地下水地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計與運行工況分析

1、地下水地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計與運行工況分析陳焰華(武漢市建筑設(shè)計院,武漢 430014摘要深入闡述了地下水地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)特性,指出了系統(tǒng)運行效率提高和減少一次能源使用量的差別,并結(jié)合工程設(shè)計經(jīng)驗和實際運行工況分析,對影響地下水地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計和運行效果的熱源井設(shè)計、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計及地源熱泵機組的選型和配置等問題進行了深入探討,提出了地下水地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)注意的問題。關(guān)鍵詞地下水地源熱泵 熱源井 系統(tǒng)設(shè)計 機組選型DESIGN GROUNDWATER GROUND-SOURCE HEAT PUMP AIRCONDITIONING SYSTEM AND ANALYSIS ITS OPE

2、RATING MODEChen Yanhua(Wuhan Architectural Design Institute, Wuhan, 430014Abstract Represent the technic characteristic of groundwater ground-source heat pump air conditioning system. Interpret the difference between increasing operational efficiency and reducing using primary energysources. Analyse

3、 some question, such as heat source wells design, air conditionings design, ground-source heat pump units lectotype and collocation, combining design experience and practical operating mode. Extract some question that we must pay attention to it in groundwater ground-source heat pump air conditionin

4、g system.Keywords Groundwater ground-source heat pump heat source well system design unit lectotype0.概述眾所周知,地下水地源熱泵系統(tǒng)因其換熱效率高,設(shè)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(yīng)用,對地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用起到了較好的帶頭和示范作用。但勿庸諱言,在不少的地下水地源熱泵工程應(yīng)用實例中也暴露和發(fā)現(xiàn)了很多的問題,如抽水井、回灌井的堵塞、取水量滿足不了設(shè)計要求,不能做到百分之百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(xiàn),需要我們進行認真地分析

5、和研究,并提出切實可行的解決辦法,以維護和保持地下水地源熱泵這項節(jié)能環(huán)保、可再生能源利用技術(shù)的聲譽,并使地下水地源熱泵技術(shù)在實際運行經(jīng)驗和可靠設(shè)計手段的支撐下健康、穩(wěn)定發(fā)展,發(fā)揮出其不可替代的獨特效益。1.地源熱泵的技術(shù)特性地源熱泵是一項新興的節(jié)能環(huán)保、可再生能源利用技術(shù),利用淺層地表作為熱源和熱匯,實現(xiàn)能源的可再生利用,符合我國的能源利用政策和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的最大意義在于利用淺層地能,減少了建筑物制冷、采暖所消耗的一次能源(即化石能源。夏季制冷時,地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)把建筑物的余熱轉(zhuǎn)移至地下,夏儲冬用,而不是通過冷卻塔排至大氣,減少了冷卻塔的漂水損失,減緩了城市的熱島效應(yīng),其夏

6、季制冷時系統(tǒng)的效率根據(jù)不同的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)大致可較常規(guī)冷卻塔散熱的電制冷空調(diào)系統(tǒng)提高510%。冬季制熱時,地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)充分利用了淺層地表儲藏的低溫?zé)嵩?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。其冬季供暖時系統(tǒng)的效率根據(jù)不同的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)大致可較常規(guī)鍋爐供熱系統(tǒng)提高1015%。在夏熱冬冷地區(qū),地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)一年的制冷、供暖期較空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)效率提高約3040%,較常規(guī)冷卻塔散熱的電制冷空調(diào)系統(tǒng)加鍋爐供熱系統(tǒng),效率提高約1525%。對節(jié)能50%的住宅建筑來說,地下水地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)初投資大致與電制冷加鍋爐系統(tǒng)持平,單位建筑面積工程造價為200230元/

7、米2。地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)初投資較電制冷加鍋爐系統(tǒng)約高3040%,單位建筑面積工程造價為280300元/米2。對居住建筑和公共建筑來說,采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng),能夠減少一次能源(化石能源的使用量5060%左右,業(yè)主和開發(fā)商在建筑物空調(diào)上采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng),其靠提高系統(tǒng)運行效率,節(jié)省的運行費用是有限的,投資回收期一般在78年以上,而對國家來說,減少了一次能源(化石能源的消耗5060%,則意義重大。2.熱源井設(shè)計成井工藝是否到位、熱源井設(shè)計是否合理,決定了抽水、回灌井施工的成效和是否能達到全部回灌到同一含水層。實際工程經(jīng)驗表明,有很多熱源井未能嚴格按照供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范(GB50027-200

8、1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際經(jīng)驗,這都會導(dǎo)致熱源井施工的失效。如有的成井未能做好護壁和洗井、井底管孔未能密封或沉淀管設(shè)置深度不夠,這些都會影響取水、回灌量和熱源井的使用壽命;有的成井對場地水文地質(zhì)條件研究不夠,熱源井未能針對該場地的水文地質(zhì)條件進行合理設(shè)計;有的成井在井管下置時,施工經(jīng)驗不足或未嚴格按照規(guī)范要求回填,導(dǎo)致含砂量超標或加重?zé)嵩淳挠偃?。從理論上來說,抽水后地下水經(jīng)過地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(jīng)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(shù)。要達到以上要求,除了上述成

9、井工藝要到位外,熱源井井群的設(shè)計也相當重要。在水文地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上,試驗井的開鑿和抽水、回灌試驗尤為重要,這些基礎(chǔ)性技術(shù)數(shù)據(jù)是決定熱源井井群設(shè)計的關(guān)鍵,如單井取水量、回灌量、地下水徑流方向、速度、滲透系數(shù)、影響半徑等,很多工程因經(jīng)驗不足或受場地限制,抽水井間距、抽水、回灌井間距都未能達到設(shè)計要求,井群的抽水、回灌干擾和熱干擾都很為嚴重,既影響全部回灌又影響地下水的出水溫度。井群設(shè)計時,抽水、回灌井各井之間的水力平衡也往往遭到忽視,這同樣會影響到總出水量和總回灌率。熱源井設(shè)計和施工時,應(yīng)同時留出觀測井或觀測孔,抽水、回灌井計量儀表,有些城市為加強對地下水的保護,可在達到上述監(jiān)測手段的基礎(chǔ)上,對抽

10、水、回灌量及水質(zhì)進行在線監(jiān)測,有利于地下水地源熱泵系統(tǒng)合理取水并避免對地下水的破壞和污染。3.系統(tǒng)設(shè)計地下水地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計首要的問題是確定合適的水源熱泵機組運行溫差和地下水循環(huán)水量。地下水在夏季和冬季的實際需要量,與空調(diào)系統(tǒng)選擇的水源熱泵機組性能、地下水溫度、建筑物室內(nèi)設(shè)計參數(shù)和冷熱負荷以及換熱器的型式、水泵能耗等都有密切關(guān)系。最佳的地下水溫差和地下水量的確定,應(yīng)使地下水源熱泵系統(tǒng)的能效比(EER和性能系數(shù)(COP達到最高。制冷工況時,地下水源熱泵系統(tǒng)能效比(EER =冷負荷(w/井泵功率(w+環(huán)路功率(w +水源熱泵機組功率(w;供熱工況時,地下水源熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)(COP=熱負荷(w/井

11、泵功率(w+環(huán)路功率(w+水源熱泵機組功率(w。加大地下水使用溫差,可以減少地下水使用量,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(jù)實際工程的使用情況,在兩者之間進行分析和比較,得出最優(yōu)結(jié)合點。一般來說,在地下水溫度較低、單井出水量較小的情況下,可選擇較大的地下水利用溫差;在地下水溫度較高、單井出水量較大的情況下,可選擇較小的地下水利用溫差。如此因地制宜、合理搭配,才可能既提高地下水源熱泵系統(tǒng)的能源利用效率,又盡可能減少地下水的開采量,保護珍貴的水資源。為保護地下水地源熱泵機組的長期穩(wěn)定運行,原則上應(yīng)采用間接式系統(tǒng),既地下水通過板式換熱器與

12、熱泵機組間接換熱。雖然成井要求含砂量小于二十萬分之一,且一般取水管上都設(shè)有旋流除砂器,但實際工程運行中,因成井工藝不到位(特別是含有淤泥或粉細砂的地質(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,重則造成壓縮機的燒毀。地下水水質(zhì)也是影響水源熱泵機組長期穩(wěn)定運行的重要因素,重碳酸鈣型地下水,Cl-離子、Fe2-離子含量高的地下水,都會對水源熱泵機組造成一定的腐蝕和影響,為保護水源熱泵機組的正常運行,采用便于清洗、更換的板式換熱器確實是十分必要的。地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)水環(huán)路的設(shè)計與常規(guī)冷水機組水系統(tǒng)的設(shè)計略有差異,必須根據(jù)各生產(chǎn)廠家機組的技術(shù)要求考慮。用戶側(cè)及地下水側(cè)空調(diào)循環(huán)水

13、泵與水源冷熱水機組均采用先并后串的方式,循環(huán)水泵既可與冷熱水機組實現(xiàn)一對一供水,又可互相調(diào)節(jié)、互為備用。對于水源熱泵機組來說,其實現(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、性能可靠的電動閥,采用普通蝶閥時也一定要采用關(guān)斷靈活、密閉性好的閥門,水源熱泵機組接管原理圖見圖1。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機

14、及配套電纜。潛水泵的揚程應(yīng)能克服井內(nèi)動水位至機房地面高度、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)計應(yīng)根據(jù)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。 圖1 水源熱泵機組接管原理圖空調(diào)室外水環(huán)路和室內(nèi)系統(tǒng)的設(shè)計同常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)沒有區(qū)別,但應(yīng)該注意空調(diào)冷熱負荷的動態(tài)調(diào)節(jié)及系統(tǒng)的水力平衡,以使整個地下水源熱泵系統(tǒng)既達到舒適的空調(diào)效果,又充分提高系統(tǒng)的運行效率。地下水地源熱泵系統(tǒng)負荷側(cè)有條件設(shè)計為一次泵變流量系統(tǒng),通過水泵的變頻調(diào)節(jié)和運行來適應(yīng)空調(diào)末端負荷的動態(tài)變化,充分降低水輸送系統(tǒng)的能源消耗。4.地源熱泵機組技術(shù)特點目前的地源熱泵機組均按水路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換進行設(shè)計,而全

15、國地域跨度大、氣候條件相差甚異,地源熱泵機組的運行工況因之也相差甚大,因此地源熱泵機組蒸發(fā)器和冷凝器的設(shè)計應(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相應(yīng)能有所適應(yīng)和調(diào)整。一般來說,開機后半小時,因室內(nèi)溫度較高,冷凝溫度會相應(yīng)較高,此時冷凝壓力應(yīng)有較寬泛的設(shè)計范圍,否則會引起機組的保護停機。地源熱泵機組運行工況的差異,既會影響到機組的制冷、供熱量,又會影響到機組的實際功耗,機組設(shè)計時對這些運行工況的差異考慮不充分,輕則會導(dǎo)致機組在各種工況變動下能效比的下降,嚴重的可能會經(jīng)常導(dǎo)致機組的故障停機甚至燒毀壓縮機。鑒于地源熱泵機組在實際運行時工況變化幅度較大,

16、建議各生產(chǎn)廠家在機組出廠時應(yīng)進行全性能、全工況測試,最好提供各工況下機組性能參數(shù)選擇軟件,設(shè)計人員在設(shè)計時可有針對性地復(fù)核各種運行工況參數(shù)并確保機組電力配線和安全保護的可靠性。使用R22工質(zhì)的地源熱泵機組,其冬季供熱時出水溫度一般能達到接近50,這在通?？臻g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,但在高大空間的會議、展廳、體育、車站、機場建筑中使用,就很難達到供熱舒適性要求。這時,就應(yīng)該選擇R134a或R407C工質(zhì)的中高溫型地源熱泵機組,機組供熱時的出水溫度可達到60或更高。但隨著機組出水溫度的升高,機組的冷凝壓力會相應(yīng)升高,機組的能效比會大幅下降,因此應(yīng)因工程而異,選擇合適的機組出水溫度,不應(yīng)盲目的將機組出水溫度提得太高。模塊式地源熱泵機組因其使用方便、安裝靈活得到了一定程度的應(yīng)用,但各地地下水水質(zhì)的差異會對其板式換熱器造成程度不同的腐蝕和損害,因此,建議實際工程中盡量慎重采用,或?qū)Φ叵滤M行有效處理,原則上大容量的機組最好還是選擇螺桿式地源熱泵機組。地源熱泵機組應(yīng)有性能優(yōu)異、動作可靠的自動控制和能量調(diào)節(jié)系統(tǒng),既提高系統(tǒng)運行的自動化水平,又能進行較