鄭錦民

(福建省建筑設計研究院福建福州350001)

福州某客運站地下水地源熱泵系統(tǒng)設計

鄭錦民

(福建省建筑設計研究院福建福州350001)

介紹了該工程地下水地源熱泵系統(tǒng)設計及運行情況，著重分析系統(tǒng)設計與應用中涉及到的水文地質條件、熱源井的設計，并根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)從節(jié)能、環(huán)保和經濟效益三個方面進行了分析，結果表明該項目節(jié)能、環(huán)保，經濟效益顯著。

地下水地源熱泵;熱源井;抽水井;回灌井;節(jié)能

0 引言

地下水地源熱泵系統(tǒng)是以地下水為低溫熱源，由地下水換熱系統(tǒng)、水源熱泵機組、建筑物內系統(tǒng)組成的供熱空調系統(tǒng)［1］。從20世紀80年代末開始，我國開始地源熱泵的試點應用，進入21世紀后，地源熱泵作為一種節(jié)能環(huán)保的技術在全國各地迅速發(fā)展。至2009年底，我國地源熱泵應用面積超過1億m2，其中地下水地源熱泵系統(tǒng)應用面積約占全部市場份額的一半左右［2］。該文介紹福州某客運站的地源熱泵系統(tǒng)設計，并結合項目特點，闡述設計思路、設計難點，著重分析地源熱泵系統(tǒng)方案原則、熱源井成井工藝及效益。

1 工程概況

工程位于福州市上街大學城科技路與烏龍江大道交界處，占地面積5．667ha，總建筑面積21 193m2，建筑高度30．2m，地下1層，地上5層，一類公共建筑。地下一層為車庫和設備用房;一層至五層為客運服務用房。夏季空調總冷負荷2 890kW，冬季不采暖。

2 水文地質條件

根據(jù)業(yè)主提供的水文資料和勘測井測試報告，本項目適合地下水地源熱泵的技術條件有:場地淺部地下水主要賦存于中砂、中細砂層中，含水層頂板直接裸露地表或僅覆蓋薄層粉土層，含水層厚度一般可達10m～15m。地下水主要接受大氣降水及周邊地表水及地下水的補給。抽水及回灌試驗成果(成井管直徑219mm):靜水位為3．5m，試驗降深為2．3m，出水量為40．35m3/h，影響半徑39．0m，水溫21℃～22℃，且變化溫度小。水質條件尚好(鐵離子含量較高)，采取對應的水質處理措施，滿足水源熱泵系統(tǒng)對水質的要求。抽水井與回灌井之比為1∶2。

3 地下水地源熱泵系統(tǒng)的設計

3．1系統(tǒng)方案原則

根據(jù)水文地質條件及系統(tǒng)負荷特性特性，地源熱泵系統(tǒng)采取如下措施:

(1)該項目綜合考慮多方因素，本著節(jié)能減排、提高能源利用率的目的，地源熱泵機組直接與地下水進行熱交換。在不影響熱泵機組效率的基礎上，機組與熱源井之間采用大溫差小流量運行方式，進出水溫差設定為11℃，以有效節(jié)省地下水取用及回灌量的打井費用。

(2)地下水質鐵離子成分含量偏高，生產運行時易產生鐵氧化物沉淀，造成管網、機組管路的堵塞，采取對應的水質處理的技術措施，經射頻排污除砂過濾器后再進入綜合水處理器，經過濾及除黃銹水處理滿足水質要求后，直接通往地源熱泵機組進行換熱，并回灌至地下同一含水層。

(3)為防止軟垢積聚在冷凝器內，長期運行后影響機組換熱效率而使機組制冷效率下降，在冷凝器進水管側增加膠球注入槽及BTS清潔裝置。

(4)為系統(tǒng)設計反沖洗泵、反沖洗旁通管等相關措施。防止熱源井的堵塞，保證地下水地源熱泵系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定高效的運行。

3．2系統(tǒng)配置

根據(jù)系統(tǒng)夏季冷負荷，降低系統(tǒng)主機和水泵運行功耗結合主機的特點，同時考慮系統(tǒng)操作的簡單性，水源熱泵系統(tǒng)配置如表1所示。

表1 水源熱泵系統(tǒng)配置

系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。抽水井8口，回灌井16口;日常運行時C1－C8作為抽水井，H1－H16作為回灌井，其中H1－H8為回揚井(必要時在機房接兩根管，也可以作為抽回兩用井);抽回水井比例為1∶2;抽回水兩用井應定期進行回揚。在達到節(jié)能標準的建筑保溫體系前提下，通過開采淺層地下水，利用水源熱泵機組提取地下熱能，通過能量轉移和能量釋放系統(tǒng)實現(xiàn)向大樓供冷。由于較深的地層不會受到大氣溫度變化干擾，地層溫度常年保持恒定，具有較大的熱容量，因此地下水地源熱泵系統(tǒng)的效率高于空氣源熱泵，且冬季沒有結霜的問題。

圖1 地下水地源熱泵系統(tǒng)原理圖

3．3熱源井設計

3．3．1熱源井的數(shù)量

結合工程情況的抽水及回灌試驗成果，確定熱源井參數(shù)如下:單口井出水量40m3/h;出水溫度為21℃，回水溫度32℃，溫差11℃;抽水井與回灌井比例為1∶2。

需水量Gx用下式計算:

式中Q1為水源熱泵機組總制冷量3 107．2kW，N1為總耗電功率為481．2 kW，△t1為夏季進出水溫差11℃。

代入數(shù)據(jù)得到Gx為280．5m3/h，結合單井出水量40m3/h，抽水井與回灌井比例為1∶2，考慮一定的余量及長久效果，工程需8口抽水井，16口回灌井。

3．3．2管井結構設計

(1)8口抽水井成井工藝:

鉆孔直徑為650mm，井深23m，一徑到底;采用Ф219×4mm鋼管成井，井壁管段2．5m、過濾管段15m(最大含水層厚度)、下泵井壁管段1．5m、沉降管段4m，其中含水層井壁管段為橋式過濾管段(即帶濾孔的鋼管)，其余均采用井壁光滑管段。每口井內含水層安裝了深井泵，底部以Ф219×4mm鋼板焊接封底。

井管外填天然礫石填料，填礫厚度大于215mm。在取水間都使用反沖洗管相連接，以利平時回揚洗井維護。同時可使這些取水井在負荷不大時交替使用。成井工藝如圖2所示。

圖2 抽水井井身結構

(2)16口回灌井成井工藝:

鉆孔直徑為650mm，井深23m，一徑到底;采用Ф219×4mm鋼管成井，井壁管段2．5m、過濾管段16.5m、沉降管段4m，其中含水層井壁管段為橋式過濾管段(即帶濾孔的鋼管)，其余均采用井壁光滑管段。每口井內含水層安裝了深井泵，底部以Ф219×4mm鋼板焊接封底。

在其中8口回灌井(H1～H8)內安裝了深井水泵，以做備用取水井，另8口井內將回水管放入含水層中段。成井工藝如圖3所示。

(3)橋式過濾管段、濾料及填礫技術要求:

①橋式過濾管段孔隙尺寸采用D10(即濾料試樣篩分中能通過網眼的顆粒，其累計質量占試樣總質量的10％時的最大顆粒直徑)。

②濾料采用水洗礫石，濾料直徑根據(jù)含水層特征確定。砂土:D50(即濾料試樣篩分中能通過網眼的顆粒，其累計質量占試樣總質量的50％時的最大顆粒直徑)=(6～8)d50(即含水層土試樣篩分中能通過網眼的顆粒，其累計質量占試樣總質量的50％時的最大顆粒直徑);濾料的不均勻系數(shù)(即η2=D50/ D10)小于或等于2。

圖3 回灌井井身結構

4 地源熱泵系統(tǒng)經濟分析

4．1空調系統(tǒng)運行費用比較

對擬采用的地源熱泵空調系統(tǒng)與常規(guī)空調系統(tǒng)進行經濟分析?？照{系統(tǒng)運行能耗包括，機組能耗、冷凍水泵能耗、冷卻水泵(潛水泵)能耗、末端能耗、冷卻塔(常規(guī)系統(tǒng)獨有)能耗。地下水地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)空調系統(tǒng)在末端能耗、冷凍水泵能耗上基本相同。故為方便比較，只對機組能耗、冷卻水泵(潛水泵)能耗、冷卻塔(常規(guī)系統(tǒng)獨有)能耗進行比較。

在系統(tǒng)運行中，考慮部分負荷機組性能系數(shù)的不確定，機組部分負荷性能系數(shù)按滿負荷性能系數(shù)算。夏季供冷按5個半月、運行總時間為1 980h計算。電費按1．0元/度計算。運行費用分析如表2所示，此運行費用分析同時考慮了同時使用系數(shù)。

4．2空調系統(tǒng)初投資比較

由于室內系統(tǒng)相同，本次空調系統(tǒng)初投資比較不考慮室內系統(tǒng)部分?？照{系統(tǒng)初投資比較如表3所示，該分析根據(jù)2010年市場上中等偏上質量與品牌的空調產品來估算造價，熱源井造價按3.5萬元/口進行估算。

表2 運行費用分析表

表3 初投資比較表

4．3投資回收期分析，如表4所示。

表4 投資回收期分析表

4．4系統(tǒng)實際運行后經濟性分析

該系統(tǒng)竣工驗收合格后，第一年經實際監(jiān)測，實際全年運行耗電量為55．5 737萬kWh，系統(tǒng)實際運行費用為55．5 737萬元;空調系統(tǒng)經過招投標采購實際投資為278．8萬元(不含室內系統(tǒng)部分)，其中機組165萬元，冷卻水泵7．5萬元，潛水泵9．3萬元，熱源井80萬元，地下水水質處理設備17萬元;靜態(tài)回收期5．1年。

此外，本項目已獲評為福州市第二批可再生能源建筑應用示范項目，示范項目補助標準按機組額定制冷量每千瓦補助350元，最終獲得財政補貼101．15萬元，靜態(tài)回收期小于3．2年(補貼證明可查閱福州市城鄉(xiāng)建設委員會榕建科〔2012〕11號文件“關于福州市第二批可再生能源建筑應用示范工程項目的公示通知”)。

5 設計及運行不足之處

系統(tǒng)設計中，冷卻水泵與地源熱泵主機一一對應，地下水流量通過控制開啟冷卻水泵及主機臺數(shù)來控制，部分負荷運行時水泵功耗過高。

系統(tǒng)運行過程中曾出現(xiàn)回水井溢出或堵塞現(xiàn)象。水井長期運行抽、回灌可能引起存在于井壁周圍細顆粒介質的重組，造成水井堵塞，水井回灌比不能達到要求。解決方法是定期回揚和洗井，既可保證取水井、回灌井的正常使用，又能夠提高熱源井的使用壽命［3］。

試運行階段膠球自動在線清洗清洗裝置未投入使用，造成機組清潔不及時，有結垢現(xiàn)象，影響機組換熱。

6 結論

采用高效節(jié)能的地下水地源熱泵系統(tǒng)，利用可再生能源進行供冷及供熱。既做到了節(jié)能環(huán)保，又提高了能源利用率，無論從技術可靠性，還是從投資與運行經濟性的角度，對于業(yè)主來說，都是一個極佳的選擇，少了一次能源消耗，為業(yè)主帶來了較好的社會和環(huán)境效益。同時部分負荷運行時，制定合理水流量控制策略，可以大大減小系統(tǒng)水泵能耗。并且系統(tǒng)實際運行過程，注重系統(tǒng)維護，保證系統(tǒng)高效運行，同時延長設備使用壽命。

［1］GB50366－2005地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［2］徐偉，張時聰．我國地源熱泵技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．智能建筑，2007(9):43－46．

［3］陳焰華，於仲義，雷建平，等．武漢地區(qū)地源熱泵技術應用存在的注意問題及對策分析［J］．暖通空調，2009，39 (6):6－11．

Fuzhou a passenger groundwater source heat pump system design

ZHENG Jinmin
(Architectural Design and Research Institute of Fujian Province，F(xiàn)uzhou 350001)

Introduced the project groundwater source heat pump system design and operation，focuses on system design and applications related to Hydrogeological conditions，heat well design，andAccording to the actual operation data were analyzed from the energy，environmental and economic benefits of the three aspects，the results show that the project saving，environmental protection，significant economic benefits．

Groundwater source heat pump;Heat well;Pumping wells;Recharge wells;Energy Saving

TU96+2

:A

:1004－6135(2017)01－0089－04

鄭錦民(1971．3－)，男，高級工程師。

E-mail:2689318077@qq．com

2016－11－28