簡介：在未來的幾年中，中國面臨著巨大的能源壓力。一方面，中國的經(jīng)濟要保持較高速度的增長，另一方面，又必須考慮環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展問題。所以要求提高能源利用效率，要求能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。
關(guān)鍵字：水源熱泵,中央空調(diào),能源結(jié)構(gòu)調(diào)整

　　在未來的幾年中，中國面臨著巨大的能源壓力。一方面，中國的經(jīng)濟要保持較高速度的增長，另一方面，又必須考慮環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展問題。所以要求提高能源利用效率，要求能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。

　　目前隨著我國住宅市場化改革，新建商品住宅小區(qū)飛速發(fā)展，隨著城市環(huán)境問題的日益重視和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，沈陽地區(qū)新建小區(qū)一般就不再運行采用燃煤鍋爐房供熱，何種方式可以經(jīng)濟、清潔地解決這些新建小區(qū)的供熱問題成為目前住宅建設(shè)中的大問題。另一方面，近年來我國住宅空調(diào)安裝率迅速增長。沈陽居民住宅空調(diào)擁有率已超過20％，并且目前家用空調(diào)擁有率仍在飛速增長，很可能成為冰箱、彩電后迅速普及的又一種家電。這樣，住宅環(huán)境就不再僅僅是采暖問題，而是要統(tǒng)一考慮采暖和空調(diào)的需求。為此，采用深井回灌的水源熱泵方式可能成為滿足這種需求的住宅供熱、制冷空調(diào)方式。

一、水源熱泵技術(shù)的概念和工作原理

　　水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽能和地熱能而形成的低溫低位熱能資源，并采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。

　　地球表面淺層水源如深度在1000米以內(nèi)的地下水、地表的河流和湖泊和海洋中，吸收了太陽進入地球的相當?shù)妮椛淠芰�，并且水源的溫度一般都十分穩(wěn)定。水源熱泵機組工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，而冬季，則從水源中提取能量，由熱泵原理通過空氣或水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中。

　　下圖為水源熱泵系統(tǒng)的基本原理。地下水從深井1中抽出進入板式熱交換器3，與樓內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)的水換熱后，再通過深井2排到地下。循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)住宅樓內(nèi)管網(wǎng)送入各戶，經(jīng)各戶的水源熱泵產(chǎn)生熱水（冬季）或冷水（夏季）送入末端裝置，滿足供熱或空調(diào)的要求。

深井回灌水源熱泵原理圖

　　圖中同時標出設(shè)計工況下各處冬季(夏季)的溫度。從圖中可看出，這種方式在冬季是間接地利用地下水作為媒介，取地下深層砂、石的熱量作為各戶熱泵的熱源向戶內(nèi)供熱，同時將建筑物中取得的冷量排入地下。而在夏季則通過地下水作為媒介，以它作為各戶熱泵的冷卻水，同時將建筑物產(chǎn)生的熱量排入地下。這樣冬季從地下取熱存冷，夏季取冷存熱，若建筑物冬季供熱量與夏季供冷量差不多，則一年內(nèi)地下基本熱平衡，未取出或存入熱量，不會造成地下的熱污染。同時，由于冬季地下水溫度遠比室外空氣溫度高，因此冬季熱泵效率比空氣-水熱泵高，并且不存在結(jié)露等問題。夏季則以12～26℃為制冷機的冷卻水，可以得到很高的COP，甚至在某些情況下可直接用此水作為冷源進行空調(diào)，而不用開啟水源熱泵。由于地下水通過換熱器3換熱后排回地下，僅僅利用了地下水的冷量（熱量），而不消耗一滴水資源，地下水的整個流程都不與空氣接觸，因此也不會造成地下水資源的污染。

二、水源熱泵中央空調(diào)技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)

　　水源熱泵技術(shù)（以下簡稱GWHP）的提出始于英、美兩國，美國從20世紀30年代即開始應(yīng)用。1948年俄勒岡州的一位工程師Krocker開創(chuàng)了水源熱泵在商用建筑中的應(yīng)用。20世紀50年代歐洲出現(xiàn)了利用GWHP的第一次高潮。由于當時能源價格低，這種系統(tǒng)缺乏經(jīng)濟競爭力，而未得到推廣。隨著近十幾年來，尤其是近五年來，能源價格的提高，GWHP在北美如美國、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發(fā)展，據(jù)1999年的統(tǒng)計，為家用的供熱裝置中，GSHPs所占比例，瑞士為96％，奧地利為38％，丹麥為27％。

　　中國早在50年代，就曾在上海、天津等地嘗試夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，天津大學熱能研究所呂燦仁教授就開展了我國熱泵的最早研究，1965年研制成功國內(nèi)第一臺水冷式熱泵空調(diào)機。目前，國內(nèi)的清華大學、天津大學、重慶大學、天津商學院、山東建工學院、中國科學院廣州能源研究所等多家大學和研究機構(gòu)都在對水源熱泵進行研究。其中清華大學經(jīng)過多年在多工況水源熱泵的研究已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化的成果，已建成多個示范工程。可以預計，該項技術(shù)將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)。

三、水源熱泵技術(shù)在沈陽地區(qū)推廣的優(yōu)越性

　　1、水文地質(zhì)條件適宜

　　水源是應(yīng)用水源熱泵的前提，水源系統(tǒng)的水量、水溫、水質(zhì)和供水穩(wěn)定性是影響水源熱泵系統(tǒng)運行效果的重要因素。

　　沈陽整個城區(qū)地處渾河沖洪積平原上，含水層主要為粗砂、圓礫及卵石，地下水資源含量豐富，隨著近幾年保護地下水資源力度加大，加上工廠向郊區(qū)遷移，沈陽地下漏斗區(qū)已經(jīng)基本消除�，F(xiàn)在，地下水水位在50-60m之間，埋深5-13m。水溫冬夏恒定保持在12℃，PH值在6.5-8.5之間，地下水水質(zhì)在全國水資源評價中為優(yōu)。沈陽城區(qū)這種獨特的水文地質(zhì)條件，在全國是絕無僅有的，滿足水源熱泵系統(tǒng)運行時對水源“水量充足，水溫適度，水質(zhì)適宜，供水穩(wěn)定”的要求，適合水源熱泵系統(tǒng)在沈陽大范圍的推廣。

　　2、水源熱泵技術(shù)在建筑領(lǐng)域中應(yīng)用的優(yōu)越性

　　水源熱泵作為一種新型的供暖制冷技術(shù)，越來越受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，其在建筑領(lǐng)域中的優(yōu)勢有以下幾個方面：

　�、� 較低的能量消耗。地源熱泵最大的優(yōu)勢是與常規(guī)供熱和制冷空調(diào)系統(tǒng)相比少消耗電能。在適宜的條件下比空氣熱泵系統(tǒng)節(jié)省能源40%以上，比電采暖節(jié)能70%以上。

　　② 改善了建筑外觀。由于沒有室外壓縮機或冷卻水塔，因此破壞建筑外觀的可能性大為降低或消除。

　�、� 較低的環(huán)境影響。比較燃煤鍋爐CO2排放量與用相同燃料產(chǎn)生電驅(qū)動所排放的CO2量，可減少30%-50%，在環(huán)保中將發(fā)揮很大的作用。

　　④ 占地面積少。同燃煤鍋爐房相比，占地面積可減少一半以上，若將熱泵機組放到地下，則不占用地上空間。

四、水源熱泵技術(shù)在沈陽地區(qū)應(yīng)用及存在的問題

　　水源熱泵技術(shù)是從1998年引入沈陽地區(qū)的，比較早的有東電宿舍樓、沈陽自動化所、遼寧科技大廈、醫(yī)大二院等，供暖制冷面積大的10萬m2以上，小的只有2000m2。比較典型的是沈陽自動化研究所，該所建筑面積4.6萬m2，1999年引入水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)用以替代原有的2臺燃煤鍋爐。2002年，冬季供暖152天，夏季制冷100天。全年運行費用為21.33元/m2。全年采暖及制冷節(jié)約費用7萬元。

　　通過考察近幾年來沈陽市水源熱泵的建設(shè)和運行情況來看，由于引進的熱泵機組都是比較成型的技術(shù)，在運行效率及維護保養(yǎng)方面都能夠到達要求。但作為熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一的井群方面，回灌和成井工藝上還存在諸多問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

　　一是在設(shè)計抽、灌井間距時通常參照地源熱泵生產(chǎn)廠家的經(jīng)驗值，忽略了不同地貌單元的水文地質(zhì)因素，井間距設(shè)計過大，對于高密度住宅小區(qū)或城區(qū)商用建筑應(yīng)用深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)來說，由于可利用建筑用地的面積限制，井群無法布置，嚴重影響了水源熱泵系統(tǒng)在沈陽的推廣使用。如醫(yī)大二院水源熱泵空調(diào)井間距過大，回灌井數(shù)量達不到要求，機組運行時，水回灌不下去。沈陽市自動化所也因回灌井無法布開，導致部分建筑無法利用水源熱泵供暖。還有部分用戶為解決回灌問題，直接將水排入下水管道，沒有回灌入地下，浪費了大量的地下水資源。

　　二是成井工藝落后，成井質(zhì)量不好，不僅影響井的壽命，還影響到取水和回灌效果，最終影響水源熱泵正常工作和制熱或制冷效果�，F(xiàn)在沈陽的成井工藝仍然延續(xù)多年前的做法，回灌井采用鋼筋骨架纏絲包網(wǎng)式濾管。這種濾管在使用一段時間以后，作為纏絲的鐵線嚴重銹蝕，管井被阻塞，導致回灌井的回灌系數(shù)、使用壽命都有所下降，制約了熱泵技術(shù)的推廣。

五、我公司解決水源熱泵回灌及成井工藝問題的研究

　　1、抽、灌井群間距的研究

　　由于向地下回灌比取水要困難，因此，可行的方案為打三口井，一口取水，兩口回灌，即抽水井與回灌井的數(shù)量比為1：2。在回灌時，為避免回灌井對抽水井“熱貫通”影響，保持抽水井水溫恒定，三口井間要保證足夠距離，通常為100m以上。若三口井布置為如下圖所示邊長為100m的等邊三角形，抽、灌水量為100m3/h，按熱泵

　　機組運行時，供暖（制冷時需水量要少）10000m2需水量100m3/h計算，則在此場區(qū)內(nèi)用地源熱泵供暖、制冷的建筑面積為10000m2。

　　我公司根據(jù)沈陽地區(qū)的水文地質(zhì)條件，參考國內(nèi)外有關(guān)研究成果，通過具體工程實踐，認為抽、灌井間距縮短到60m是完全可行的，如國府肥牛熱泵抽灌井間距為50m，運行情況良好，未出現(xiàn)抽灌井“熱貫通”現(xiàn)象。地王國際花園抽、灌井群最小間距為60m。這樣同樣是在邊長為100m的等邊三角形區(qū)域內(nèi)，可以布設(shè)取水井2眼，回灌井4眼，能夠為20000m2的建筑面積采暖、制冷。也就是在同樣的場地上，最大限度的增加布設(shè)井數(shù)，解決了由于場地限制因素導致熱泵系統(tǒng)無法應(yīng)用的問題。同時，因為抽、灌井間距縮短，增加了單井回灌量。

　　2、成井新材料新工藝的研制開發(fā)

　　我公司根據(jù)沈陽地區(qū)的水文地質(zhì)條件，研制出鋼筋骨架包塑料板纏絲包網(wǎng)式濾管成井新工藝，該種濾管的優(yōu)點是耐腐蝕，能延長管井使用壽命，重量輕，其規(guī)格與性能均能滿足粗、細顆粒含水層成井之用。與硬質(zhì)塑料濾水管相比，最大的優(yōu)越性就是強度高，能夠抵擋住回灌時強大的過水沖擊力。

　　經(jīng)過近幾年實驗及工程實踐證明，此技術(shù)可以極大的提高井的使用壽命，也得到了水源熱泵空調(diào)用戶的認可，地王國際花園、東大智慧鑫園都指定用我們的技術(shù)。利用這次機會，我們將進一步研究這種濾管的熱傳導性能及滲透能力，并申請專利，促進這項技術(shù)在沈陽的推廣使用。

六、水源熱泵技術(shù)在沈陽的推廣應(yīng)用

　　1、水源熱泵技術(shù)在沈陽推廣的意義

　�、俟�(jié)能、運行費用低

　　由于水源熱泵是以水作為熱源和供熱介質(zhì)的供熱制冷技術(shù)。在運行時，將地下水熱能經(jīng)水源熱泵機組交換熱量后排出再注入地下含水層中去，回灌儲能，以地下水作為冷熱源，冬灌夏用，夏灌冬用。在這一過程中只消耗很少的電能。其制冷、制熱系數(shù)可達3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調(diào)的50～60％。水源熱泵與鍋爐（電、燃料）和空氣源熱泵的供熱系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢。鍋爐供熱只能將90%~98%的電能或70～90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用，因此水源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量；

　�、诃h(huán)保

　　在中國的傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)概念中，由于國家的經(jīng)濟發(fā)展狀況和政策的影響，在相當長的時期中，北方一般以燃煤鍋爐解決冬季取暖問題。水源熱泵在運行時，只是通過地下水的抽取與回灌提取熱能，在整個抽灌過程中，管道是全封閉的，不會對地下水造成污染。比較燃煤鍋爐CO2排放量與用相同燃料產(chǎn)生電驅(qū)動所排放的CO2量，可減少30%-50%，在環(huán)保中將發(fā)揮很大的作用。

　　2、推廣水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用前景

　�、購娬{(diào)節(jié)能環(huán)保，是沈陽市供暖結(jié)構(gòu)調(diào)整，逐步替代燃煤鍋爐房其實可行的方式。

　　供新隨著可持續(xù)發(fā)展和公眾環(huán)保意識的提高，世界和中國能源利用的結(jié)構(gòu)都正在轉(zhuǎn)變，從原有的煤、石油取暖過渡到以天然氣及電等清潔能源。沈陽作為大氣污染較為為嚴重的城市之一，其治理大氣污染的政策中就包括能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，從以煤為主改為天然氣和電力替代能源。但是，替代能源雖然可以部分解決大氣污染的問題，可是天然氣和石油等都屬于不可再生的能源，從可持續(xù)發(fā)展的角度看，必須提高能源利用效率或者尋找可以再生的能源，而水源熱泵機組就是比較理想的一種設(shè)備。

　　②通過回灌水再利用，解決小區(qū)環(huán)境用水問題。

　　隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，居民渴望有一個清水環(huán)繞的居住環(huán)境。但就目前我國的水資源狀況來看，單純的抽取地下水來滿足這一要求是不可取的。而水源熱泵抽取的水可以在回灌之前創(chuàng)造一個水文景觀后，通過處理技術(shù)達到回灌水標準后再灌入地下，就很好的解決了這一問題。按目前的技術(shù)來看，這是切實可行的。

　　水源熱泵技術(shù)的推廣需要政府從可持續(xù)發(fā)展的角度，綜合能源環(huán)保和資源的各個方面的考慮，調(diào)整水源熱泵水源使用的政策，從新確定水源如何管理，才能促使其大規(guī)模的發(fā)展。我們將利用公司的技術(shù)優(yōu)勢，通過與政府有關(guān)部門密切合作，為相關(guān)行政主管部門在制定行業(yè)標準時提供技術(shù)咨詢。為推動全市經(jīng)濟、社會發(fā)展貢獻自己的力量。