太原市某远郊居住小区水源热泵系统的设计

张红梅 刘 鹏

1太原学院环境工程系

2山西双良可再生能源产业集团有限公司

太原市某远郊居住小区水源热泵系统的设计

张红梅1刘 鹏2

1太原学院环境工程系

2山西双良可再生能源产业集团有限公司

对于城市集中供热管网未覆盖到的远郊居住小区，冬季采暖采用地源或水源热泵系统是现阶段的最佳之选。本文对山西省太原市某远郊生活小区水源热泵系统的机房设计过程进行了介绍，重点对热源参数计算进行了详细说明。并结合工程特点，提出节能运行方面的建议。

水源热泵 地下水井 热泵机组

地源热泵技术始于20世纪80年代，用于采暖的运行费用比燃油、燃煤锅炉节约40%～60%[1]。作为一项“绿色技术”，我国地源热泵技术开始发展于20世纪末，相比美国、英国等发达国家较晚，但极大地缓解了建筑能耗对煤炭和石油的依赖程度，使得能源资源走向多元化。其中水源热泵对埋地换热器的技术难度比土壤源热泵略低，所以水源热泵成为北方中等发达城市供热热源的首选。但由于我国北方地表水资源缺乏，地源热泵选择地下水源热泵为主。这一技术的发展及应用同时也顺应了我国目前“节能、新能源开发和再生能源利用三方并重”的能源政策，国家鼓励地源热泵、太阳能等绿色供暖技术，与之配套的技术开发也大规模地展开。重庆、青岛、湖南、上海等地的大学纷纷建立了地源热泵实验室。本文就某住宅小区地下水源热泵供暖系统机房方案设计进行探讨。

1 工程概况

该住宅小区位于太原市南郊，远离市区，集中供热管网未覆盖该地区。太原市能源政策规定严禁任何小区自建燃煤锅炉房，燃气锅炉房近期内也限制使用（仅限于调峰采暖）。小区共6栋多层住宅楼，最高楼层6层，均设有地下室，围护结构保温性较好，采光充足，供暖总面积近5万m2。小区南北总跨度258m，东西总跨度130m，供热系统热源位于小区西北角。该供暖系统共分两个设计环节：热源部分和末端（室内）部分，本文讨论热源部分。

2 主要设计条件

1）太原市冬季采暖室外计算温度：-12℃；室外相对湿度：46%；主导风向：西北风，风速2.7m/s。

2）建筑所在地土壤呈弱碱性，取水深度地质结构主要为中粗砂和砾石，出水含沙量较大，本项目采用竖埋管地下水源热泵形式。

3 设计思路

由于受小区地域及太原市地下水资源条件的限制，近年来太原市多家地源热泵系统均采用浅层井热源，井深一般为300～500m，初投资和工程难度均较低。根据本小区附近一个使用3年的浅层井水源热泵系统项目数据显示，冬季出水温度仅为14℃左右，出水量少且不稳定，水质碱性强，硬度大，泥沙多。考虑到本设计小区用户的使用特征及需求（仅在冬季开启系统），综合考察了我国深井挖掘技术项目的发展现状，本设计采用了深层取水及阶梯大温差的供水方案，目的在于得到温度较高的地下水以减少系统水流量，同时也最大可能地避免回灌条件发生改变时增加回灌难度。这种采用阶梯式大温差的设计方案，可对开采的地下水重复利用，提高热能利用率，使得热水降低到较低的温度后才释放到回灌井中。该方案的工作原理是，温度较高的深井恒温水经过过滤、软化后，首先进入一级换热循环系统参与换热，出水温度下降约30～40℃，之后串联进入二级换热系统，水温进一步降低，热能利用达最大化，最后加压送入灌水井中。二级换热系统的目的是能量提升，核心技术为热泵机组，制冷剂为R22，蒸发器取自一级换热器热源回水的热能，经压缩机压缩升温后，进入冷凝器放热，用于加热用户回水，这样可以提高地下水低位热能的利用率，降低循环水量，减少地下水开采量。余热作为二级热水机组的冷冻水，进一步降温后（20℃左右）返回回灌井。其设计方案示意见图1。

4 系统设计

1）地下水井。抽水井口距小区热力站约50m[2]，垂直深度达2000m，灌水井深2200m，两者地面井口水平相距约10m。为避免回灌水温对取水点水温的影响，回灌井在到达一定深度后改变走向，使之远离取水点。

2）水温。该地区该深度地下水温相对比较稳定，冬季取水温度可达70℃，恒定的水温有利于系统流量恒定，水力工况稳定，同时，较高的水温还可以减少流量。而二次网系统用户室内采用低温地板辐射供暖系统，供水温度不超过50℃[3]，因此，取水温度满足作为室内供暖系统的温度条件。

3）水量。考虑到系统运行的稳定性要求，满负荷运行工况下，应能满足用水量的要求。本方案取水量能保证高峰期60t/h。

4）水质。地下水中含有大量的泥沙等固体杂质，水质有结垢离子，考虑到运行过程中多次用到，多次经过换热器，设计时采用额定流量150t/h耐温80℃的旋流除沙器进行过滤。

5）运行参数。t取水=70℃，t一次回水=45℃，t回灌= 19.9℃，t用户供水=45℃，t用户回水=35℃，G一次水流量=60t/h，忽略管道散热，则热源一级系统散热量Q一次=C×G一次水流量×Δt=4.18×60000×103×(70-45)=6.27GJ/h。

6）设备参数。一级泵选用额定流量320t/h，扬程29.5m，压力1.6MPa。二级泵选用额定流量300t/h，扬程18m，压力1.6MPa。换热器选用标准板式换热器，一级换热器面积200m2，二级换热器面积110m2。旋流除沙器额定流量150t/h，压力1.6MPa，额定工作温度80℃。

图1 地下水源热泵机组工作过程示意图

5 运行调控

为实现热能的梯级利用，冬季系统运行时根据室外气象状况，分阶段量调节，供暖初期及末期室外温度较高，选择小流量运行，热泵系统不工作，可取设计流量的60%，减少抽、灌水量。供暖中期，按照满负荷运行。热泵启动，提升二级换热器的水温后，与来自一级换热器的二次网供水并联送至用户系统（图2）。若遇百年不遇的极寒气象条件，则开启天然气锅炉作为备用热源。

图2 满负荷运行期热泵系统工作循环过程

6 结论

本文对北方冬季集中供热热网维覆盖地区的地下水源热泵系统设计及运行方案进行了介绍。深层井运行费用低，工况稳定，调节性较好。对于热源选择受限的地区，是现阶段的最佳之选。

[1] 国家建设部.地源热泵系统工程技术规范(GB 50366-2005)[S].北京:中国建筑工业出版社,2005

[2] 国家建设部.供水管井技术规范(GB 50296-1999)[S].北京:中国计划出版社,1999

[3] 国家建设部.地面辐射供暖技术规程(JGJ142-200)[S].北京:中国建筑工业出版社,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

张红梅（1971～），女，本科，讲师；太原市小店区长治路199号文华苑C区（030006）；E-mail:zhmyy200@sina.com