太原市某遠(yuǎn)郊居住小區(qū)水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張紅梅 劉 鵬

1太原學(xué)院環(huán)境工程系

2山西雙良可再生能源產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司

太原市某遠(yuǎn)郊居住小區(qū)水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張紅梅1劉 鵬2

1太原學(xué)院環(huán)境工程系

2山西雙良可再生能源產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司

對(duì)于城市集中供熱管網(wǎng)未覆蓋到的遠(yuǎn)郊居住小區(qū)，冬季采暖采用地源或水源熱泵系統(tǒng)是現(xiàn)階段的最佳之選。本文對(duì)山西省太原市某遠(yuǎn)郊生活小區(qū)水源熱泵系統(tǒng)的機(jī)房設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)對(duì)熱源參數(shù)計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)說明。并結(jié)合工程特點(diǎn)，提出節(jié)能運(yùn)行方面的建議。

水源熱泵 地下水井 熱泵機(jī)組

地源熱泵技術(shù)始于20世紀(jì)80年代，用于采暖的運(yùn)行費(fèi)用比燃油、燃煤鍋爐節(jié)約40%～60%[1]。作為一項(xiàng)“綠色技術(shù)”，我國(guó)地源熱泵技術(shù)開始發(fā)展于20世紀(jì)末，相比美國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家較晚，但極大地緩解了建筑能耗對(duì)煤炭和石油的依賴程度，使得能源資源走向多元化。其中水源熱泵對(duì)埋地?fù)Q熱器的技術(shù)難度比土壤源熱泵略低，所以水源熱泵成為北方中等發(fā)達(dá)城市供熱熱源的首選。但由于我國(guó)北方地表水資源缺乏，地源熱泵選擇地下水源熱泵為主。這一技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用同時(shí)也順應(yīng)了我國(guó)目前“節(jié)能、新能源開發(fā)和再生能源利用三方并重”的能源政策，國(guó)家鼓勵(lì)地源熱泵、太陽能等綠色供暖技術(shù)，與之配套的技術(shù)開發(fā)也大規(guī)模地展開。重慶、青島、湖南、上海等地的大學(xué)紛紛建立了地源熱泵實(shí)驗(yàn)室。本文就某住宅小區(qū)地下水源熱泵供暖系統(tǒng)機(jī)房方案設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 工程概況

該住宅小區(qū)位于太原市南郊，遠(yuǎn)離市區(qū)，集中供熱管網(wǎng)未覆蓋該地區(qū)。太原市能源政策規(guī)定嚴(yán)禁任何小區(qū)自建燃煤鍋爐房，燃?xì)忮仩t房近期內(nèi)也限制使用（僅限于調(diào)峰采暖）。小區(qū)共6棟多層住宅樓，最高樓層6層，均設(shè)有地下室，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性較好，采光充足，供暖總面積近5萬m2。小區(qū)南北總跨度258m，東西總跨度130m，供熱系統(tǒng)熱源位于小區(qū)西北角。該供暖系統(tǒng)共分兩個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：熱源部分和末端（室內(nèi)）部分，本文討論熱源部分。

2 主要設(shè)計(jì)條件

1）太原市冬季采暖室外計(jì)算溫度：-12℃；室外相對(duì)濕度：46%；主導(dǎo)風(fēng)向：西北風(fēng)，風(fēng)速2.7m/s。

2）建筑所在地土壤呈弱堿性，取水深度地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要為中粗砂和礫石，出水含沙量較大，本項(xiàng)目采用豎埋管地下水源熱泵形式。

3 設(shè)計(jì)思路

由于受小區(qū)地域及太原市地下水資源條件的限制，近年來太原市多家地源熱泵系統(tǒng)均采用淺層井熱源，井深一般為300～500m，初投資和工程難度均較低。根據(jù)本小區(qū)附近一個(gè)使用3年的淺層井水源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目數(shù)據(jù)顯示，冬季出水溫度僅為14℃左右，出水量少且不穩(wěn)定，水質(zhì)堿性強(qiáng)，硬度大，泥沙多?？紤]到本設(shè)計(jì)小區(qū)用戶的使用特征及需求（僅在冬季開啟系統(tǒng)），綜合考察了我國(guó)深井挖掘技術(shù)項(xiàng)目的發(fā)展現(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)采用了深層取水及階梯大溫差的供水方案，目的在于得到溫度較高的地下水以減少系統(tǒng)水流量，同時(shí)也最大可能地避免回灌條件發(fā)生改變時(shí)增加回灌難度。這種采用階梯式大溫差的設(shè)計(jì)方案，可對(duì)開采的地下水重復(fù)利用，提高熱能利用率，使得熱水降低到較低的溫度后才釋放到回灌井中。該方案的工作原理是，溫度較高的深井恒溫水經(jīng)過過濾、軟化后，首先進(jìn)入一級(jí)換熱循環(huán)系統(tǒng)參與換熱，出水溫度下降約30～40℃，之后串聯(lián)進(jìn)入二級(jí)換熱系統(tǒng)，水溫進(jìn)一步降低，熱能利用達(dá)最大化，最后加壓送入灌水井中。二級(jí)換熱系統(tǒng)的目的是能量提升，核心技術(shù)為熱泵機(jī)組，制冷劑為R22，蒸發(fā)器取自一級(jí)換熱器熱源回水的熱能，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮升溫后，進(jìn)入冷凝器放熱，用于加熱用戶回水，這樣可以提高地下水低位熱能的利用率，降低循環(huán)水量，減少地下水開采量。余熱作為二級(jí)熱水機(jī)組的冷凍水，進(jìn)一步降溫后（20℃左右）返回回灌井。其設(shè)計(jì)方案示意見圖1。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）地下水井。抽水井口距小區(qū)熱力站約50m[2]，垂直深度達(dá)2000m，灌水井深2200m，兩者地面井口水平相距約10m。為避免回灌水溫對(duì)取水點(diǎn)水溫的影響，回灌井在到達(dá)一定深度后改變走向，使之遠(yuǎn)離取水點(diǎn)。

2）水溫。該地區(qū)該深度地下水溫相對(duì)比較穩(wěn)定，冬季取水溫度可達(dá)70℃，恒定的水溫有利于系統(tǒng)流量恒定，水力工況穩(wěn)定，同時(shí)，較高的水溫還可以減少流量。而二次網(wǎng)系統(tǒng)用戶室內(nèi)采用低溫地板輻射供暖系統(tǒng)，供水溫度不超過50℃[3]，因此，取水溫度滿足作為室內(nèi)供暖系統(tǒng)的溫度條件。

3）水量?？紤]到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性要求，滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，應(yīng)能滿足用水量的要求。本方案取水量能保證高峰期60t/h。

4）水質(zhì)。地下水中含有大量的泥沙等固體雜質(zhì)，水質(zhì)有結(jié)垢離子，考慮到運(yùn)行過程中多次用到，多次經(jīng)過換熱器，設(shè)計(jì)時(shí)采用額定流量150t/h耐溫80℃的旋流除沙器進(jìn)行過濾。

5）運(yùn)行參數(shù)。t取水=70℃，t一次回水=45℃，t回灌= 19.9℃，t用戶供水=45℃，t用戶回水=35℃，G一次水流量=60t/h，忽略管道散熱，則熱源一級(jí)系統(tǒng)散熱量Q一次=C×G一次水流量×Δt=4.18×60000×103×(70-45)=6.27GJ/h。

6）設(shè)備參數(shù)。一級(jí)泵選用額定流量320t/h，揚(yáng)程29.5m，壓力1.6MPa。二級(jí)泵選用額定流量300t/h，揚(yáng)程18m，壓力1.6MPa。換熱器選用標(biāo)準(zhǔn)板式換熱器，一級(jí)換熱器面積200m2，二級(jí)換熱器面積110m2。旋流除沙器額定流量150t/h，壓力1.6MPa，額定工作溫度80℃。

圖1 地下水源熱泵機(jī)組工作過程示意圖

5 運(yùn)行調(diào)控

為實(shí)現(xiàn)熱能的梯級(jí)利用，冬季系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)室外氣象狀況，分階段量調(diào)節(jié)，供暖初期及末期室外溫度較高，選擇小流量運(yùn)行，熱泵系統(tǒng)不工作，可取設(shè)計(jì)流量的60%，減少抽、灌水量。供暖中期，按照滿負(fù)荷運(yùn)行。熱泵啟動(dòng)，提升二級(jí)換熱器的水溫后，與來自一級(jí)換熱器的二次網(wǎng)供水并聯(lián)送至用戶系統(tǒng)（圖2）。若遇百年不遇的極寒氣象條件，則開啟天然氣鍋爐作為備用熱源。

圖2 滿負(fù)荷運(yùn)行期熱泵系統(tǒng)工作循環(huán)過程

6 結(jié)論

本文對(duì)北方冬季集中供熱熱網(wǎng)維覆蓋地區(qū)的地下水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行方案進(jìn)行了介紹。深層井運(yùn)行費(fèi)用低，工況穩(wěn)定，調(diào)節(jié)性較好。對(duì)于熱源選擇受限的地區(qū)，是現(xiàn)階段的最佳之選。

[1] 國(guó)家建設(shè)部.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(GB 50366-2005)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005

[2] 國(guó)家建設(shè)部.供水管井技術(shù)規(guī)范(GB 50296-1999)[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,1999

[3] 國(guó)家建設(shè)部.地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程(JGJ142-200)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004

Design of Water Source Heat Pump System for Suburb Residential District in Taiyuan

ZHANG Hong-mei1,LIU Peng2

1 Department of Environmental Engineering,Taiyuan College
2 Shanxi Shuangliang Renewable Energy Industry Group Limited Company

The city central heating pipe network is not covered by the suburb residential area,and the winter heating by heat or water source heat pump system is the best choice at this stage.The design process of Taiyuan city suburban living area of water source heat pump system was introduced,focusing on a detailed description of the heat source parameters calculation.Combined with the engineering characteristics,some suggestions on energy saving operation were put forward.

water source heat pump,underground water wells,heat pump units

1003-0344（2015）04-096-3

2014-5-22

張紅梅（1971～），女，本科，講師；太原市小店區(qū)長(zhǎng)治路199號(hào)文華苑C區(qū)（030006）；E-mail:zhmyy200@sina.com