《地源热泵大学堂》（连载二）

《地源热泵大学堂》（连载二）

　马最良
哈尔滨工业大学市政环境工程学院教授

　　　
热泵空调是一种具有节能和环保意义的新型空调方式。近年来，在我国暖通空调领域中的应用十分广泛、发展迅速。为此，有必要向读者介绍热泵空调的基本知识，热泵空调发展中的新技术和一些前沿内容，做好热泵空调的普及工作，以期使读者能较全面的地了解热泵空调技术和其发展。

　　　第1讲   热泵的基础知识

　　　（接上期）

　　　1.2 热泵的低温热源和驱动能源

　　　
由图1-2可知，热泵系统必须具备低温热源（或较低位热源）和再生高温热源（即热用户）。被热泵吸收热量的物体一般称为热泵的低温热源，术语为源。接受热泵的供出热量的物体一般称为热用户，即为热泵的高温热源，术语为汇。根据热力学第二定律，热泵传热量由源到汇是由热泵的驱动装置带动工作机来完成的。目前，热泵的驱动装置主要有电动机、燃气机、燃油机等，因此，电、燃气、汽油、柴油等高位能则是热泵的驱动能源。

　　　众所周知，热泵的工作特性及其经济性很大程度上取决于热汇温度（供热温度）和热源温度。因此，在选择低温热源，要充分考虑供热温度与低温热源温度间的温差要小和热源温度尽可能高的原则。

　　　目前，热泵的驱动能源主要是电能。对此，我们应该注意到，在火力发电中相当一部分一次能源在电站以废热形式损失掉了，因此，从能量观点看，在大型热泵站使用燃料驱动发动机来驱动热泵更好。但是由于电动机驱动热泵能平稳地、可靠地和高效率地运转。因此，在可预见的一段时间内电能将继续是各类热泵的主要驱动能源。

　　　1.2.1水

　　　由于水的热容量大、流动和传热性能好、水温相对于气温而言较稳定。因此，水是一种优良的引人注目的低温热泵。目前，在热泵系统中常选用地下水（浅井、深井、泉水、地热尾水等）、地表水（河水、湖水、海水等）、生活废水和工业废水作为低温热源。

　　　1.地下水

　　　地下水源热泵系统大部分是以井水为热源。通常，井水为潜水或承压水。

　　　潜水是指埋藏于地表以下，饱和水带中第一个具有自由表面的含水层的水。潜水分布范围大，补给来源广，所以水量一般较丰富。加之潜水埋藏深度一般不大，便于开采。因此，潜水一般可作为地下水源热泵系统的主要水源加以合理开采。

　　　承压水是指充满于上下两个稳定隔水层之间具承压性质的地下水。承压水的主要特点是有稳定的隔水顶板和底板存在，因而对外界联系较差，补给叫困难；没有自由水面，水体承受静水压力；承压含水层的埋藏深度一般都比潜水大，在水位、水量、水温、水质等方面受气象因素、人为因素以及季节变化的影响小。因此富水性好的承压含水层是地下水源热泵系统理想的低温热源。选用地下水作为热泵低温热源时，应注意以下几点：

　　　①由于我国地形、降水分布的地域差异性，使我国地下水资源具有南方丰富、北方贫乏的特性。我国地下水分布的不均匀性，为普遍地推广与应用地下水源热泵带来地域的局限性。

　　　②砂岩和砾岩含水层由于有效孔隙率大，其含水层的渗透性好，渗透系数也大。含水层的砂层粒度越大，含水层的渗透系数越大。这样，一方面单井出水量大，另一方面地下水也容易回灌。因此，地下水源热源系统应选择在地下含水层为砂岩和中粗砂地域，避免在中细砂区域设立。

　　　③地下水的温度是地下水源热源系统设计中的主要参数，关系到地下水流量的确定、换热设备的选择及系统的优化设计。因此，在设计之前必须通过地下水水文地质勘查准确了解到地下水的水温，作为设计依据。一般冬季不宜低于10℃，夏季不宜低于30℃。

　　　④地下水水质差将会降低地下水源热源系统的运行寿命，增加其维护费用、引起地下水回灌堵塞等问题。因此，对地下水水质的基本要求是：清澈、水质稳定、不腐蚀、不滋生微生物或生物、不结垢等。国标GB50366要求：当水质达不到要求时，应进行水处理。经过处理后仍达不到规定时，应在地下水与水源热泵机组之间加设换热器，对于腐蚀性及硬度高的水资源，应设置抗腐蚀性的不锈钢换热器或钛板换热器。

　　　⑤地下水属于宝贵资源，它具有双重性，即是水源热源的优良低温热源，又是人类赖以生存不可缺少的基本物质之一。没有水，人类无法生存和发展。因此，水源热泵系统的应用与发展的原则是保护水资源、合理的开发和利用水资源走可持续发展之路，事在当代，功在千秋。

　　　⑥我国由于地下水超采引发的地质灾害问题已越来越严重，因此，在推广和应用地下水源热泵时，要求做到：只用其热，不消耗水，用后必须100%回灌地下[4]。

2、地表水

地表水包括江水、河水、湖水、水库水、海水等，我国是多河流分布的国家，流域面积在100Km2以上的河流就有五万多条，流域面积在1000Km2以上的有1500条。在数万条河流中，年经流量大于7.0Km3的大河有26条[5]，我国水面面积1Km2以上的湖泊有2300多个，湖水总面积为13000Km2，湖水总储水量约为7.09x1011m3，其中淡水量占32%[6]，我国有11万多平方米的海岸线，有众多的不冻良港、岛屿和半岛。水库也很多，如北京密云、抚顺大伙房、吉林松花湖、天津于桥、湖北丹口江、青岛崂山、烟台门楼、汉口石门、杭州千岛湖等大水库。因此，在我国发展地表水源热泵系统具备基本条件，很远发展前景。选用地表水作为热泵低温热源时，应注意地表水特点对系统的影响。地表水的特点有：

　　　①由于我国降水量的年内分配很不均匀，最大年降水量与最小年降水量之间又相差悬殊，由此引起江河水水位变幅特大。因此，要充分注意它对地表水源热泵的影响，在枯水期内也应能保证机组的需水量，尤其是在取水构筑物的设计与选取中更要充分注意江河水水位变幅的问题。

　　　②河流水温与当地室外空气温度相比，在一年内的变化相对稳定，但是河水水温明显夏季高冬季低；早晨低午后高；水深较深时，其水温随着深度变化而变化。水温的变化将会影响到地表水源热泵系统的运行工况，水温变化范围应在地表水源热泵系统能够接受的范围内。

　　　③河流含沙量大。国每年被河流输送的泥沙为34亿吨。黄河（陕县）平均每年输沙量为16.0亿吨，年平均含沙量为36.9kg/m3；重庆地区长沙水最高含沙量为3.62kg/m3，最低含沙量为0.016kg/m3，年平均含沙量为0.522kg/m3。水中含沙量大，增大了地表水源热泵系统开发利用难度。

　　　④河流天然水质差异明显。西北大部分河流矿化度在300mg/L左右，东南湿润带最小，在50mg/L以上。淮河，秦岭以南河流硬度普通小于3，以北大部分地区河流总硬度为3~6。

　　　⑤热泵长期不停地从河水或湖水中采热，对河流或湖泊的生态有何影响？现难以做出结论[7]。此问题有待于在今后长期运行实践中取得经验。

3、生活废水与工业废水

生活废水是指洗衣房、浴池、旅馆等的废水，温度较高（冬季接近日最高温度的平均值），是可利用的地位热源，但存在问题是：如何贮存足够的水量以应付热负荷的波动，以及如何保持换热器表面的清洁（换热器传热管设有自动清洗刷以及经四通换向阀定期进行清洗）和防止水对设备的腐蚀。

　　　城市污水是一种巨大的低温余热热源。现代化城市的污水处理设施十分完善，每天排放大量的净化后的污水。污水温度较高，北京地区以高碑店污水处理厂为例，其二级出水温度在冬季为13.5~16.5℃；夏季出水温度为22~25℃。黄河以及长江流域，污水处理厂的二级出水温度为17~28℃；且在整个采暖期内水温波动不大。

　　　但是，污水处理厂往往远离城市。这样，利用处理后污水的热泵站必然离用户太原而使经济效益下降。但是，城市污水干管总是通过整个市区，如果直接利用污水干管中未经处理的污水作热泵站的热源，这样经济效益将大大提高。但是应注意两个问题：一是取水设施中应设置适当的水处理装置；二是利用城市原生污水余热不能对后续水处理工艺有影响。若原生污水水温降低过大，将会影响市政曝气站的正常运行。

　　　工业废水形式颇多，数量大、温度高，有的可直接再利用，有的可作为水源热泵的低位热源。如冶金和铸造工业的冷却水。又如从牛奶厂冷却器中排出的废水可以回收用来清洗牛奶器皿的热水。从溜冰场制冷装置中吸取的热量经热泵提高温度后可以用于游泳池等。

　　　因此，我们应明确地认识到，工业排放的净化后的污水是一种优良的低位热源，其数量十分可观。例如，哈尔滨某厂污水处理站一昼夜流量达1.5x104m3(625m3/h)，冬季污水温度在16~18℃。建立供工业企业用的热泵站回收污水余热是工业企业科学用能的重要途径。

　　　1.2.2土壤

　　　1、浅层土壤温度分布特征

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    访谈：马最良教授谈地源热泵的推广应用科学之道

马最良教授简介：
哈尔滨工业大学博士生导师，九三学社社员。曾是中国制冷学会理事会理事、黑龙江省制冷学会副理事长、黑龙江省能源研究会副理事长、中国建筑装饰协会暖通空调委员会理事，《暖通空调》、《地源热泵》等杂志编委。从事的主要研究方向有：热泵技术在暖通空调中应用理论与实践；暖通空调设备的研制与开发；暖通空调设备性能试验方法的研究与发展。研究成果累累。著有《热泵》、《制冷技术与应用置》、《建筑节能技术》、《民用建筑空调设计(第1版和第2版)》、《水环热泵空调系统设计（第1版和第2版）》、《热泵技术应用理论基础与实践》、《地源热泵系统设计与应用》、《暖通空调热泵技术》、《空调工程中的制冷技术》（第1版和第2版）等著作与教材。

 

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