水源热泵技术
刘明君
[摘 要]在我国建筑能耗占总能耗的27%以上，而且还在以每年1个百分点的速度增加，其比例将快速上升到33%以上。随着我国城镇化水平的不断提升和人民生活质量的不断提高，空调采暖能耗也在急速增长，据有关数据显示空调能耗将占建筑能耗50%左右，即全社会总能耗的大约15%用于空调和采暖。水泵由于其特殊的工作环境，常年与水流直接接触。冬季北方地区寒冷气温可达到零下25℃，夏季零上40℃左右。这严重的考验了水泵机组的工作性能，如何保证水泵机组冬季防冻，夏季避免过热而影响工作迫在眉睫。以往的做法是在泵站泵房里加设传统的空调及排风措施，保证夏季温度高时空气流通并提供冷气，冬季气温低时安装锅炉暖气制热。降温和防冻设施的能耗较高，造成水利生产成本上升。
[关键词]水源热泵 泵站 节能降耗 经济效益
中图分类号：TV213.9 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2017）19-0034-02
水利工程一般为重大基础设施工程，一旦建成不可轻易更改最初设计，因此能耗问题往往不是被排在第一位。本文主要探究针对目前现有泵站中，冬季采暖夏季降温往往采用电力设施，造成能耗过大的现象进行分析，并提出建立水源热泵系统来降低能耗。
一、水源热泵系统的基本原理
水源热泵技术是利用地球表面浅层地热资源（如地下水等吸收的太阳能和地热能而形成的低品位热能），基于热泵原理，通过输入少量的高品位电能，实现低品位热能向高品位热能转移的一种技术。水源热泵中央空调系统是一种既可供热又可供冷的高效节能型系统。它是由用户系统、热泵主机系統、水源系统三部分组成。水源热泵中央空调系统组成示意见图1。
用户系统（室内空气处理末端等）：由用户侧水管系统，循环水泵，水过滤器，静电水处理仪，各种末端空气处理设备，膨胀定压设备及相关阀门配件组成。
热泵主机系统：由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、各种制冷管道配件和电器控制系统等组成。
水源系统：由水源取水装置、取水泵、水处理设备、输水管网和阀门配件等组成。
水源热泵中央空调系统可以实现冬季供热、夏季供冷多功能工况。
（1）在冬季，为用户供热时，水源中央空调系统从水源中提取低品位热能，通过电能驱动的水源中央空调主机“泵”送到高温热源，以满足用户供热需求（图2）。
（2）在夏季，水源中央空调将用户室内的余热，通过水源中央空调主机转移到水源中，以满足用户制冷需求。水源热泵中央空调系统冬夏运行工况示意见下图。
二、水源热泵系统建立重要环节的设计与计算
1、钻遇井深、水温、水量预测
本次选取第Ⅲ含水组作为开采目的层，底界埋深为250～280m，设计取水段（170～280m）平均温度依据下式进行推算：
（5-1）
式中：Tg-----取水段平均温度（℃）；
D1-----取水段中点埋深（设计取220m）；
Gi-----盖层平均地温梯度（设计井取2.6℃/100m）；
D2-----常温层埋深（30m）；
T0-----常温层温度（13.5℃）。
经计算，设计井热储温度为17.14～20℃，设计井取水段平均温度为18.44℃，利用部分取18℃。
水量预测主要采用富水性分区情况、同含水组开采井水量进行比拟确定。因此预测单井出水量为60～100m3/h，考虑到该区的回灌效果，回灌量约30m3/h，根据天津市地下水源热泵工程以灌定采对井开发模式，允许开采量为30m3/h（以后计算中按30m3/h计）。
2、单井换热功率计算
采用地下水量折算法计算，表达式为：
（5-2）
式中：为单井换热功率，单位为千瓦（kW）；
为地下水循环利用量，单位为立方米每天（）；
为地下水利用温差，单位为度（℃），本次冬季选8℃，夏季选13℃。
为水的密度，单位为千克每立方米（kg/m3），取1000kg/m3；
为水的比热容，kJ/（kg℃），取4.18kJ/（kg℃）。
经计算，该区第Ⅲ含水组单井换热功率为279kW453.5kW（冬季/夏季）。
3、项目总换热量计算
夏冬季地下换热量分别是指夏季向地下水排放的热量和冬季从地下水吸收的热量。可以由下述公式计算：
kW （1）
kW （2）
其中——夏季向土壤排放的热量，kW；
——夏季冷负荷，kW；
——冬季从土壤吸收的热量，kW；
——冬季热负荷，kW；
——设计工况下热泵机组的制冷系数，6.2；
——设计工况下热泵机组的供热系数，5。
则夏冬季地下换热量计算如下：
=374.7×（1+1/6.2）=435.1kW
=240.7×（1-1/5）=192.6kW
根据水务局的有关规定和“以灌定采”的原则，开凿1对井互为采灌即可解决建筑冬夏供热制冷问题。
4、采灌井间距
回灌水到达抽水井的时间（热短路时间）可用下式表示：
式中：n—含水层的有效孔隙度，本次取30%；
π—圆周率；
d—抽水井和注水井距离（m）；
B—含水段厚度（m），本次取50m；
Q—稳定的注水量（m3/h），本次取30m3/h。
根据上式可确定发生热短路的抽、灌井间距临界值为：
按热泵运行周期，制冷期热泵运行时间120d，根据以上公式的计算，地下水地源热泵井的采灌井距为38m。水源热泵井间距的确定不能仅仅以热突破作为依据，而应该考虑其回灌水影响范围内水温的变化能否满足热泵系统运行要求以及运行的经济性。但在条件允许的情况下应尽量满足井间距要求，以减少热突破影响，保证系统运行效率。在实际工程中回灌量和含水层厚度差别较大，结合本次对已有水源热泵系统运行效果的调查情况及抽灌试验成果，建议中细砂颗粒地层中抽灌井间距不宜小于50m，因此，本次采灌井间距50m为宜，实际工程应用中可根据具体情况调整。
三、泵站防冻降温系统运行模式
1.地下水源热泵系统的运行模式：
（1）冬季采暖；（2）夏季供冷。运行模式与地下水源利用关系见表1。
2.冬夏运行方式
地下水源热泵系统工艺流程。
工艺流程与运行模式相匹配，冬季供热流程示意见图4夏季供冷流程示意见图5。
由图4可见，冬季工况运行时，以地下水作为热源，通过热
泵主机向建筑用户提供采暖用热水。水源水系统工作时，采用一抽一灌、同抽同灌的运行方式，保持地下水位稳定。
由图5可见，夏季工况运行时，以地下水作为冷源，通过热泵主机向建筑用户提供空调用冷水。水源水系统工作时，采用一抽一灌、同抽同灌的运行方式，保持地下水位稳定。
四、建立水源热泵系统后的安全防护
1、制定切实可行的安全操作规程和工艺规程，按照《中华人民共和国劳动法》的有关规定，制定切实可行的劳动保护措施。
2、运转设备的传动部分均应加防护罩，所有用电设备应可靠接地，并指派专人定期检查接地状况。
3、为了防范雷电和暴雨，要求按规定设防雷接地装置，同时站房内的地面应高出室外地面，防止暴雨造成的积水进入。
4、对有危险的机械设备加装防护装置，所有电气设备的安全距离、漏电保护设施的设计均应符合相关标准、规范的要求。
5、建立健全安全技术规程、工艺操作规程，并上墙明示。
6、按工作岗位的性质，配备劳保用品和各种防护器材。
7、机房前设置入场须知和安全警示牌。
五、结束语
泵站工程是基础性大型工程，对水泵和泵站值班人员的关怀和爱护十分必要，同时节能降耗也是必须考虑的问题，因此本次设计水源热泵系统来取代传统的电能利用有较大的实际应用价值。
参考文献
[1] 吴艳菊，地表水源热泵适宜性综合评价及规划研究.2009.
[2] 李艳，地表水源热泵系统应用研究.2007.
