地下水源热泵技术在人防工程中的应用
摘要：本文着力分析了冷却塔水源式热泵空调系统的技术障碍，并通过工程实例，论证地下水源热泵空调系统在人防工程中应用的可行性，提出了应把握的几个问题，供工程管理和设计人员参考。
目前，人防工程通常采用的冷却塔水源式热泵空调系统，是以冷却塔的定量循环水为中间介质，与室外空气进行热交换，通过热泵技术，将室外空气中的低位能量转化为高位能量，用于人防工程的防潮除湿，实质上属于空气源热泵(air source heat pump.ASHP)系统，致命弱点是受气候条件制约，夏季制冷效率随室外大气温度的升高而降低，冬季由于室外大气温度过低而无法实现制热，整体效率较低。采用地下水源热泵(ground water heat pump.GWHP)系统，取消冷却塔，工程通过热泵直接与地下水换热，避免大气温度的影响，做到一机两用，高效节能，不仅可以满足夏季人防工程的除湿问题，而且还可以引入地面工程，解决地面工程冬夏两季的采暖和降温问题，具有良好的应用前景
1 技术论证
冷却塔水源式热泵空调系统，实质上属于空气源热泵空调系统。空气源热泵空调系统，低位能量来自于室外空气，在夏季制冷工况下，热泵需要用温度较低的空气介质冷却冷凝器，把热量传给室外空气，达到制冷的目的，满足降温。在冬季制热工况下，热泵需要温度较高的空气介质，带走蒸发器的冷量，达到制热的目的，满足采暖。然而，大气温度的季节变化自然规律恰恰与热泵的季节期望值相反，夏季室外温度高，不利于冷却冷凝器，制冷效率降低；冬季室外大气温度低，不利于带走蒸发器的冷量，制热效率降低，整体运行效率较低，这就是空气源热泵空调系统无法克服的技术障碍。人防工程是一个密闭的地下空间，热泵空调系统无法直接与室外空气换热，只有以定量循环水为介质，通过地面冷却塔与室外空气换热，实现制冷，满足除湿。但由于夏季室外大气温度较高，冷却塔定量循环水的温度也随之升高，导致热泵的制冷效率降低。到了冬季，即使选用水-水热泵机组，也无法实现制热，局限性很大，所以，冷却塔水源式热泵系统仍然无法克服大气温度影响的技术障碍。
地球是一个巨大的恒温体，地下水蕴藏着无穷无尽的能量。据测试，30米以下浅层地下水的温度常年稳定在18℃左右，远高于冬季室外大气温度，又远低于夏季室外大气温度，如果人防工程的热泵空调系统采用地下水作为低位能源，就可以克服空气源热泵的技术障碍，大大提高了系统的整体效率。此外，夏季，通过热泵技术把地下水的低位冷量转化为高位冷量，同时把人防工程的余热通过回灌技术传给地下水；冬季又通过热泵技术，把地下水的低位热量转化为高位热量，同时通过回灌技术把冷量传给地下水，这样，冷量冬存夏用，热量夏存冬用，地下水就起到蓄能器的作用，保证空调系统的常年使用。所以，地下水源热泵系统，低位能源取之于地下水，热泵直接与温度常年稳定的地下水换热，不受大气温度的影响，克服了空气源热泵系统的技术障碍，实现一机两用，节约投资，综合运行费用低，适用于地下水资源丰富地区的人防工程空调系统。
2 工程实例
开封市某附建式人防工程，采用地下水源热泵空调系统，取消冷却塔，以丰富的地下水作为低位能源，直接与热泵机组进行能量交换，实现夏季制冷，冬季制热，取得满意的效果。根据地质勘探报告，本工程所处位置，0-3米为沙土，3-15米为亚沙土，15-60米为沙土，60-90米为粉沙，90米以下为沙土。常年地下水位负3米。由于受黄河地下潜流的影响，地下水由西北流向东南，水源丰富，水质良好，易于成井，蕴藏着丰富的地能资源。具备采用地下水源热泵空调系统的基本条件。本工程地下水源热泵系统由热泵主机循环水系统和热源系统三部分组成。根据工程的热湿负荷计算，热泵主机选用螺杆式水-水热泵机组，使用环保制冷剂HFC-134a，工作压力低，夏季最大制冷量为582KW，冬季最大制热量为634KW；循环水系统选用两台扬程为50米的立式循环泵，用一备一，冷水闭路循环流量77t/h，热水闭路循环流量84t/h；地下水系统设给水井一眼，井深84米，井径0.3m，回水井两眼，井深76m，井径0.3m，井距20m，封井和埋管深度为1 m，潜水泵扬程50m，流量46t/h。地下水温17.5℃。 经测试，夏季制冷工况冷水温度7-12℃，冬季制热工况热水温度47-56℃，工程内温度和相对湿度均达到设计要求。
3 应用优势
实践证明，地下水源热泵系统与冷却塔水源热泵系统相比，具有以下应用优势：
(1) 本系统取消冷却塔，有利于工程防护，保证战时空调系统的正常运行，提高工程的整体防护效能。
(2) 地下水平均温差推动力，比冷却塔水源式高1-2倍，传热效率高。
(3) 地下水温冬夏季基本恒定，避免了室外大气温度对机组的影响。
(4)夏季制冷能效比(COP值)为1：5，冬季制热能效比(COP值)为1：4，与其他空调系统相比，节能30%-60%。
(5)整个系统采用水作为传热介质，热容大，密度高，热损小。
(6)低位能源水取之于地下，又等量回灌地下， 没有大气污染，具有良好的环保效益。
(7)本系统不仅可以解决人防工程的夏季除湿，平时，还可以将冷热水引入地面工程，解决地面工程的降温和采暖问题，实现一机两用，节约投资。
4 应把握的几个问题
4.1 重视水文地质调查。
采用地下水源热泵技术时，必须先进行水文地质情况调查，要有丰富的地下水资源， 适用原则是：水量充足，水温适宜，水质良好，供水稳定，回灌可靠，成井费用适中。
4.2 优化系统设计。
要严格计算热湿负荷，流动阻力，合理确定主机功率和循环泵扬程，利用变频装置提高地下水的利用率，减少常规循环系统的动力消耗。
4.3 重视水井设计。
(1)根据水文地质情况，合理确定给水井和回水井的井深、井径、井距，可以一给多回，保证热源水全部回灌，不得污染。
(2)给水井要设在地下水流向的上方，回水井设在地下水流向的下方。对于地下水流速缓慢的地区，回水井要设在给水井降水漏斗曲线影响范围之内。
(3)为了延长水井寿命，给水井和回水井可以互换使用。
