對運行成本較低?？諝鉄岜?、地表 水熱泵和土壤熱泵的媒質(zhì)溫度隨季節(jié)變化強(qiáng)烈，而地下水溫度十分穩(wěn)定，因此地下水源熱泵具有更高的熱效率，可 大大減少燃料或電能消耗。隨著全球能源形勢日趨緊張，這種節(jié)能環(huán)保型的空調(diào)技術(shù)在建筑領(lǐng)域受到推崇，在世界 各地被推廣應(yīng)用

2、。圖1地下水源熱泵系統(tǒng)示意圖按照地下水抽取和回灌的井孔組合特征，地下水源熱泵系統(tǒng)可分為異井抽灌系統(tǒng)和同井抽灌系統(tǒng)（圖1），其中采用 較多的是異井抽灌系統(tǒng)。對于異井抽灌系統(tǒng)，回灌井和抽水井可以輪換，即如果夏季是開采井，冬季可變?yōu)槌樗?另外有一種單井抽灌的熱泵系統(tǒng)，是把冬季的低溫水注入含水層保存（并不抽取地下水），然后夏季在同一口井中 抽取貯存的低溫水以降低建筑物室內(nèi)溫度（并不回灌）。這種冬灌夏抽或夏灌冬抽的熱泵系統(tǒng)又被稱為含水層貯能 2（Aquifer Thermal Energy Storage）系統(tǒng)。地下水源熱泵系統(tǒng)和含水層貯能系統(tǒng)并不是要直接利用地?zé)崮?，而是把?水層作為天然的保溫箱，

3、進(jìn)行地表熱能的時空調(diào)節(jié)。反映熱泵系統(tǒng)節(jié)能程度的指標(biāo)是效率系數(shù)COP（Coefficient of Performance），其表達(dá)式為COP=熱交換量/能耗=（制冷量或制熱量）/設(shè)備功率（1）COP越大，說明熱泵系統(tǒng)越節(jié)能。一般空氣源熱泵的COP為2.23.0，而水源熱泵的COP可以達(dá)到3.55.5，上匕 空氣源熱泵節(jié)能40%左右。對于具有固定熱負(fù)荷的建筑物，使用不同熱泵系統(tǒng)消耗的能量具有直接比較意義，但是 夏季耗能和冬季耗能存在區(qū)別。Willemsem（1998）根據(jù)歐美的經(jīng)驗給出了不同熱泵不同季節(jié)的能耗對比結(jié)果3（表 1），說明地下水源熱泵系統(tǒng)在夏季制冷方面具有更大的節(jié)能優(yōu)勢。與傳統(tǒng)空調(diào)系

4、統(tǒng)相比，地下水源熱泵不僅可以減 少電力消耗，還可以減少溫室氣體排放以及制冷劑的消耗，節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢兼?zhèn)?。?不同熱泵系統(tǒng)不同季節(jié)的能耗經(jīng)驗值3*熱演類型做魏稅能GJ）制冷It能（GJ）廿裁值ht仲統(tǒng)空調(diào)系餡42352667/開放式地下水源熱泉200U160U3302冬季使川傳統(tǒng)空調(diào)fiW| KT-以季便用地卜冷庫f冬潘W抽）1 So f夏季使用地一卜-;十庫J CAI冬季使用地下水源惠泵4UV說明：*假設(shè)建筑物冷熱負(fù)荷均為3600 GJ發(fā)展動態(tài)地下水源熱泵是地源熱泵系列技術(shù)中的一種類型，而地源熱泵的研究和應(yīng)用有近100年的歷史。1912年，瑞士人 Zoelly提出“地?zé)嵩礋岜谩钡母拍?，為發(fā)明地

5、源熱泵系統(tǒng)做好了理論準(zhǔn)備。但是，直到1945年才在美國印第安納州誕 生了第一臺地源熱泵裝置。1948年，在美國俄勒岡州波特蘭市的聯(lián)邦大廈，第一個完整的地下水源熱泵系統(tǒng)正式投 入運行。1970年代，歐洲開始推廣應(yīng)用地源熱泵，并逐漸形成以地下冷庫為特色的地源熱泵技術(shù)體系。1990年代， 包括地下水源熱泵在內(nèi)的地源熱泵技術(shù)在世界各地快速發(fā)展。美國的地源熱泵技術(shù)開發(fā)早，但也是在1990年代才開始迅速發(fā)展的。美國地源熱泵的年增長率在1990年2000 年達(dá)到12%，目前大約有60萬套，每年新增大約5萬套。在美國以及加拿大等北美國家，大型建筑使用地源熱泵 技術(shù)時主要選擇地表水源熱泵或開放式循環(huán)地下水源熱泵

6、系統(tǒng)，不過出于對地下水資源的嚴(yán)格保護(hù)制度，地下水源 熱泵的推廣受到很大限制，迫使住宅和小型商用建筑主要采用封閉式循環(huán)系統(tǒng)（埋管式地源熱泵）。中北歐的荷蘭、瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用含水層貯能系統(tǒng)。其中，荷蘭（Netherlands）不僅有發(fā)達(dá) 的地下冷庫（Aquifer Cold Storage System），而且地下水源熱泵的回灌技術(shù)和監(jiān)控系統(tǒng)也相當(dāng)成熟。荷蘭修建了 200 多座含水層季節(jié)性貯能系統(tǒng)，主要用于商場、醫(yī)院和辦公建筑，冬季灌入地下的水溫一般為69 C，夏季灌入地 下的水溫一般為1525 C,單井流量10250m3/h。這種含水層季節(jié)性貯能系統(tǒng)多數(shù)都是抽灌井冬夏輪換的

7、地下水 源熱泵系統(tǒng)。我國接觸含水層貯能技術(shù)和地下水源熱泵的時間并不晚，也經(jīng)歷了半個多世紀(jì)的研究和應(yīng)用。1950年代，上海、天 津等地就開始嘗試?yán)孟某槎嗟姆绞叫纬珊畬永鋷?。天津大學(xué)呂燦仁教授帶隊于1965年研制成功國內(nèi)第一臺 水冷式熱泵空調(diào)機(jī)。1997年，美國能源部和中國科技部簽署能源效率及可再生能源合作議定書，“地源熱泵”是其中 一個重要內(nèi)容，計劃在中國的北京、杭州和廣州3個城市各建一座采用地源熱泵供暖空調(diào)的商住建筑或工業(yè)建筑。 與此同時，歐洲的地下水源熱泵技術(shù)也開始引進(jìn)到國內(nèi)。2000年以來，地下水源熱泵在以北京為代表的一些城市得 到大力推廣。北京市主要利用的是埋深4080m、溫度為1

8、5 C左右的淺層地下水，一套地下水源熱泵系統(tǒng)的供熱 面積多在2萬m2以上，例如：2002年亞運村天創(chuàng)世緣大廈的地下水源熱泵服務(wù)面積達(dá)到17萬m2,有3個抽水井， 4個回灌井；2004年馨港莊園的供熱面積56萬m2,抽水井多達(dá)32個。主要地下工程問題地下水源熱泵在技術(shù)上是相對成熟的，建筑領(lǐng)域?qū)ζ涞孛鏅C(jī)組設(shè)備、換熱效率和經(jīng)濟(jì)價值都具有比較一致的認(rèn)識。 但是，地下水源熱泵系統(tǒng)的實際推廣應(yīng)用還面臨一系列地下工程問題，如果處理不善，可能在長期運行過程中誘發(fā) 和積累一些對地質(zhì)環(huán)境不利的影響，需要我們慎重對待。只要科學(xué)進(jìn)行地下水源熱泵的水力學(xué)設(shè)計、熱力學(xué)設(shè)計和 環(huán)境保護(hù)設(shè)計5，再輔之以有效的監(jiān)管，這些地下工

9、程問題也是可以解決的。3.1 地下水資源保護(hù)問題在地下水的各種資源屬性中，作為飲用水或灌溉水的水源是首要的，這一點對我國北方地區(qū)尤為突出。由于地下水 源熱泵不可避免的對地下水造成了擾動，如何在推廣這種技術(shù)的同時又不損害地下水資源，是一個首先必須解決的 問題。地下水源熱泵的設(shè)計首先要保證充分回灌，避免耗費地下水的水量。這種熱泵系統(tǒng)的初衷只是把地下水抽到地表進(jìn) 行換熱，并不試圖耗費地下水的水量，然而一旦回灌不足就會使地下水被消耗，大規(guī)模的地下水源熱泵工程如果回 灌不足可以引發(fā)地下水位的持續(xù)下降?；毓鄬儆诘叵滤斯ぱa(bǔ)給技術(shù)4，已有的研究表明，地下水人工補(bǔ)給比地下 水的抽取更困難。判斷異井抽灌地下水源

10、熱泵系統(tǒng)的回灌能力，可以使用單井回灌率作為指標(biāo) R=（抽水流量/抽水井?dāng)?shù)）/（回灌流量/回灌井?dāng)?shù)）（2）根據(jù)地下水深井回灌的大量經(jīng)驗，R 一般只有1/32/3。實際單井回灌率R不僅與回灌方式、抽灌井距離、井孔結(jié) 構(gòu)和地下水背景埋深等因素有關(guān)，而且往往具有隨時間衰減的趨勢。對于回灌方式，真空回灌或自流回灌適用于地 下水埋深較大的情況。如果承壓含水層回灌困難，需要進(jìn)行加壓處理，這種加壓回灌會增加地下水源熱泵的材料和 能量耗損?；毓嗄芰﹄S時間下降的原因主要是井壁和井周含水層發(fā)生堵塞。確保井孔施工質(zhì)量、經(jīng)常洗井回?fù)P、抽 灌井輪換等管理手段可以延緩或杜絕堵塞的加重過程。回灌能力衰減是一個較長時間運行才能

11、發(fā)現(xiàn)的問題，通過短 期的回灌試驗難以判斷，因此僅僅利用場地施工期間的井孔試驗來進(jìn)行抽灌井設(shè)計是不合理的。抽灌井的數(shù)量和空 間分布必須確保系統(tǒng)能夠長期的充分回灌。地下水源熱泵還要避免造成地下水的污染。施工填料、井孔管材的腐蝕、井壁微生物繁殖、加酸洗井等過程可能把 一些降低水質(zhì)的化學(xué)物質(zhì)帶入地下水。有些地下水源熱泵系統(tǒng)的管路密封不足，加上回?fù)P、負(fù)壓和沉砂池等因素， 會把空氣引入地下水，導(dǎo)致地下水具有更強(qiáng)的氧化環(huán)境，可能發(fā)生不利的化學(xué)演變。另外，地下水溫度的大幅度變 化，也有可能使地下水中某些對溫度敏感的化學(xué)物質(zhì)或物理化學(xué)反應(yīng)過程發(fā)生變化。小規(guī)模的和分散的地下水源熱 泵一般不會嚴(yán)重影響地下水的水質(zhì)，

12、但大規(guī)模的密集的熱泵系統(tǒng)需要注意地下水環(huán)境的受害風(fēng)險。3.2熱短路問題抽水井周圍地下水溫度的穩(wěn)定性是維持地下水源熱泵效能的關(guān)鍵，它應(yīng)該與地表環(huán)境溫度保持較大的溫差。矛盾之 處在于，回灌行為不可避免的會抬高或降低回灌井周圍的地下水溫度，這種溫度的變化將隨著時間的推移擴(kuò)展到抽 水井周圍，可能在熱泵運行期間導(dǎo)致“熱短路”。根據(jù)工程經(jīng)驗，抽灌井的溫差如果小于5 C,地下水源熱泵的效能 將大大降低，可以作為判斷熱短路的參考依據(jù)。因此，地下水源熱泵的設(shè)計需要將回灌井對抽灌井的溫度影響減小 到可接受的水平。抽灌井之間溫度場的形成主要存在3種物理機(jī)制：(1)對流傳熱，即地下水流動時攜帶熱質(zhì)一起遷移；(2)彌散

13、傳 熱，即地下水流速微觀不均勻性引起熱質(zhì)的水動力學(xué)彌散；(3)直接熱傳導(dǎo)，通過含水層介質(zhì)顆粒與地下水的分子 振動傳熱，滿足傅里葉(Fourier)定律。當(dāng)含水層透水性和抽灌井循環(huán)流量很大時，溫度場的演變主要受對流傳熱的 控制。如果以回灌井高溫水或低溫水對流鋒面驅(qū)動到抽水井作為判斷熱短路的標(biāo)準(zhǔn)，則對井抽灌條件下發(fā)生熱短路 的時間tc為tc=(4ndnL2)/(3Q) (3)其中：Q為循環(huán)流量，d和n分別為含水層的厚度和孔隙度，L為回灌井與抽水井之間的距離。為了確保熱泵季度 運行期tc不發(fā)生熱短路，則抽灌井的最小間距應(yīng)達(dá)到Lc - J30 協(xié))可見抽灌井臨界距離隨著循環(huán)流量的增加而增大，隨著含水層

14、厚度的增大而減小。考慮到彌散傳熱和直接熱傳導(dǎo)的 影響，抽灌井的實際臨界距離比式(4)計算的還要小，多數(shù)情況下在30m以上。地下水的回灌能力是隨著抽灌井間距的縮小而增加的，但防止熱短路需要盡可能大的抽灌井間距，兩者相互矛盾， 可以采用優(yōu)化設(shè)計方法確定。3.3巖土層形變問題地下水源熱泵的運行也有可能導(dǎo)致不均勻的地面沉降。貯存淺層地下水的含水層往往是松散的、未固結(jié)或弱固結(jié)的 第四紀(jì)沉積物，作為熱泵目標(biāo)層的砂層通常夾在粘性土層之間，砂層內(nèi)部也時常含有粘性土夾層。這種粘性土層壓 縮性大，在地下水位下降時發(fā)生壓縮形變，如果受影響的粘性土層厚度較大，可誘發(fā)明顯的地面沉降。充分回灌的地下水源熱泵并不會使整個場

15、地的地下水位下降，但抽水井附近可形成顯著的地下水漏斗。如果在熱泵 井的埋深范圍粘性土層很發(fā)育，抽水井附近可產(chǎn)生附加地面沉降，而回灌井附近則幾乎沒有巖土層變形。這樣場地 內(nèi)會有不均勻地面沉降，對建筑物是有一定風(fēng)險的。回灌不足的地下水源熱泵如果長期運行，有可能形成較大范圍 的地下水漏斗并誘發(fā)場地整體地面沉降。目前，國內(nèi)外還沒有地下水源熱泵誘發(fā)地面沉降的案例報道，這說明從工程經(jīng)驗上看地下水源熱泵一般不會引發(fā)巖 土層的嚴(yán)重變形。然而，原則上講地下水源熱泵不宜在軟弱粘性土層十分發(fā)育的地方使用。3.4地下冷熱島效應(yīng)通過地下水源熱泵的運行，人類可以把地表高溫環(huán)境或低溫環(huán)境部分轉(zhuǎn)移到地下巖土層這樣的“保溫箱”

16、中，從而使 建筑物室內(nèi)保持舒適溫度。由于這個“保溫箱”體量具大，小規(guī)模的、局部的和短期的熱量轉(zhuǎn)移只會引起難以察覺的 變化。然而，地下巖土層貯存熱量的能力也是有限的，如果長期的、大規(guī)模的、大范圍的把地表熱環(huán)境轉(zhuǎn)移到地下， 可以使地下環(huán)境顯著偏離原有的平衡狀態(tài)，局部地下空間越來越熱形成熱島，或越來越冷形成冷島。如果地源熱泵夏季輸入到地下的總熱量和冬季從地下吸取的總熱量保持相等，那么從年周期的角度來說地下空間的 熱流仍然是平衡的，只產(chǎn)生季節(jié)性的冷熱島，不會形成長久的熱島或冷島。然而，在絕大多數(shù)地區(qū)，建筑物的夏季 冷負(fù)荷與冬季的熱負(fù)荷需求并不平衡。若一個年周期內(nèi)輸入地下的熱量過多，地下空間的年平均溫度將逐漸升高， 產(chǎn)生熱島效應(yīng)；否則產(chǎn)生冷島效應(yīng)。地下冷熱島效應(yīng)會使地下水源熱泵的效率逐漸降低，只要