地下水源热泵系统设计探讨

张宏宗

摘要：结合某项目简要介绍了地下水源热泵系统设计，包括水源、用水量、井结构和井间距等设计

关键词：地下水源热泵可再生能源设计

前言

水源热泵(WSHP)是利用地表浅层水源的低温、低位热能资源，向高位热能转换的一种技术。根据水源的不同，水源热泵包括地下水源热泵(GWHP)、地表水源热泵(SWHP)和污水源热泵。根据对水源利用方式的不同，水源热泵分为闭式系统和开式系统。地源热泵系统可以提供冷暖空调和热水，具有一机三用的好处。对于既有冷、暖空调和热水需求的项目采用地源热泵系统是最节能、最经济的。

地下水源热泵是利用地下水中积蓄的低品位热能，根据卡诺循环原理，借助压缩机系统，通过少量的高品位电能的输入，不断将水源水中大量取之不竭但又不易利用的低品位热能置换出来，使其变成可利用的高品位热能，实现低位能向高位能转移的一种可再生能源利用技术，由此形成的冷热源，不仅可以满足各类建筑冬季供暖、夏季供冷的需求，还可同时解决生活热水的供应问题，是一种节能环保和先进实用的新型空调技术，现已成为供热供冷系统中更为高效、更为经济的首选方案，下面将根据地下水源热泵系统应用所需的外在条件，对项目利用地下水源热泵技术进行设计探讨。

项目概况

本工程空调总面积：15590.50㎡,按施工图设计文件提供逐项逐时的冷负荷Q=2083Kw，热负荷Q=858Kw。按水源热泵产品样本数据取COP=5.7，COP=4.5。

Q'=Q*(1+1/COP)=2083x（1+1/5.7）=2448Kw

Q'=Q*(1-1/COP)=858x（1-1/4.5）=667Kw

水源分析

闭式系统成本比较高，而开式系统则受水源水温、水质、水量等条件的限制。合适的水源是水源热泵技术应用的关键。供水水源可行性研究，要考虑水温因素和需水量的保证率，应充分估计环境对地表水吸收和排放热量的影响，考虑水温的升降是否在能够接受的范围内。当选用地下水源时，应根据地下水埋深、含水层厚度、出水量大小和技术经济条件等选取不同形式的取水构筑物，并兼顾到取水构筑物标高与洪水季节水位的关系。

（1）水源热泵系统对水源的要求

水源热泵系统的水量、水温、水质和供水稳定性是影响水源热泵系统运行效果的重要因素。应用水源热泵时，对水源系统的原则要求是：

1）、水量充足，水温适度，水质适宜，供水稳定；

2）、水源的水质，应适宜于系统机组、管道和阀门的材质，不至于产生严重的腐蚀损坏；

3）、水源系统供水保证率要高，供水功能具有长期可靠性，能保证水源热泵中央空调系统长期和稳定运行。

（2）项目场区水源分析

通过到项目场地现场周边对地表水资源进行的实地调查，得出以下结论：地下水地源热泵系统相对于传统的采暖空调系统相比具有较好的节能性、显著的环保效益、良好的经济性等特点，在国内外得到广泛的关注与应用，但其应用是有条件的，不是任何地区都适合采用该系统。地下水地源热泵系统应用的条件主要包括水文地质条件、建筑物冷热负荷条件、周边环境及场地条件等。

水源总用水量的确定

夏季水源总用水量G(m/h)按下式计算：

G=0.86（Q+N）/t

式中Q：水源热泵机组总制冷量，Kw

N：水源热泵机组总耗电功率，Kw

t：夏季水源水进出热泵机组温差，ºC

根据产品样本提取水源热泵机组制冷总耗电功率N=503Kw，夏季水源水进出热泵机组温差t=11℃。计算夏季水源总用水量：

G=0.86（Q+N）/t=0.86x（2448+503）/11=230.71（m/h）

冬季水源总用水量G(m/h)按下式计算：

G=0.86（Q-N）/t

式中Q：水源热泵机组总制热量，Kw

N：水源热泵机组总耗电功率，Kw

t：冬季水源水进出热泵机组温差，ºC

根据产品样本提取水源热泵机组制热总耗电功率N=175Kw，冬季水源水进出热泵机组温差t=8ºC。计算冬季水源总用水量：

G=0.86（Q-N）/t=0.86x（667-175）/8=52.89（m/h）

因夏季总用水量G大于冬季用水量G，所以地下水源总取水量取G与G中的较大者G=230.71（m/h）

井结构设计

热源井的井流量设计是为了确定抽水井和回灌井的数量。一般来说,地下水地源热泵系统的热源井是包含抽水井和回灌井的井群,井间抽水和回灌相互干扰。

热源井的主要形式有管井、大口井、辐射井等。管井一般指用凿井机械开凿至含水层中,用井壁管保护井壁,垂直地面的直井,是目前地下水地源热泵空调系统中最常见的。大口井一般井径大于1.5m,可作为开采浅层地下水的热源井。辐射井是由集水井与若干呈辐射状铺设的水平集水管(辐射管)组合而成,具有管理集中、占地小、便于卫生防护等优点,但施工技术难度大,成本较高。

井间距设计

热贯通定义为热泵运行期间抽水温度发生改变的现象。轻微的热贯通是可以接受的，但强烈的热贯通会降低系统承担负荷的能力，过大的温度变化会影响热泵机组的效率，严重时还能使地下水冻结，造成事故。热贯通可接受的程度与当地地下水温度、热泵机组的性能有关。热贯通产生的原因与含水层特性、井的设计、井间距、井的运行方式和负荷特性有关，其中抽水井和回灌井之间的间距是影响热贯通程度的最大可控因素。井间距越大,产生热贯通的时间越长，程度也越轻微。一般对渗透性较好的松散砂石层,井间距应在100m左右，且回灌井宜在抽水井的下游，对渗透性较差的含水层,井间距一般在50m左右,不宜小于50m。井孔位置应远离高压电线，与建筑物的距离不应小于20m，与埋地电缆、上下水管道等埋地管线的距离不应小于10m。

结论

地下水源热泵系统，是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的空调冷热源系统，在环保、节能和应用范围等各方面拥有重要的实用价值，同时也符合国家能源战略发展需要，因此，近几年水（地）源热泵在全国范围内有了长足的发展。

参考文献

[1]陆耀庆，主编.《实用供热空调设计手册》.中国建筑工业出版社，2007.

[2]赵军，戴传山主编.《地源热泵技术与建筑节能应用》.中国建筑工业出版社，2007.

[3]中华人民共和国建设部主编.《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2009.