福州某客運(yùn)站地下水地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭錦民

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院福建福州350001)

福州某客運(yùn)站地下水地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭錦民

(福建省建筑設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)及運(yùn)行情況，著重分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用中涉及到的水文地質(zhì)條件、熱源井的設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)從節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益三個(gè)方面進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該項(xiàng)目節(jié)能、環(huán)保，經(jīng)濟(jì)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?zé)嵩?，由地下水換熱系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)［1］。從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)始地源熱泵的試點(diǎn)應(yīng)用，進(jìn)入21世紀(jì)后，地源熱泵作為一種節(jié)能環(huán)保的技術(shù)在全國(guó)各地迅速發(fā)展。至2009年底，我國(guó)地源熱泵應(yīng)用面積超過(guò)1億m2，其中地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用面積約占全部市場(chǎng)份額的一半左右［2］。該文介紹福州某客運(yùn)站的地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，闡述設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)難點(diǎn)，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(xué)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(kù)和設(shè)備用房;一層至五層為客運(yùn)服務(wù)用房。夏季空調(diào)總冷負(fù)荷2 890kW，冬季不采暖。

2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)業(yè)主提供的水文資料和勘測(cè)井測(cè)試報(bào)告，本項(xiàng)目適合地下水地源熱泵的技術(shù)條件有:場(chǎng)地淺部地下水主要賦存于中砂、中細(xì)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(dá)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(bǔ)給。抽水及回灌試驗(yàn)成果(成井管直徑219mm):靜水位為3．5m，試驗(yàn)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(zhì)條件尚好(鐵離子含量較高)，采取對(duì)應(yīng)的水質(zhì)處理措施，滿足水源熱泵系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)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(shè)計(jì)

3．1系統(tǒng)方案原則

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

(1)該項(xiàng)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(jī)組直接與地下水進(jìn)行熱交換。在不影響熱泵機(jī)組效率的基礎(chǔ)上，機(jī)組與熱源井之間采用大溫差小流量運(yùn)行方式，進(jìn)出水溫差設(shè)定為11℃，以有效節(jié)省地下水取用及回灌量的打井費(fèi)用。

(2)地下水質(zhì)鐵離子成分含量偏高，生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生鐵氧化物沉淀，造成管網(wǎng)、機(jī)組管路的堵塞，采取對(duì)應(yīng)的水質(zhì)處理的技術(shù)措施，經(jīng)射頻排污除砂過(guò)濾器后再進(jìn)入綜合水處理器，經(jīng)過(guò)濾及除黃銹水處理滿足水質(zhì)要求后，直接通往地源熱泵機(jī)組進(jìn)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(nèi)，長(zhǎng)期運(yùn)行后影響機(jī)組換熱效率而使機(jī)組制冷效率下降，在冷凝器進(jìn)水管側(cè)增加膠球注入槽及BTS清潔裝置。

(4)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)反沖洗泵、反沖洗旁通管等相關(guān)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(zhǎng)期穩(wěn)定高效的運(yùn)行。

3．2系統(tǒng)配置

根據(jù)系統(tǒng)夏季冷負(fù)荷，降低系統(tǒng)主機(jī)和水泵運(yùn)行功耗結(jié)合主機(jī)的特點(diǎn)，同時(shí)考慮系統(tǒng)操作的簡(jiǎn)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(yùn)行時(shí)C1－C8作為抽水井，H1－H16作為回灌井，其中H1－H8為回?fù)P井(必要時(shí)在機(jī)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(yīng)定期進(jìn)行回?fù)P。在達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑保溫體系前提下，通過(guò)開(kāi)采淺層地下水，利用水源熱泵機(jī)組提取地下熱能，通過(guò)能量轉(zhuǎn)移和能量釋放系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)向大樓供冷。由于較深的地層不會(huì)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(méi)有結(jié)霜的問(wèn)題。

圖1 地下水地源熱泵系統(tǒng)原理圖

3．3熱源井設(shè)計(jì)

3．3．1熱源井的數(shù)量

結(jié)合工程情況的抽水及回灌試驗(yàn)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(jì)算:

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

代入數(shù)據(jù)得到Gx為280．5m3/h，結(jié)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(zhǎng)久效果，工程需8口抽水井，16口回灌井。

3．3．2管井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(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(guò)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(guò)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(nèi)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(shí)回?fù)P洗井維護(hù)。同時(shí)可使這些取水井在負(fù)荷不大時(shí)交替使用。成井工藝如圖2所示。

圖2 抽水井井身結(jié)構(gòu)

(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(guò)濾管段16.5m、沉降管段4m，其中含水層井壁管段為橋式過(guò)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(nèi)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(nèi)安裝了深井水泵，以做備用取水井，另8口井內(nèi)將回水管放入含水層中段。成井工藝如圖3所示。

(3)橋式過(guò)濾管段、濾料及填礫技術(shù)要求:

①橋式過(guò)濾管段孔隙尺寸采用D10(即濾料試樣篩分中能通過(guò)網(wǎng)眼的顆粒，其累計(jì)質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的10％時(shí)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(guò)網(wǎng)眼的顆粒，其累計(jì)質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的50％時(shí)的最大顆粒直徑)=(6～8)d50(即含水層土試樣篩分中能通過(guò)網(wǎng)眼的顆粒，其累計(jì)質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的50％時(shí)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(jié)構(gòu)

4 地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析

4．1空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用比較

對(duì)擬采用的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析?？照{(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗包括，機(jī)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(dú)有)能耗。地下水地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)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(duì)機(jī)組能耗、冷卻水泵(潛水泵)能耗、冷卻塔(常規(guī)系統(tǒng)獨(dú)有)能耗進(jìn)行比較。

在系統(tǒng)運(yùn)行中，考慮部分負(fù)荷機(jī)組性能系數(shù)的不確定，機(jī)組部分負(fù)荷性能系數(shù)按滿負(fù)荷性能系數(shù)算。夏季供冷按5個(gè)半月、運(yùn)行總時(shí)間為1 980h計(jì)算。電費(fèi)按1．0元/度計(jì)算。運(yùn)行費(fèi)用分析如表2所示，此運(yùn)行費(fèi)用分析同時(shí)考慮了同時(shí)使用系數(shù)。

4．2空調(diào)系統(tǒng)初投資比較

由于室內(nèi)系統(tǒng)相同，本次空調(diào)系統(tǒng)初投資比較不考慮室內(nèi)系統(tǒng)部分?？照{(diào)系統(tǒng)初投資比較如表3所示，該分析根據(jù)2010年市場(chǎng)上中等偏上質(zhì)量與品牌的空調(diào)產(chǎn)品來(lái)估算造價(jià)，熱源井造價(jià)按3.5萬(wàn)元/口進(jìn)行估算。

表2 運(yùn)行費(fèi)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(shí)際運(yùn)行后經(jīng)濟(jì)性分析

該系統(tǒng)竣工驗(yàn)收合格后，第一年經(jīng)實(shí)際監(jiān)測(cè)，實(shí)際全年運(yùn)行耗電量為55．5 737萬(wàn)kWh，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用為55．5 737萬(wàn)元;空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)招投標(biāo)采購(gòu)實(shí)際投資為278．8萬(wàn)元(不含室內(nèi)系統(tǒng)部分)，其中機(jī)組165萬(wàn)元，冷卻水泵7．5萬(wàn)元，潛水泵9．3萬(wàn)元，熱源井80萬(wàn)元，地下水水質(zhì)處理設(shè)備17萬(wàn)元;靜態(tài)回收期5．1年。

此外，本項(xiàng)目已獲評(píng)為福州市第二批可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目，示范項(xiàng)目補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)按機(jī)組額定制冷量每千瓦補(bǔ)助350元，最終獲得財(cái)政補(bǔ)貼101．15萬(wàn)元，靜態(tài)回收期小于3．2年(補(bǔ)貼證明可查閱福州市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)榕建科〔2012〕11號(hào)文件“關(guān)于福州市第二批可再生能源建筑應(yīng)用示范工程項(xiàng)目的公示通知”)。

5 設(shè)計(jì)及運(yùn)行不足之處

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，冷卻水泵與地源熱泵主機(jī)一一對(duì)應(yīng)，地下水流量通過(guò)控制開(kāi)啟冷卻水泵及主機(jī)臺(tái)數(shù)來(lái)控制，部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)水泵功耗過(guò)高。

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中曾出現(xiàn)回水井溢出或堵塞現(xiàn)象。水井長(zhǎng)期運(yùn)行抽、回灌可能引起存在于井壁周圍細(xì)顆粒介質(zhì)的重組，造成水井堵塞，水井回灌比不能達(dá)到要求。解決方法是定期回?fù)P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(yùn)行階段膠球自動(dòng)在線清洗清洗裝置未投入使用，造成機(jī)組清潔不及時(shí)，有結(jié)垢現(xiàn)象，影響機(jī)組換熱。

6 結(jié)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(jìn)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(wú)論從技術(shù)可靠性，還是從投資與運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的角度，對(duì)于業(yè)主來(lái)說(shuō)，都是一個(gè)極佳的選擇，少了一次能源消耗，為業(yè)主帶來(lái)了較好的社會(huì)和環(huán)境效益。同時(shí)部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，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(shí)際運(yùn)行過(guò)程，注重系統(tǒng)維護(hù)，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行，同時(shí)延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

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

［2］徐偉，張時(shí)聰．我國(guó)地源熱泵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［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(shù)應(yīng)用存在的注意問(wèn)題及對(duì)策分析［J］．暖通空調(diào)，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(jí)工程師。

E-mail:2689318077@qq．com

2016－11－28