地源热泵空调系统及其在武汉地区的应用
摘要：地源热泵是一项新兴的节能环保、可再生能源利用技术,本文回顾了地源热泵空调系统在国内外的发展和应用情况,介绍了地源热泵空调系统在湖北武汉地区的工程应用实例,并就地源热泵空调系统设计和实际工程应用中应注意的问题进行了阐述和探讨。
关键词：地源热泵节能工程应用
1 地源热泵应用概况
地源热泵(GSHPS)是一个广义的术语，它包括了使用土壤、地下水和地表水作为热源和热汇的系统，即地下耦合热泵系统(ground-coupled heat pump systems, GCHPS)，也叫地下热交换器地源热泵系统(ground heat exchanger);地下水热泵系统groundwater heat pumps, GWHPS);地表水热泵系统(surface water heat pumps, SWHPS)。
1.1 国外发展情况
地源热泵系统由于采用的是可再生的地热能，因此被称之为：一项以节能和环保为特征的21世纪的技术。这项起始于1912年的技术(瑞士提出的一个专利，该技术的应用始于英、美两国)，美国从1946年开始对GSHP系统进行了十二个主要项目的研究，如地下盘管的结构形式、结构参数、管材对热泵性能的影响等。并在俄勒冈州的波特兰市中心区安装了美国第一台地源热泵系统。
特别是近十年来地源热泵在欧美工业发达国家取得了迅速的发展，已成为一项成熟的应用技术。到2000年底，美国有超过40万台地源热泵系统在家庭、学校和商业建筑中使用，每年约提供8000~11000Gwh的终端能量。
地源热源在工程上的应用主要为地下耦合热泵系统(GCHPS)和地下水热泵系统(GWHPS)、地表水热泵系统(SWHPS)。
1.2 国内发展应用情况
1.2.1能源消费现状
到2040年，我国一次能源的总消费量将达38.6亿吨标准煤，是现在能源消费量的3倍。而到本世纪末，国内每年最多可供应的一次能源生产量为32亿吨标准煤。因此，我国今后较长期的能源消费年均增长率应控制在2.5%左右，直到2040年能源消费实现零增长目标。
我国已探明的能源总体储量，煤炭储量约占世界储量的11%，原油占2.4%，天然气仅占1.2%，我国人口约占世界人口的20%，人均能源占有量不到世界平均水平的一半。我国是煤炭大国，但世界七大煤炭大国中其余六国的的储量比都在200年以上，只有我国的储量不足百年。石油的储量比为四十年，并且中国石油、天然气的平均丰度值也仅为世界平均水平的57%和45%。
面对如此严峻的能源形势，国家总的能源政策还是节能和新能源开发、再生能源利用并重，因此，地源热泵技术的推广应用在我国具有极大的现实意义和广阔的发展前景。
1.2.2地源热泵应用情况
地源热泵空调系统的设计，主要包括两大部分：一是建筑物内的水环路空调系统的设计;二是地源热泵空调系统的地下部分的设计，即地下耦合热泵系统的地下热交换器、地表水热泵系统的地表水热交换器、地下水热泵系统的水井系统的设计。
地下耦合热泵系统最早应用在89年10月投入运行的上海闵行开发区办公楼(4305㎡，冷负荷4532KW，热负荷231KW)，其技术和设备均由美国提供，使用情况良好。135个深35米的垂直竖管井,埋管为聚丁烯管。国内的大专院校均进行了相关的垂直或水平埋地管的试验研究和小型的工程应用,并建立了地埋管的传热模型。各地的地质条件不同，土壤的温度和热物性参数都不一样，因此，地下耦合热泵的应用还有待进一步的实验验证和实验数据的积累。
地表水热泵系统：地表水温度受气候的影响较大,与空气源热泵类似,武汉东湖等浅水性湖泊夏季水温高于湿球温度，无利用价值，冬季水温略高于气温，可用作热源水。实测数据表明宁波奉化江水7M深31.2℃，珠江底层31.8℃，江水热污染很厉害，利用价值不大。可利用长江水作为地表水热泵系统的热源，但冬季江水水位很低，从取水的经济性及防洪角度考虑，实际利用还是极难的。
地下水热泵系统：综合上述情况可以看到，目前在我国来说，技术上比较成熟、利用可行性较大、实施的工程项目较多的还是地下水热泵系统。目前国内生产水源热泵机组的厂家也已达到二、三十家。因为国内还没有颁布水源热泵机组的生产技术标准，国内厂家生产的产品质量差别较大，从有些厂家的产品样本来看，技术参数不完整、不准确。因为很多生产厂家没有实测手段，采用水源热泵机组所需要的很多数据不能提供，甚至不排除某些技术力量差的厂家根本就没有弄清楚水源热泵机组和常规冷水机组的技术差异，直接就拿常规冷水机组来作为水源热泵机组推销到市场。目前就笔者所接触到的厂家来看，只有一家国外公司能够提供专用电脑软件选型数据，可以根据设计工况选择合理和可信的机组配置和各种性能数据。
2 地源热泵在武汉地区的应用
2.1 地下水源热泵工程实例
2.1.1地下水源热泵在湖北工程应用最早的一家是位于荆州沙市的法雷奥汽车空调有限公司，采用的是西亚特LWP1800(545KW)螺杆水一水热泵机组2台，LGP350一台(110KW)，总制冷量是1200Kw，供应一个车间(5000㎡)和办公部分(900㎡), 因取水量的限制取水井为一口50m3/h的井，制冷时另加一台冷却塔进行补充。制热时因车间本身设备散热量较大，一口井取水完全能够满足供暖需要。夏季井水18.5℃，冬季17.8℃。2000年9月开始运行。
2.1.2位于汉口循礼门的天与地音乐城，建筑面积5000㎡,采用的是意大利克莱门特活塞式水源热泵机组WRHH1202两台，总制冷量是720Kw，总制热量是750Kw(其中供暖450Kw，利用热回收系统供生活热水300Kw)。打两口井，一抽一灌，回灌在90%左右，井深47m，冬季出水20.5℃，取水量60m3/h。冬季运行机组升温很快，2小时不到机组供水温度即可达到45℃以上。2002年6月开始运行。
2.1.3武汉凌云科技集团综合厂房，总建筑面积11000㎡, 其中4000㎡办公，7000㎡生产厂房。选用法国西亚特螺杆式水源热泵机组LWP2500二台，总制冷量1440Kw，制热量1900Kw，打井4口，每台机组2口，一抽一灌。2002年10月开始运行。
2.1.4汉口香港路香榭里花园4万㎡，总制冷量3200Kw，总制热量2500Kw。设计选用克莱门特螺杆水源热泵机组BE/SRHH2702三台，制冷时冷冻水7/12℃，地下水18/32℃;制热时供暖水40/50℃，地下水18/8℃。打井由武汉地质工程勘察院承担，每口井取水量80m3/h,先打试验井，一抽一灌，取得实验数据，进行详细周密的计算和水文地质分析。设计三口取水井，五口回灌井，每口井回灌60%，分析计算认为三口井同时抽水，五口井同时回灌时，场地南侧地水水位有不到1m的下降，其它部位下降均小于0.5m;南侧的地面沉降有1cm，其它部位地面沉降小于0.5cm;大部分场地的不均匀沉降小于0.2‰，不致于对地质构成不良性的影响和影响建筑物的正常使用。2002年11月开始运行。
2.1.5汉口东西湖武汉航达公司厂房综合楼，建筑面积18000㎡，采用克莱门特螺杆水源热泵机组BE/SRHH2702两台，设计六口取水井，六口回灌井，每口井取水量20m3/h。2003年9月开始运行。
2.1.6汉口百步亭花园小区综合楼，建筑面积21000㎡，采用西亚特螺杆式水冷冷水机组LWP2800一台, 螺杆式水源热泵机组LWP1400两台，涡旋式水源热泵机组LGP100一台,冰球配置105m3。本工程是由冰蓄冷系统和水源热泵系统合而为一的独特的空调系统,具有削峰填谷和节能环保的双重意义。2004年11月开始运行。
2.1.7湖北大学图书馆，建筑面积42000㎡，采用克莱门特螺杆水源热泵机组BE/SRHH3602三台，总制冷量3850KW,总供热量3100KW。设计三口取水井，六口回灌井，每口井取水量120m3/h。根据场地条件尽量拉大取水井的间距,在部分负荷状态下,尽可能用足地下水温差,减少用水量。2004年11月开始运行。
2.1.8汉口福星惠誉办公综合楼，建筑面积10000㎡。采用西亚特公司螺杆式水源热泵机组LWP1800两台。总制冷量1090KW,总供热量850KW。设计两口取水井，四口回灌井，每口井取水量80m3/h。2003年11月开始运行。
2.1.9湖北警官学院图书馆体育馆，建筑面积20000㎡。采用克莱门特螺杆水源热泵机组BE/SRHH2702两台，总制冷量2300KW,总供热量1600KW。设计两口取水井，四口回灌井，每口井取水量80m3/h。
湖北警官学院学生食堂，建筑面积12000㎡。采用克莱门特螺杆水源热泵机组BE/SRHH2702两台，总制冷量2300KW,总供热量1600KW。设计两口取水井，四口回灌井，每口井取水量80m3/h。2004年7月开始运行。
2.2 地下耦合热泵工程实例
2.2.1省公安厅驾校办公大楼，建筑面积5000㎡，采用克莱门特螺杆地源热泵机组WRHH0802两台，总制冷量520KW,总供热量370KW。利用室外场地进行垂直埋管,共打孔220个,间距4X4M,孔内共埋设U型PE换热管10000米,孔深30米。2002年11月开始运行。
2.2.2清江花园小区共有两栋小高层住宅，总建筑面积38000㎡，采用克莱门特螺杆地源热泵机组WRHH0802两台，总制冷量1560KW,总供热量1000KW。利用小区中心花园下地下车库底部进行垂直埋管,共打孔220个,间距4X3.5M,孔内共埋设U型PE换热管28000米,孔深在65-70米之间,中间以回填材料填实。2004年6月开始运行。
