水源熱泵摘要闡述了地下水水源熱泵系統的技術經濟特性,并結合工程設計經驗和實際運行工況的分析,對影響地下水水源熱泵系統設計和運行效果的熱源井設計、空調系統設計及水源熱泵機組的選型和配置等問題進行了深入探讨。關鍵詞地下水水源熱泵熱源井空調水源熱泵機組AnalysisandstudyontechnicalcharacteristicsofgroundwaterheatpumpsystemsByChenYanhua★AbstractDescribesthetechnicalandeconomiccharacteristicsofgroundwaterheatpumpsystems.Combinedwiththeengineeringdesignexperiencesandactualoperationalconditionanalysis,discussesdesignoftheheatsourcewellandairconditioningsystem,andselectionandschemeofthewater2sourceheatpumpunit,whichhaveimpactondesignandoperationeffectsofgroundwaterheatpumpsystems.Keywordsgroundwaterheatpump,heatsourcewell,airconditioning,water2sourceheatpumpunit★WuhanArchitecturalDesigninstitute,Wuhan,China①0引言衆所周知,地下水水源熱泵系統因其換熱效率高,設計施工相對簡單、快捷,初投資較低,在實際工程中得到了大量應用,對水源熱泵技術的推廣應用起到了較好的帶頭和示範作用。但毋庸諱言,在不少的地下水水源熱泵工程應用實例中也暴露和出現了很多問題,如抽水井、回灌井的堵塞,取水量滿足不了設計要求,不能做到100%回灌或回灌到同一含水層,熱泵機組因堵塞而報廢或燒機。這些問題的存在和出現,需要我們進行認真的分析和研究,并提出切實可行的解決辦法,并使地下水地源熱泵技術在實際運行經驗和可靠設計手段的支撐下健康、穩定發展,發揮出其獨特的優勢。1水源熱泵的技術特性夏季制冷時,水源熱泵空調系統把建築物的餘熱轉移至地下,夏儲冬用,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。夏季制冷時,地下水水源熱泵系統的效率較常規冷卻塔散熱的電制冷空調系統高10%～15%。冬季制熱時,水源熱泵空調系統充分利用了淺層岩土體儲藏的低溫熱源,對終端用戶來說,除使用部分電能,無其他一次能源的消耗,無污染物的排放。對能源依賴外購的地區,還可減少能源運輸費用,減緩交通運輸壓力。冬季供暖時,地下水地源熱泵系統的效率較常規鍋爐供熱系統高10%～15%。在夏熱冬冷地區,地下水水源熱泵空調系統全年制冷、供暖期效率較空氣源熱泵空調系統約高30%～40%,較常規冷卻塔散熱的電制冷空調系統·18·水源熱泵系統加鍋爐供熱系統約高20%～30%。在同樣的比較前提下,地埋管水源熱泵空調系統效率提高約10%～15%。對居住建築和公共建築來說,采用水源熱泵空調系統能夠減少一次能源(礦物能源)使用量50%～60%左右。業主和開發商采用水源熱泵空調系統,靠提高系統運行效率節省的運行費用是有限的,對地埋管水源熱泵系統來說,其投資回收期一般在7～8a以上;而對國家來說,減少了一次能源(礦物能源)的消耗50%～60%,意義重大。因此,在實際工程設計和使用過程中,應明确地源熱泵系統較常規空調系統運行效率提高和減少一次能源使用量兩個不同概念内涵的差别。在依法審批和嚴格管理的前提下,具有較好地下水資源可資利用的地區可适度有序地發展地下水水源熱泵系統;對地埋管水源熱泵系統的發展應用,因其初投資較高,則應有相應的鼓勵和扶持政策。2熱源井設計熱源井設計是否合理、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。實際工程經驗表明,有很多熱源井未能嚴格按照《供水水文地質勘察規範》(GB50027-2001)和《供水管井技術規範》(GB50296-99)施工到位或缺乏熱源井施工的實際經驗,都會導緻熱源井施工的失效。如有的熱源井成井時未能做好泥漿護壁和洗井、井底管孔未能密封或沉澱管設置深度不夠,這些都會影響抽水、回灌量和熱源井的使用壽命;有的熱源井對場地水文地質條件研究不夠,未能針對該場地的水文地質條件和地層結構進行合理設計;有的熱源井井管設計時孔隙率過小、過濾器及回填濾料選擇不當,施工方法不到位或灌漿不密實,這些都會影響熱源井的抽水、回灌效果及使用壽命;有的熱源井在井管下置時,施工經驗不足或未嚴格按照規範要求下管,導緻井管過濾網受損,最終導緻含砂量超标或加重熱源井的淤塞。從理論上來說,抽水後地下水經過水源熱泵機組的能量交換能夠全部回灌到同一含水層,很多成功的工程經驗也印證了這一點,但實際工程中未能達到全部回灌要求或根本未進行回灌的工程也不在少數。要達到以上要求,除了上述成井工藝要到位外,熱源井井群的設計也相當重要。井群是深井回灌式水源熱泵系統的一個關鍵組成部分,其正常運行與否決定了水源熱泵系統工程的成敗,井群的設計布局應當是實際工程中慎之又慎的關鍵環節。目前國内進行此類工程的井群設計和施工過程中,系統方案的可行性判據基本取決于單井出水量是否滿足要求,以及能否實現良好的人工回灌。然而在進行該類工程井群部分的可行性分析和設計中,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、轉移過程;2)"熱貫通"的影響;3)水文地質條件的影響;4)熱泵機組、管道系統形式和運行模式的影響。因此,井群設計時,應注意井群之間的熱幹擾和抽水、回灌水力失衡導緻的幹擾,保證設計條件下的總出水量和總回灌率。熱源井設計和施工時,為保證地下水水源熱泵系統合理取水并防止對地下水的破壞和污染,應加強對地下水的監測和控制,抽水、回灌井應加裝計量儀表,并應同時留出觀測井或觀測孔,有條件時,可在采用上述監測手段的基礎上,對抽水、回灌量及水質進行在線監測。3空調系統設計地下水水源熱泵空調系統設計的首要問題是确定合适的地下水使用水量和水源熱泵機組運行溫差。在制冷和供暖工況下地下水的實際需要量與選擇的水源熱泵機組性能、地下水溫度、建築物冷熱負荷以及闆式換熱器的型式、水泵能耗等都有密切關系。應在保證地下水水源熱泵系統的能效比(EER)和性能系數(COP)均能夠達到最佳的情況下,确定最合适的地下水利用溫差和地下水使用量。制冷工況時,地下水水源熱泵系統能效比(EER)=冷負荷/(井泵功率+環路泵功率+水源熱泵機組功率);供熱工況時,地下水水源熱泵系統性能系數(COP)=熱負荷/(井泵功率+環路泵功率+水源熱泵機組功率)。利用"小流量、大溫差"的系統運行方式,能夠實現對含水層蓄能的最大利用,同時可以減小地下水使用量,減少井泵功率和環路功率,但在一定條件下會增大水源熱泵機組的使用功率,反之則相反。因此,一定要根據實際工程的使用情況,對兩者進行分析和比較,獲取最優結合點。雖然成井要求含砂量小于1/200000,且一般取水管上都設有旋流除砂器,但實際工程運行中,因成井工藝不到位(特别是含有淤泥或粉細砂的地質構造層),而使蒸發器、冷凝器阻塞的不在少數,輕則影響制冷、供熱能力,重則造成壓縮機燒毀。地下水水質也是影響水源熱泵機組長期穩定運行的重要因素,重碳酸鈣型地下水,Cl-,Fe2-含量高的地下水,都會對水源熱泵機組造成一定的腐蝕和影響。為保證水源熱泵機組能夠長期穩定運行,原則上應采用地下水通過闆式換熱器與熱泵機組間接換熱的間接式系統,采用便于清洗、更換的闆式換熱器确實是十分必要的。闆式換熱器設計和選型時,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組的能源利用效率。地下水水源熱泵空調系統水環路的設計與常規冷水機組水系統的設計略有差異,必須根據各生産廠家熱泵機組的技術要求考慮。用戶側及地下水側空調循環水泵與水源熱泵機組均采用先并後串的方式,循環水泵既可與水源熱泵機組實現一對一供水,又可互相調節、互為備用。對于水源熱泵機組來說,其實現夏、冬季節制冷、供暖的轉換,是通過水路系統閥門的轉換進行的,夏季用戶側通過蒸發器回路供應空調冷水,冬季用戶側則通過冷凝器回路供應供暖熱水。因此夏、冬季節水環路轉換閥最好采用調節靈活、性能可靠的電動閥,采用普通蝶閥時也一定要采用關斷靈活、密閉性好的閥門,水源熱泵機組接管原理圖見圖1。圖1水源熱泵機組接管原理圖地下水井抽水泵可采用深井潛水泵,潛水泵下放深度應在動水位之下5m處,安裝要平穩,泵體要居中。一般依據井管内徑、流量和揚程要求,根據生産廠家提供的樣本選配合适的水泵,再根據所需電功率選擇電動機及配套電纜。潛水泵的揚程應能克服井内動水位至機房地面高度、管道及闆式換熱器阻力、水泵阻力及回灌餘壓。地下水回灌管道設計應根據各回灌井的距離進行阻力平衡計算,以保證各回灌井流量的均衡。空調室外水環路和室内系統的設計與常規空調水系統沒有區别,但應該注意空調冷熱負荷的動态調節及系統的水力平衡,以使整個地下水水源熱泵系統既達到舒适的空調效果,又充分提高系統的運行效率。地下水水源熱泵系統負荷側應設計為一次泵變流量系統,通過水泵的變頻調節來适應空調末端負荷的動态變化,充分降低水輸送系統的能耗。4水源熱泵機組技術特點目前的水源熱泵機組均按水路系統轉換進行設計,而全國地域跨度大、氣候條件相差較大,水源熱泵機組的運行工況也相差甚大,因此水源熱泵機組蒸發器和冷凝器的設計應有更大的工況變化範圍。為适應某些工程地下水大溫差的使用要求,蒸發器和冷凝器換熱回路也應能有所适應和調整。一般來說,開機後0.5h,因室内溫度較高,冷凝溫度會相應較高,此時冷凝壓力應有較寬泛的設計範圍,否則會引起機組的保護停機。水源熱泵機組運行工況的差異,既會影響機組的制冷、供熱量,又會影響機組的實際功耗,若機組設計時對這些運行工況的差異考慮不充分,輕則會導緻機組在各種工況變動下能效比的下降,重則可能會經常導緻機組的故障停機甚至燒毀壓縮機。鑒于水源熱泵機組在實際運行時工況變化幅度較大,建議各生産廠家在機組出廠時應進行全性能、全工況測試,最好提供各工況下機組性能參數選擇軟件,設計人員在設計時可有針對性地複核各種運行工況參數并确保機組電力配線和安全保護的可靠性。為充分利用地下水的溫度特性,建議開發生産适應地下水水質特點的水源熱泵機組,在保證機組使用性能和壽命的前提下,讓地下水直接進入機組,以減少采用闆式換熱器間接系統的溫差和能量損失,提高水源熱泵系統的能源利用效率。在有蓄冷蓄熱分時電價的地區,還可以充分發揮水源熱泵機組既能供冷又能供熱的技術特性,利用消防水池或蓄熱水池進行水蓄冷蓄熱,既能減小水源熱泵機組的裝機容量,又能利用峰谷電價差降低空調系統的運行費用,有利于電網的穩定和削峰填谷。利用水源熱泵系統蓄熱,其能源利用效率要遠遠高于電鍋爐蓄熱系統,且更符合國家能源利用政策。在建築物有生活熱水供應需要時,可充分發揮水源熱泵系統既供冷又供熱的技術特性,在夏季空調季節利用水源熱泵機組供冷的同時供應生活熱水,既提高了水源熱泵系統綜合運行效率,又降低了排至地下的地下水的溫度。根據工程特點及實際的生活熱水需求,也可選用部分熱回收或全部熱回收的水源熱泵機組,既滿足工程的實際需要,又能夠提高水源熱泵系統的運行效率。如圖2所示,當同時使用空調冷水和生活用熱水時,V3,V4,V7,V8閥關閉,V1,V2,V5,V6閥開啟,機組同時提供生活用熱水(65℃)和空調用冷水(7℃)。根據其他需要可開啟機組和相應的閥門,提供冷水或熱水。圖2水源熱泵供冷供熱組合系統示意圖使用R22工質的水源熱泵機組,冬季供熱時出水溫度一般能接近50℃,這在空間高度不大的辦公、住宅等建築中使用是能夠滿足室内供熱溫度要求的,但在高大空間的會議、博覽、體育、車站、機場建築中使用,就很難達到供熱舒适性要求。此時,就應該選擇采用R134a或R407C工質的中高溫型水源熱泵機組,機組供熱時的出水溫度可達到60℃或更高。但随着機組出水溫度的升高,機組的冷凝壓力會相應升高,機組的能效比會大幅下降,因此應因工程而異,選擇合适的機組出水溫度,不應盲目地将機組出水溫度提得太高。模塊式水源熱泵機組因其使用方便、安裝靈活得到了一定程度的應用,但各地地下水水質的差異會對其闆式換熱器造成不同程度的腐蝕和損害,因此,建議實際工程中盡量慎重采用,或對地下水進行有效處理,原則上大容量的機組最好還是選擇螺杆式或離心式水源熱泵機組。水源熱泵機組應有性能優異、動作可靠的自動控制和能量調節系統,既提高系統運行的自動化水平,又能進行較好的負荷跟蹤和能量調節。另外,機組的減振設計和防腐設計也不可忽略,否則長期運行性能和外觀形象會大打折扣。5結語地下水水源熱泵系統充分利用地下水儲熱量大、換熱效果好的特點,在對特定工程地下水水文地質資料進行詳細勘察和水文試驗的前提下,做好熱源井群及地下水水源熱泵空調系統的設計,既能夠滿足建築物空調舒适性要求,又能充分提高地下水水源熱泵系統運行的經濟性和可靠性,帶來極大的社會效益和經濟效益。在對地下水水源熱泵工程實際運行經驗總結的基礎上,條件許可時應大力推廣其實際工程應用,為我國可再生能源利用和節能減排事業作出其獨特的積極貢獻。

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