《地源熱泵大學堂》（連載二）

　馬最良
哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院教授

　　　
熱泵空調是一種具有節(jié)能和環(huán)保意義的新型空調方式。近年來，在我國暖通空調領域中的應用十分廣泛、發(fā)展迅速。為此，有必要向讀者介紹熱泵空調的基本知識，熱泵空調發(fā)展中的新技術和一些前沿內容，做好熱泵空調的普及工作，以期使讀者能較全面的地了解熱泵空調技術和其發(fā)展。

　　　第1講   熱泵的基礎知識

　　　（接上期）

　　　1.2 熱泵的低溫熱源和驅動能源

　　　
由圖1-2可知，熱泵系統(tǒng)必須具備低溫熱源（或較低位熱源）和再生高溫熱源（即熱用戶）。被熱泵吸收熱量的物體一般稱為熱泵的低溫熱源，術語為源。接受熱泵的供出熱量的物體一般稱為熱用戶，即為熱泵的高溫熱源，術語為匯。根據(jù)熱力學第二定律，熱泵傳熱量由源到匯是由熱泵的驅動裝置帶動工作機來完成的。目前，熱泵的驅動裝置主要有電動機、燃氣機、燃油機等，因此，電、燃氣、汽油、柴油等高位能則是熱泵的驅動能源。

　　　眾所周知，熱泵的工作特性及其經(jīng)濟性很大程度上取決于熱匯溫度（供熱溫度）和熱源溫度。因此，在選擇低溫熱源，要充分考慮供熱溫度與低溫熱源溫度間的溫差要小和熱源溫度盡可能高的原則。

　　　目前，熱泵的驅動能源主要是電能。對此，我們應該注意到，在火力發(fā)電中相當一部分一次能源在電站以廢熱形式損失掉了，因此，從能量觀點看，在大型熱泵站使用燃料驅動發(fā)動機來驅動熱泵更好。但是由于電動機驅動熱泵能平穩(wěn)地、可靠地和高效率地運轉。因此，在可預見的一段時間內電能將繼續(xù)是各類熱泵的主要驅動能源。

　　　1.2.1水

　　　由于水的熱容量大、流動和傳熱性能好、水溫相對于氣溫而言較穩(wěn)定。因此，水是一種優(yōu)良的引人注目的低溫熱泵。目前，在熱泵系統(tǒng)中常選用地下水（淺井、深井、泉水、地熱尾水等）、地表水（河水、湖水、海水等）、生活廢水和工業(yè)廢水作為低溫熱源。

　　　1.地下水

　　　地下水源熱泵系統(tǒng)大部分是以井水為熱源。通常，井水為潛水或承壓水。

　　　潛水是指埋藏于地表以下，飽和水帶中第一個具有自由表面的含水層的水。潛水分布范圍大，補給來源廣，所以水量一般較豐富。加之潛水埋藏深度一般不大，便于開采。因此，潛水一般可作為地下水源熱泵系統(tǒng)的主要水源加以合理開采。

　　　承壓水是指充滿于上下兩個穩(wěn)定隔水層之間具承壓性質的地下水。承壓水的主要特點是有穩(wěn)定的隔水頂板和底板存在，因而對外界聯(lián)系較差，補給叫困難；沒有自由水面，水體承受靜水壓力；承壓含水層的埋藏深度一般都比潛水大，在水位、水量、水溫、水質等方面受氣象因素、人為因素以及季節(jié)變化的影響小。因此富水性好的承壓含水層是地下水源熱泵系統(tǒng)理想的低溫熱源。選用地下水作為熱泵低溫熱源時，應注意以下幾點：

　　?、儆捎谖覈匦?、降水分布的地域差異性，使我國地下水資源具有南方豐富、北方貧乏的特性。我國地下水分布的不均勻性，為普遍地推廣與應用地下水源熱泵帶來地域的局限性。

　　?、谏皫r和礫巖含水層由于有效孔隙率大，其含水層的滲透性好，滲透系數(shù)也大。含水層的砂層粒度越大，含水層的滲透系數(shù)越大。這樣，一方面單井出水量大，另一方面地下水也容易回灌。因此，地下水源熱源系統(tǒng)應選擇在地下含水層為砂巖和中粗砂地域，避免在中細砂區(qū)域設立。

　　　③地下水的溫度是地下水源熱源系統(tǒng)設計中的主要參數(shù)，關系到地下水流量的確定、換熱設備的選擇及系統(tǒng)的優(yōu)化設計。因此，在設計之前必須通過地下水水文地質勘查準確了解到地下水的水溫，作為設計依據(jù)。一般冬季不宜低于10℃，夏季不宜低于30℃。

　　?、艿叵滤|差將會降低地下水源熱源系統(tǒng)的運行壽命，增加其維護費用、引起地下水回灌堵塞等問題。因此，對地下水水質的基本要求是：清澈、水質穩(wěn)定、不腐蝕、不滋生微生物或生物、不結垢等。國標GB50366要求：當水質達不到要求時，應進行水處理。經(jīng)過處理后仍達不到規(guī)定時，應在地下水與水源熱泵機組之間加設換熱器，對于腐蝕性及硬度高的水資源，應設置抗腐蝕性的不銹鋼換熱器或鈦板換熱器。

　　?、莸叵滤畬儆趯氋F資源，它具有雙重性，即是水源熱源的優(yōu)良低溫熱源，又是人類賴以生存不可缺少的基本物質之一。沒有水，人類無法生存和發(fā)展。因此，水源熱泵系統(tǒng)的應用與發(fā)展的原則是保護水資源、合理的開發(fā)和利用水資源走可持續(xù)發(fā)展之路，事在當代，功在千秋。

　　?、尬覈捎诘叵滤梢l(fā)的地質災害問題已越來越嚴重，因此，在推廣和應用地下水源熱泵時，要求做到：只用其熱，不消耗水，用后必須100%回灌地下[4]。

2、地表水

地表水包括江水、河水、湖水、水庫水、海水等，我國是多河流分布的國家，流域面積在100Km2以上的河流就有五萬多條，流域面積在1000Km2以上的有1500條。在數(shù)萬條河流中，年經(jīng)流量大于7.0Km3的大河有26條[5]，我國水面面積1Km2以上的湖泊有2300多個，湖水總面積為13000Km2，湖水總儲水量約為7.09x1011m3，其中淡水量占32%[6]，我國有11萬多平方米的海岸線，有眾多的不凍良港、島嶼和半島。水庫也很多，如北京密云、撫順大伙房、吉林松花湖、天津于橋、湖北丹口江、青島嶗山、煙臺門樓、漢口石門、杭州千島湖等大水庫。因此，在我國發(fā)展地表水源熱泵系統(tǒng)具備基本條件，很遠發(fā)展前景。選用地表水作為熱泵低溫熱源時，應注意地表水特點對系統(tǒng)的影響。地表水的特點有：

　　?、儆捎谖覈邓康哪陜确峙浜懿痪鶆?，最大年降水量與最小年降水量之間又相差懸殊，由此引起江河水水位變幅特大。因此，要充分注意它對地表水源熱泵的影響，在枯水期內也應能保證機組的需水量，尤其是在取水構筑物的設計與選取中更要充分注意江河水水位變幅的問題。

　　　②河流水溫與當?shù)厥彝饪諝鉁囟认啾?，在一年內的變化相對穩(wěn)定，但是河水水溫明顯夏季高冬季低；早晨低午后高；水深較深時，其水溫隨著深度變化而變化。水溫的變化將會影響到地表水源熱泵系統(tǒng)的運行工況，水溫變化范圍應在地表水源熱泵系統(tǒng)能夠接受的范圍內。

　　?、酆恿骱沉看蟆磕瓯缓恿鬏斔偷哪嗌碁?4億噸。黃河（陜縣）平均每年輸沙量為16.0億噸，年平均含沙量為36.9kg/m3；重慶地區(qū)長沙水最高含沙量為3.62kg/m3，最低含沙量為0.016kg/m3，年平均含沙量為0.522kg/m3。水中含沙量大，增大了地表水源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用難度。

　　?、芎恿魈烊凰|差異明顯。西北大部分河流礦化度在300mg/L左右，東南濕潤帶最小，在50mg/L以上?；春樱貛X以南河流硬度普通小于3，以北大部分地區(qū)河流總硬度為3~6。

　　　⑤熱泵長期不停地從河水或湖水中采熱，對河流或湖泊的生態(tài)有何影響？現(xiàn)難以做出結論[7]。此問題有待于在今后長期運行實踐中取得經(jīng)驗。

3、生活廢水與工業(yè)廢水

生活廢水是指洗衣房、浴池、旅館等的廢水，溫度較高（冬季接近日最高溫度的平均值），是可利用的地位熱源，但存在問題是：如何貯存足夠的水量以應付熱負荷的波動，以及如何保持換熱器表面的清潔（換熱器傳熱管設有自動清洗刷以及經(jīng)四通換向閥定期進行清洗）和防止水對設備的腐蝕。

　　　城市污水是一種巨大的低溫余熱熱源。現(xiàn)代化城市的污水處理設施十分完善，每天排放大量的凈化后的污水。污水溫度較高，北京地區(qū)以高碑店污水處理廠為例，其二級出水溫度在冬季為13.5~16.5℃；夏季出水溫度為22~25℃。黃河以及長江流域，污水處理廠的二級出水溫度為17~28℃；且在整個采暖期內水溫波動不大。

　　　但是，污水處理廠往往遠離城市。這樣，利用處理后污水的熱泵站必然離用戶太原而使經(jīng)濟效益下降。但是，城市污水干管總是通過整個市區(qū)，如果直接利用污水干管中未經(jīng)處理的污水作熱泵站的熱源，這樣經(jīng)濟效益將大大提高。但是應注意兩個問題：一是取水設施中應設置適當?shù)乃幚硌b置；二是利用城市原生污水余熱不能對后續(xù)水處理工藝有影響。若原生污水水溫降低過大，將會影響市政曝氣站的正常運行。

　　　工業(yè)廢水形式頗多，數(shù)量大、溫度高，有的可直接再利用，有的可作為水源熱泵的低位熱源。如冶金和鑄造工業(yè)的冷卻水。又如從牛奶廠冷卻器中排出的廢水可以回收用來清洗牛奶器皿的熱水。從溜冰場制冷裝置中吸取的熱量經(jīng)熱泵提高溫度后可以用于游泳池等。

　　　因此，我們應明確地認識到，工業(yè)排放的凈化后的污水是一種優(yōu)良的低位熱源，其數(shù)量十分可觀。例如，哈爾濱某廠污水處理站一晝夜流量達1.5x104m3(625m3/h)，冬季污水溫度在16~18℃。建立供工業(yè)企業(yè)用的熱泵站回收污水余熱是工業(yè)企業(yè)科學用能的重要途徑。

　　　1.2.2土壤

　　　1、淺層土壤溫度分布特征

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    訪談：馬最良教授談地源熱泵的推廣應用科學之道

馬最良教授簡介：
哈爾濱工業(yè)大學博士生導師，九三學社社員。曾是中國制冷學會理事會理事、黑龍江省制冷學會副理事長、黑龍江省能源研究會副理事長、中國建筑裝飾協(xié)會暖通空調委員會理事，《暖通空調》、《地源熱泵》等雜志編委。從事的主要研究方向有：熱泵技術在暖通空調中應用理論與實踐；暖通空調設備的研制與開發(fā)；暖通空調設備性能試驗方法的研究與發(fā)展。研究成果累累。著有《熱泵》、《制冷技術與應用置》、《建筑節(jié)能技術》、《民用建筑空調設計(第1版和第2版)》、《水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)設計（第1版和第2版）》、《熱泵技術應用理論基礎與實踐》、《地源熱泵系統(tǒng)設計與應用》、《暖通空調熱泵技術》、《空調工程中的制冷技術》（第1版和第2版）等著作與教材。

 

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