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水源熱泵摘要闡述了地下水水源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性,并結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行工況的分析,對(duì)影響地下水水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行效果的熱源井設(shè)計(jì)、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及水源熱泵機(jī)組的選型和配置等問題進(jìn)行了深入探討。關(guān)鍵詞地下水水源熱泵熱源井空調(diào)水源熱泵機(jī)組AnalysisandstudyontechnicalcharacteristicsofgroundwaterheatpumpsystemsByChenYanhua★AbstractDescribesthetechnicalandeconomiccharacteristicsofgroundwaterheatpumpsystems.Combinedwiththeengineeringdesignexperiencesandactualoperationalconditionanalysis,discussesdesignoftheheatsourcewellandairconditioningsystem,andselectionandschemeofthewater2sourceheatpumpunit,whichhaveimpactondesignandoperationeffectsofgroundwaterheatpumpsystems.Keywordsgroundwaterheatpump,heatsourcewell,airconditioning,water2sourceheatpumpunit★WuhanArchitecturalDesigninstitute,Wuhan,China①0引言眾所周知,地下水水源熱泵系統(tǒng)因其換熱效率高,設(shè)計(jì)施工相對(duì)簡(jiǎn)單、快捷,初投資較低,在實(shí)際工程中得到了大量應(yīng)用,對(duì)水源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用起到了較好的帶頭和示范作用。但毋庸諱言,在不少的地下水水源熱泵工程應(yīng)用實(shí)例中也暴露和出現(xiàn)了很多問題,如抽水井、回灌井的堵塞,取水量滿足不了設(shè)計(jì)要求,不能做到100%回灌或回灌到同一含水層,熱泵機(jī)組因堵塞而報(bào)廢或燒機(jī)。這些問題的存在和出現(xiàn),需要我們進(jìn)行認(rèn)真的分析和研究,并提出切實(shí)可行的解決辦法,并使地下水地源熱泵技術(shù)在實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和可靠設(shè)計(jì)手段的支撐下健康、穩(wěn)定發(fā)展,發(fā)揮出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。1水源熱泵的技術(shù)特性夏季制冷時(shí),水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)把建筑物的余熱轉(zhuǎn)移至地下,夏儲(chǔ)冬用,而不是通過冷卻塔排至大氣,減少了冷卻塔的飄水損失,減緩了城市的熱島效應(yīng)。夏季制冷時(shí),地下水水源熱泵系統(tǒng)的效率較常規(guī)冷卻塔散熱的電制冷空調(diào)系統(tǒng)高10%～15%。冬季制熱時(shí),水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)充分利用了淺層巖土體儲(chǔ)藏的低溫?zé)嵩?對(duì)終端用戶來說,除使用部分電能,無其他一次能源的消耗,無污染物的排放。對(duì)能源依賴外購(gòu)的地區(qū),還可減少能源運(yùn)輸費(fèi)用,減緩交通運(yùn)輸壓力。冬季供暖時(shí),地下水地源熱泵系統(tǒng)的效率較常規(guī)鍋爐供熱系統(tǒng)高10%～15%。在夏熱冬冷地區(qū),地下水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)全年制冷、供暖期效率較空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)約高30%～40%,較常規(guī)冷卻塔散熱的電制冷空調(diào)系統(tǒng)·18·水源熱泵系統(tǒng)加鍋爐供熱系統(tǒng)約高20%～30%。在同樣的比較前提下,地埋管水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)效率提高約10%～15%。對(duì)居住建筑和公共建筑來說,采用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)能夠減少一次能源(礦物能源)使用量50%～60%左右。業(yè)主和開發(fā)商采用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng),靠提高系統(tǒng)運(yùn)行效率節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用是有限的,對(duì)地埋管水源熱泵系統(tǒng)來說,其投資回收期一般在7～8a以上;而對(duì)國(guó)家來說,減少了一次能源(礦物能源)的消耗50%～60%,意義重大。因此,在實(shí)際工程設(shè)計(jì)和使用過程中,應(yīng)明確地源熱泵系統(tǒng)較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率提高和減少一次能源使用量?jī)蓚€(gè)不同概念內(nèi)涵的差別。在依法審批和嚴(yán)格管理的前提下,具有較好地下水資源可資利用的地區(qū)可適度有序地發(fā)展地下水水源熱泵系統(tǒng);對(duì)地埋管水源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用,因其初投資較高,則應(yīng)有相應(yīng)的鼓勵(lì)和扶持政策。2熱源井設(shè)計(jì)熱源井設(shè)計(jì)是否合理、成井工藝是否到位,決定了抽水、回灌井的使用效果和是否能夠全部回灌到同一含水層。實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表明,有很多熱源井未能嚴(yán)格按照《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50027-2001)和《供水管井技術(shù)規(guī)范》(GB50296-99)施工到位或缺乏熱源井施工的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),都會(huì)導(dǎo)致熱源井施工的失效。如有的熱源井成井時(shí)未能做好泥漿護(hù)壁和洗井、井底管孔未能密封或沉淀管設(shè)置深度不夠,這些都會(huì)影響抽水、回灌量和熱源井的使用壽命;有的熱源井對(duì)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件研究不夠,未能針對(duì)該場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件和地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì);有的熱源井井管設(shè)計(jì)時(shí)孔隙率過小、過濾器及回填濾料選擇不當(dāng),施工方法不到位或灌漿不密實(shí),這些都會(huì)影響熱源井的抽水、回灌效果及使用壽命;有的熱源井在井管下置時(shí),施工經(jīng)驗(yàn)不足或未嚴(yán)格按照規(guī)范要求下管,導(dǎo)致井管過濾網(wǎng)受損,最終導(dǎo)致含砂量超標(biāo)或加重?zé)嵩淳挠偃?。從理論上來說,抽水后地下水經(jīng)過水源熱泵機(jī)組的能量交換能夠全部回灌到同一含水層,很多成功的工程經(jīng)驗(yàn)也印證了這一點(diǎn),但實(shí)際工程中未能達(dá)到全部回灌要求或根本未進(jìn)行回灌的工程也不在少數(shù)。要達(dá)到以上要求,除了上述成井工藝要到位外,熱源井井群的設(shè)計(jì)也相當(dāng)重要。井群是深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分,其正常運(yùn)行與否決定了水源熱泵系統(tǒng)工程的成敗,井群的設(shè)計(jì)布局應(yīng)當(dāng)是實(shí)際工程中慎之又慎的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行此類工程的井群設(shè)計(jì)和施工過程中,系統(tǒng)方案的可行性判據(jù)基本取決于單井出水量是否滿足要求,以及能否實(shí)現(xiàn)良好的人工回灌。然而在進(jìn)行該類工程井群部分的可行性分析和設(shè)計(jì)中,還需要注意以下幾方面的問題:1)地下含水層中的能量蓄存、轉(zhuǎn)移過程;2)"熱貫通"的影響;3)水文地質(zhì)條件的影響;4)熱泵機(jī)組、管道系統(tǒng)形式和運(yùn)行模式的影響。因此,井群設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)注意井群之間的熱干擾和抽水、回灌水力失衡導(dǎo)致的干擾,保證設(shè)計(jì)條件下的總出水量和總回灌率。熱源井設(shè)計(jì)和施工時(shí),為保證地下水水源熱泵系統(tǒng)合理取水并防止對(duì)地下水的破壞和污染,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地下水的監(jiān)測(cè)和控制,抽水、回灌井應(yīng)加裝計(jì)量?jī)x表,并應(yīng)同時(shí)留出觀測(cè)井或觀測(cè)孔,有條件時(shí),可在采用上述監(jiān)測(cè)手段的基礎(chǔ)上,對(duì)抽水、回灌量及水質(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。3空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)地下水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要問題是確定合適的地下水使用水量和水源熱泵機(jī)組運(yùn)行溫差。在制冷和供暖工況下地下水的實(shí)際需要量與選擇的水源熱泵機(jī)組性能、地下水溫度、建筑物冷熱負(fù)荷以及板式換熱器的型式、水泵能耗等都有密切關(guān)系。應(yīng)在保證地下水水源熱泵系統(tǒng)的能效比(EER)和性能系數(shù)(COP)均能夠達(dá)到最佳的情況下,確定最合適的地下水利用溫差和地下水使用量。制冷工況時(shí),地下水水源熱泵系統(tǒng)能效比(EER)=冷負(fù)荷/(井泵功率+環(huán)路泵功率+水源熱泵機(jī)組功率);供熱工況時(shí),地下水水源熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)=熱負(fù)荷/(井泵功率+環(huán)路泵功率+水源熱泵機(jī)組功率)。利用"小流量、大溫差"的系統(tǒng)運(yùn)行方式,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)含水層蓄能的最大利用,同時(shí)可以減小地下水使用量,減少井泵功率和環(huán)路功率,但在一定條件下會(huì)增大水源熱泵機(jī)組的使用功率,反之則相反。因此,一定要根據(jù)實(shí)際工程的使用情況,對(duì)兩者進(jìn)行分析和比較,獲取最優(yōu)結(jié)合點(diǎn)。雖然成井要求含砂量小于1/200000,且一般取水管上都設(shè)有旋流除砂器,但實(shí)際工程運(yùn)行中,因成井工藝不到位(特別是含有淤泥或粉細(xì)砂的地質(zhì)構(gòu)造層),而使蒸發(fā)器、冷凝器阻塞的不在少數(shù),輕則影響制冷、供熱能力,重則造成壓縮機(jī)燒毀。地下水水質(zhì)也是影響水源熱泵機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素,重碳酸鈣型地下水,Cl-,Fe2-含量高的地下水,都會(huì)對(duì)水源熱泵機(jī)組造成一定的腐蝕和影響。為保證水源熱泵機(jī)組能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,原則上應(yīng)采用地下水通過板式換熱器與熱泵機(jī)組間接換熱的間接式系統(tǒng),采用便于清洗、更換的板式換熱器確實(shí)是十分必要的。板式換熱器設(shè)計(jì)和選型時(shí),一定要盡量選擇較小的換熱溫差,以免因溫差加大而降低水源熱泵機(jī)組的能源利用效率。地下水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)水環(huán)路的設(shè)計(jì)與常規(guī)冷水機(jī)組水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)略有差異,必須根據(jù)各生產(chǎn)廠家熱泵機(jī)組的技術(shù)要求考慮。用戶側(cè)及地下水側(cè)空調(diào)循環(huán)水泵與水源熱泵機(jī)組均采用先并后串的方式,循環(huán)水泵既可與水源熱泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)一對(duì)一供水,又可互相調(diào)節(jié)、互為備用。對(duì)于水源熱泵機(jī)組來說,其實(shí)現(xiàn)夏、冬季節(jié)制冷、供暖的轉(zhuǎn)換,是通過水路系統(tǒng)閥門的轉(zhuǎn)換進(jìn)行的,夏季用戶側(cè)通過蒸發(fā)器回路供應(yīng)空調(diào)冷水,冬季用戶側(cè)則通過冷凝器回路供應(yīng)供暖熱水。因此夏、冬季節(jié)水環(huán)路轉(zhuǎn)換閥最好采用調(diào)節(jié)靈活、性能可靠的電動(dòng)閥,采用普通蝶閥時(shí)也一定要采用關(guān)斷靈活、密閉性好的閥門,水源熱泵機(jī)組接管原理圖見圖1。圖1水源熱泵機(jī)組接管原理圖地下水井抽水泵可采用深井潛水泵,潛水泵下放深度應(yīng)在動(dòng)水位之下5m處,安裝要平穩(wěn),泵體要居中。一般依據(jù)井管內(nèi)徑、流量和揚(yáng)程要求,根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的樣本選配合適的水泵,再根據(jù)所需電功率選擇電動(dòng)機(jī)及配套電纜。潛水泵的揚(yáng)程應(yīng)能克服井內(nèi)動(dòng)水位至機(jī)房地面高度、管道及板式換熱器阻力、水泵阻力及回灌余壓。地下水回灌管道設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)各回灌井的距離進(jìn)行阻力平衡計(jì)算,以保證各回灌井流量的均衡。空調(diào)室外水環(huán)路和室內(nèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)沒有區(qū)別,但應(yīng)該注意空調(diào)冷熱負(fù)荷的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)及系統(tǒng)的水力平衡,以使整個(gè)地下水水源熱泵系統(tǒng)既達(dá)到舒適的空調(diào)效果,又充分提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。地下水水源熱泵系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)應(yīng)設(shè)計(jì)為一次泵變流量系統(tǒng),通過水泵的變頻調(diào)節(jié)來適應(yīng)空調(diào)末端負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化,充分降低水輸送系統(tǒng)的能耗。4水源熱泵機(jī)組技術(shù)特點(diǎn)目前的水源熱泵機(jī)組均按水路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換進(jìn)行設(shè)計(jì),而全國(guó)地域跨度大、氣候條件相差較大,水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行工況也相差甚大,因此水源熱泵機(jī)組蒸發(fā)器和冷凝器的設(shè)計(jì)應(yīng)有更大的工況變化范圍。為適應(yīng)某些工程地下水大溫差的使用要求,蒸發(fā)器和冷凝器換熱回路也應(yīng)能有所適應(yīng)和調(diào)整。一般來說,開機(jī)后0.5h,因室內(nèi)溫度較高,冷凝溫度會(huì)相應(yīng)較高,此時(shí)冷凝壓力應(yīng)有較寬泛的設(shè)計(jì)范圍,否則會(huì)引起機(jī)組的保護(hù)停機(jī)。水源熱泵機(jī)組運(yùn)行工況的差異,既會(huì)影響機(jī)組的制冷、供熱量,又會(huì)影響機(jī)組的實(shí)際功耗,若機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)這些運(yùn)行工況的差異考慮不充分,輕則會(huì)導(dǎo)致機(jī)組在各種工況變動(dòng)下能效比的下降,重則可能會(huì)經(jīng)常導(dǎo)致機(jī)組的故障停機(jī)甚至燒毀壓縮機(jī)。鑒于水源熱泵機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行時(shí)工況變化幅度較大,建議各生產(chǎn)廠家在機(jī)組出廠時(shí)應(yīng)進(jìn)行全性能、全工況測(cè)試,最好提供各工況下機(jī)組性能參數(shù)選擇軟件,設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)可有針對(duì)性地復(fù)核各種運(yùn)行工況參數(shù)并確保機(jī)組電力配線和安全保護(hù)的可靠性。為充分利用地下水的溫度特性,建議開發(fā)生產(chǎn)適應(yīng)地下水水質(zhì)特點(diǎn)的水源熱泵機(jī)組,在保證機(jī)組使用性能和壽命的前提下,讓地下水直接進(jìn)入機(jī)組,以減少采用板式換熱器間接系統(tǒng)的溫差和能量損失,提高水源熱泵系統(tǒng)的能源利用效率。在有蓄冷蓄熱分時(shí)電價(jià)的地區(qū),還可以充分發(fā)揮水源熱泵機(jī)組既能供冷又能供熱的技術(shù)特性,利用消防水池或蓄熱水池進(jìn)行水蓄冷蓄熱,既能減小水源熱泵機(jī)組的裝機(jī)容量,又能利用峰谷電價(jià)差降低空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用,有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定和削峰填谷。利用水源熱泵系統(tǒng)蓄熱,其能源利用效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電鍋爐蓄熱系統(tǒng),且更符合國(guó)家能源利用政策。在建筑物有生活熱水供應(yīng)需要時(shí),可充分發(fā)揮水源熱泵系統(tǒng)既供冷又供熱的技術(shù)特性,在夏季空調(diào)季節(jié)利用水源熱泵機(jī)組供冷的同時(shí)供應(yīng)生活熱水,既提高了水源熱泵系統(tǒng)綜合運(yùn)行效率,又降低了排至地下的地下水的溫度。根據(jù)工程特點(diǎn)及實(shí)際的生活熱水需求,也可選用部分熱回收或全部熱回收的水源熱泵機(jī)組,既滿足工程的實(shí)際需要,又能夠提高水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率。如圖2所示,當(dāng)同時(shí)使用空調(diào)冷水和生活用熱水時(shí),V3,V4,V7,V8閥關(guān)閉,V1,V2,V5,V6閥開啟,機(jī)組同時(shí)提供生活用熱水(65℃)和空調(diào)用冷水(7℃)。根據(jù)其他需要可開啟機(jī)組和相應(yīng)的閥門,提供冷水或熱水。圖2水源熱泵供冷供熱組合系統(tǒng)示意圖使用R22工質(zhì)的水源熱泵機(jī)組,冬季供熱時(shí)出水溫度一般能接近50℃,這在空間高度不大的辦公、住宅等建筑中使用是能夠滿足室內(nèi)供熱溫度要求的,但在高大空間的會(huì)議、博覽、體育、車站、機(jī)場(chǎng)建筑中使用,就很難達(dá)到供熱舒適性要求。此時(shí),就應(yīng)該選擇采用R134a或R407C工質(zhì)的中高溫型水源熱泵機(jī)組,機(jī)組供熱時(shí)的出水溫度可達(dá)到60℃或更高。但隨著機(jī)組出水溫度的升高,機(jī)組的冷凝壓力會(huì)相應(yīng)升高,機(jī)組的能效比會(huì)大幅下降,因此應(yīng)因工程而異,選擇合適的機(jī)組出水溫度,不應(yīng)盲目地將機(jī)組出水溫度提得太高。模塊式水源熱泵機(jī)組因其使用方便、安裝靈活得到了一定程度的應(yīng)用,但各地地下水水質(zhì)的差異會(huì)對(duì)其板式換熱器造成不同程度的腐蝕和損害,因此,建議實(shí)際工程中盡量慎重采用,或?qū)Φ叵滤M(jìn)行有效處理,原則上大容量的機(jī)組最好還是選擇螺桿式或離心式水源熱泵機(jī)組。水源熱泵機(jī)組應(yīng)有性能優(yōu)異、動(dòng)作可靠的自動(dòng)控制和能量調(diào)節(jié)系統(tǒng),既提高系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化水平,又能進(jìn)行較好的負(fù)荷跟蹤和能量調(diào)節(jié)。另外,機(jī)組的減振設(shè)計(jì)和防腐設(shè)計(jì)也不可忽略,否則長(zhǎng)期運(yùn)行性能和外觀形象會(huì)大打折扣。5結(jié)語(yǔ)地下水水源熱泵系統(tǒng)充分利用地下水儲(chǔ)熱量大、換熱效果好的特點(diǎn),在對(duì)特定工程地下水水文地質(zhì)資料進(jìn)行詳細(xì)勘察和水文試驗(yàn)的前提下,做好熱源井群及地下水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),既能夠滿足建筑物空調(diào)舒適性要求,又能充分提高地下水水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性,帶來極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。在對(duì)地下水水源熱泵工程實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上,條件許可時(shí)應(yīng)大力推廣其實(shí)際工程應(yīng)用,為我國(guó)可再生能源利用和節(jié)能減排事業(yè)作出其獨(dú)特的積極貢獻(xiàn)。
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