《地源熱泵大學(xué)堂》（連載二）
馬最良
哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院教授
熱泵空調(diào)是一種具有節(jié)能和環(huán)保意義的新型空調(diào)方式。近年來，在我國(guó)暖通空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛、發(fā)展迅速。為此，有必要向讀者介紹熱泵空調(diào)的基本知識(shí)，熱泵空調(diào)發(fā)展中的新技術(shù)和一些前沿內(nèi)容，做好熱泵空調(diào)的普及工作，以期使讀者能較全面的地了解熱泵空調(diào)技術(shù)和其發(fā)展。
第1講 熱泵的基礎(chǔ)知識(shí)
（接上期）
1.2 熱泵的低溫?zé)嵩春万?qū)動(dòng)能源
由圖1-2可知，熱泵系統(tǒng)必須具備低溫?zé)嵩矗ɑ蜉^低位熱源）和再生高溫?zé)嵩矗礋嵊脩簦?。被熱泵吸收熱量的物體一般稱為熱泵的低溫?zé)嵩?，術(shù)語(yǔ)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?zé)嵩?，術(shù)語(yǔ)為匯。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱泵傳熱量由源到匯是由熱泵的驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)工作機(jī)來完成的。目前，熱泵的驅(qū)動(dòng)裝置主要有電動(dòng)機(jī)、燃?xì)鈾C(jī)、燃油機(jī)等，因此，電、燃?xì)?、汽油、柴油等高位能則是熱泵的驅(qū)動(dòng)能源。
眾所周知，熱泵的工作特性及其經(jīng)濟(jì)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?zé)嵩?，要充分考慮供熱溫度與低溫?zé)嵩礈囟乳g的溫差要小和熱源溫度盡可能高的原則。
目前，熱泵的驅(qū)動(dòng)能源主要是電能。對(duì)此，我們應(yīng)該注意到，在火力發(fā)電中相當(dāng)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(diǎn)看，在大型熱泵站使用燃料驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)熱泵更好。但是由于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵能平穩(wěn)地、可靠地和高效率地運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，在可預(yù)見的一段時(shí)間內(nèi)電能將繼續(xù)是各類熱泵的主要驅(qū)動(dòng)能源。
1.2.1水
由于水的熱容量大、流動(dòng)和傳熱性能好、水溫相對(duì)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?zé)岜?。目前，在熱泵系統(tǒng)中常選用地下水（淺井、深井、泉水、地?zé)嵛菜龋⒌乇硭ê铀?、湖水、海水等）、生活廢水和工業(yè)廢水作為低溫?zé)嵩础?/span>
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(gè)具有自由表面的含水層的水。潛水分布范圍大，補(bǔ)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(gè)穩(wěn)定隔水層之間具承壓性質(zhì)的地下水。承壓水的主要特點(diǎn)是有穩(wěn)定的隔水頂板和底板存在，因而對(duì)外界聯(lián)系較差，補(bǔ)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(zhì)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?zé)嵩?。選用地下水作為熱泵低溫?zé)嵩磿r(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
?、儆捎谖覈?guó)地形、降水分布的地域差異性，使我國(guó)地下水資源具有南方豐富、北方貧乏的特性。我國(guó)地下水分布的不均勻性，為普遍地推廣與應(yīng)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(yīng)選擇在地下含水層為砂巖和中粗砂地域，避免在中細(xì)砂區(qū)域設(shè)立。
?、鄣叵滤臏囟仁堑叵滤礋嵩聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)，關(guān)系到地下水流量的確定、換熱設(shè)備的選擇及系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，在設(shè)計(jì)之前必須通過地下水水文地質(zhì)勘查準(zhǔn)確了解到地下水的水溫，作為設(shè)計(jì)依據(jù)。一般冬季不宜低于10℃，夏季不宜低于30℃。
?、艿叵滤|(zhì)差將會(huì)降低地下水源熱源系統(tǒng)的運(yùn)行壽命，增加其維護(hù)費(fèi)用、引起地下水回灌堵塞等問題。因此，對(duì)地下水水質(zhì)的基本要求是：清澈、水質(zhì)穩(wěn)定、不腐蝕、不滋生微生物或生物、不結(jié)垢等。國(guó)標(biāo)GB50366要求：當(dāng)水質(zhì)達(dá)不到要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行水處理。經(jīng)過處理后仍達(dá)不到規(guī)定時(shí)，應(yīng)在地下水與水源熱泵機(jī)組之間加設(shè)換熱器，對(duì)于腐蝕性及硬度高的水資源，應(yīng)設(shè)置抗腐蝕性的不銹鋼換熱器或鈦板換熱器。
⑤地下水屬于寶貴資源，它具有雙重性，即是水源熱源的優(yōu)良低溫?zé)嵩?，又是人類賴以生存不可缺少的基本物質(zhì)之一。沒有水，人類無(wú)法生存和發(fā)展。因此，水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展的原則是保護(hù)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(dāng)代，功在千秋。
?、尬覈?guó)由于地下水超采引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害問題已越來越嚴(yán)重，因此，在推廣和應(yīng)用地下水源熱泵時(shí)，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(kù)水、海水等，我國(guó)是多河流分布的國(guó)家，流域面積在100Km2以上的河流就有五萬(wàn)多條，流域面積在1000Km2以上的有1500條。在數(shù)萬(wàn)條河流中，年經(jīng)流量大于7.0Km3的大河有26條[5]，我國(guó)水面面積1Km2以上的湖泊有2300多個(gè)，湖水總面積為13000Km2，湖水總儲(chǔ)水量約為7.09x1011m3，其中淡水量占32%[6]，我國(guó)有11萬(wàn)多平方米的海岸線，有眾多的不凍良港、島嶼和半島。水庫(kù)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(tái)門樓、漢口石門、杭州千島湖等大水庫(kù)。因此，在我國(guó)發(fā)展地表水源熱泵系統(tǒng)具備基本條件，很遠(yuǎn)發(fā)展前景。選用地表水作為熱泵低溫?zé)嵩磿r(shí)，應(yīng)注意地表水特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的影響。地表水的特點(diǎn)有：
①由于我國(guó)降水量的年內(nèi)分配很不均勻，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(duì)地表水源熱泵的影響，在枯水期內(nèi)也應(yīng)能保證機(jī)組的需水量，尤其是在取水構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)厥彝饪諝鉁囟认啾?，在一年?nèi)的變化相對(duì)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(shí)，其水溫隨著深度變化而變化。水溫的變化將會(huì)影響到地表水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行工況，水溫變化范圍應(yīng)在地表水源熱泵系統(tǒng)能夠接受的范圍內(nèi)。
?、酆恿骱沉看?。國(guó)每年被河流輸送的泥沙為34億噸。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(zhǎng)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|(zhì)差異明顯。西北大部分河流礦化度在300mg/L左右，東南濕潤(rùn)帶最小，在50mg/L以上。淮河，秦嶺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。
?、轃岜瞄L(zhǎng)期不停地從河水或湖水中采熱，對(duì)河流或湖泊的生態(tài)有何影響？現(xiàn)難以做出結(jié)論[7]。此問題有待于在今后長(zhǎng)期運(yùn)行實(shí)踐中取得經(jīng)驗(yàn)。
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(yīng)付熱負(fù)荷的波動(dòng)，以及如何保持換熱器表面的清潔（換熱器傳熱管設(shè)有自動(dòng)清洗刷以及經(jīng)四通換向閥定期進(jìn)行清洗）和防止水對(duì)設(shè)備的腐蝕。
城市污水是一種巨大的低溫余熱熱源?，F(xiàn)代化城市的污水處理設(shè)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(jí)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(zhǎng)江流域，污水處理廠的二級(jí)出水溫度為17~28℃；且在整個(gè)采暖期內(nèi)水溫波動(dòng)不大。
但是，污水處理廠往往遠(yuǎn)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(jì)效益下降。但是，城市污水干管總是通過整個(gè)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(jì)效益將大大提高。但是應(yīng)注意兩個(gè)問題：一是取水設(shè)施中應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)乃幚硌b置；二是利用城市原生污水余熱不能對(duì)后續(xù)水處理工藝有影響。若原生污水水溫降低過大，將會(huì)影響市政曝氣站的正常運(yùn)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(chǎng)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(yīng)明確地認(rèn)識(shí)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(dá)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(xué)用能的重要途徑。
1.2.2土壤
1、淺層土壤溫度分布特征
訪談：馬最良教授談地源熱泵的推廣應(yīng)用科學(xué)之道
馬最良教授簡(jiǎn)介：
哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生導(dǎo)師，九三學(xué)社社員。曾是中國(guó)制冷學(xué)會(huì)理事會(huì)理事、黑龍江省制冷學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、黑龍江省能源研究會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)建筑裝飾協(xié)會(huì)暖通空調(diào)委員會(huì)理事，《暖通空調(diào)》、《地源熱泵》等雜志編委。從事的主要研究方向有：熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)中應(yīng)用理論與實(shí)踐；暖通空調(diào)設(shè)備的研制與開發(fā)；暖通空調(diào)設(shè)備性能試驗(yàn)方法的研究與發(fā)展。研究成果累累。著有《熱泵》、《制冷技術(shù)與應(yīng)用置》、《建筑節(jié)能技術(shù)》、《民用建筑空調(diào)設(shè)計(jì)(第1版和第2版)》、《水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（第1版和第2版）》、《熱泵技術(shù)應(yīng)用理論基礎(chǔ)與實(shí)踐》、《地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用》、《暖通空調(diào)熱泵技術(shù)》、《空調(diào)工程中的制冷技術(shù)》（第1版和第2版）等著作與教材。
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