福州某客运站地下水地源热泵系统设计

郑锦民

(福建省建筑设计研究院福建福州350001)

福州某客运站地下水地源热泵系统设计

郑锦民

(福建省建筑设计研究院福建福州350001)

介绍了该工程地下水地源热泵系统设计及运行情况，着重分析系统设计与应用中涉及到的水文地质条件、热源井的设计，并根据实际运行数据从节能、环保和经济效益三个方面进行了分析，结果表明该项目节能、环保，经济效益显著。

地下水地源热泵;热源井;抽水井;回灌井;节能

0 引言

地下水地源热泵系统是以地下水为低温热源，由地下水换热系统、水源热泵机组、建筑物内系统组成的供热空调系统［1］。从20世纪80年代末开始，我国开始地源热泵的试点应用，进入21世纪后，地源热泵作为一种节能环保的技术在全国各地迅速发展。至2009年底，我国地源热泵应用面积超过1亿m2，其中地下水地源热泵系统应用面积约占全部市场份额的一半左右［2］。该文介绍福州某客运站的地源热泵系统设计，并结合项目特点，阐述设计思路、设计难点，着重分析地源热泵系统方案原则、热源井成井工艺及效益。

1 工程概况

工程位于福州市上街大学城科技路与乌龙江大道交界处，占地面积5．667ha，总建筑面积21 193m2，建筑高度30．2m，地下1层，地上5层，一类公共建筑。地下一层为车库和设备用房;一层至五层为客运服务用房。夏季空调总冷负荷2 890kW，冬季不采暖。

2 水文地质条件

根据业主提供的水文资料和勘测井测试报告，本项目适合地下水地源热泵的技术条件有:场地浅部地下水主要赋存于中砂、中细砂层中，含水层顶板直接裸露地表或仅覆盖薄层粉土层，含水层厚度一般可达10m～15m。地下水主要接受大气降水及周边地表水及地下水的补给。抽水及回灌试验成果(成井管直径219mm):静水位为3．5m，试验降深为2．3m，出水量为40．35m3/h，影响半径39．0m，水温21℃～22℃，且变化温度小。水质条件尚好(铁离子含量较高)，采取对应的水质处理措施，满足水源热泵系统对水质的要求。抽水井与回灌井之比为1∶2。

3 地下水地源热泵系统的设计

3．1系统方案原则

根据水文地质条件及系统负荷特性特性，地源热泵系统采取如下措施:

(1)该项目综合考虑多方因素，本着节能减排、提高能源利用率的目的，地源热泵机组直接与地下水进行热交换。在不影响热泵机组效率的基础上，机组与热源井之间采用大温差小流量运行方式，进出水温差设定为11℃，以有效节省地下水取用及回灌量的打井费用。

(2)地下水质铁离子成分含量偏高，生产运行时易产生铁氧化物沉淀，造成管网、机组管路的堵塞，采取对应的水质处理的技术措施，经射频排污除砂过滤器后再进入综合水处理器，经过滤及除黄锈水处理满足水质要求后，直接通往地源热泵机组进行换热，并回灌至地下同一含水层。

(3)为防止软垢积聚在冷凝器内，长期运行后影响机组换热效率而使机组制冷效率下降，在冷凝器进水管侧增加胶球注入槽及BTS清洁装置。

(4)为系统设计反冲洗泵、反冲洗旁通管等相关措施。防止热源井的堵塞，保证地下水地源热泵系统能够长期稳定高效的运行。

3．2系统配置

根据系统夏季冷负荷，降低系统主机和水泵运行功耗结合主机的特点，同时考虑系统操作的简单性，水源热泵系统配置如表1所示。

表1 水源热泵系统配置

系统原理图，如图1所示。抽水井8口，回灌井16口;日常运行时C1－C8作为抽水井，H1－H16作为回灌井，其中H1－H8为回扬井(必要时在机房接两根管，也可以作为抽回两用井);抽回水井比例为1∶2;抽回水两用井应定期进行回扬。在达到节能标准的建筑保温体系前提下，通过开采浅层地下水，利用水源热泵机组提取地下热能，通过能量转移和能量释放系统实现向大楼供冷。由于较深的地层不会受到大气温度变化干扰，地层温度常年保持恒定，具有较大的热容量，因此地下水地源热泵系统的效率高于空气源热泵，且冬季没有结霜的问题。

图1 地下水地源热泵系统原理图

3．3热源井设计

3．3．1热源井的数量

结合工程情况的抽水及回灌试验成果，确定热源井参数如下:单口井出水量40m3/h;出水温度为21℃，回水温度32℃，温差11℃;抽水井与回灌井比例为1∶2。

需水量Gx用下式计算:

式中Q1为水源热泵机组总制冷量3 107．2kW，N1为总耗电功率为481．2 kW，△t1为夏季进出水温差11℃。

代入数据得到Gx为280．5m3/h，结合单井出水量40m3/h，抽水井与回灌井比例为1∶2，考虑一定的余量及长久效果，工程需8口抽水井，16口回灌井。

3．3．2管井结构设计

(1)8口抽水井成井工艺:

钻孔直径为650mm，井深23m，一径到底;采用Ф219×4mm钢管成井，井壁管段2．5m、过滤管段15m(最大含水层厚度)、下泵井壁管段1．5m、沉降管段4m，其中含水层井壁管段为桥式过滤管段(即带滤孔的钢管)，其余均采用井壁光滑管段。每口井内含水层安装了深井泵，底部以Ф219×4mm钢板焊接封底。

井管外填天然砾石填料，填砾厚度大于215mm。在取水间都使用反冲洗管相连接，以利平时回扬洗井维护。同时可使这些取水井在负荷不大时交替使用。成井工艺如图2所示。

图2 抽水井井身结构

(2)16口回灌井成井工艺:

钻孔直径为650mm，井深23m，一径到底;采用Ф219×4mm钢管成井，井壁管段2．5m、过滤管段16.5m、沉降管段4m，其中含水层井壁管段为桥式过滤管段(即带滤孔的钢管)，其余均采用井壁光滑管段。每口井内含水层安装了深井泵，底部以Ф219×4mm钢板焊接封底。

在其中8口回灌井(H1～H8)内安装了深井水泵，以做备用取水井，另8口井内将回水管放入含水层中段。成井工艺如图3所示。

(3)桥式过滤管段、滤料及填砾技术要求:

①桥式过滤管段孔隙尺寸采用D10(即滤料试样筛分中能通过网眼的颗粒，其累计质量占试样总质量的10％时的最大颗粒直径)。

②滤料采用水洗砾石，滤料直径根据含水层特征确定。砂土:D50(即滤料试样筛分中能通过网眼的颗粒，其累计质量占试样总质量的50％时的最大颗粒直径)=(6～8)d50(即含水层土试样筛分中能通过网眼的颗粒，其累计质量占试样总质量的50％时的最大颗粒直径);滤料的不均匀系数(即η2=D50/ D10)小于或等于2。

图3 回灌井井身结构

4 地源热泵系统经济分析

4．1空调系统运行费用比较

对拟采用的地源热泵空调系统与常规空调系统进行经济分析。空调系统运行能耗包括，机组能耗、冷冻水泵能耗、冷却水泵(潜水泵)能耗、末端能耗、冷却塔(常规系统独有)能耗。地下水地源热泵系统与常规空调系统在末端能耗、冷冻水泵能耗上基本相同。故为方便比较，只对机组能耗、冷却水泵(潜水泵)能耗、冷却塔(常规系统独有)能耗进行比较。

在系统运行中，考虑部分负荷机组性能系数的不确定，机组部分负荷性能系数按满负荷性能系数算。夏季供冷按5个半月、运行总时间为1 980h计算。电费按1．0元/度计算。运行费用分析如表2所示，此运行费用分析同时考虑了同时使用系数。

4．2空调系统初投资比较

由于室内系统相同，本次空调系统初投资比较不考虑室内系统部分。空调系统初投资比较如表3所示，该分析根据2010年市场上中等偏上质量与品牌的空调产品来估算造价，热源井造价按3.5万元/口进行估算。

表2 运行费用分析表

表3 初投资比较表

4．3投资回收期分析，如表4所示。

表4 投资回收期分析表

4．4系统实际运行后经济性分析

该系统竣工验收合格后，第一年经实际监测，实际全年运行耗电量为55．5 737万kWh，系统实际运行费用为55．5 737万元;空调系统经过招投标采购实际投资为278．8万元(不含室内系统部分)，其中机组165万元，冷却水泵7．5万元，潜水泵9．3万元，热源井80万元，地下水水质处理设备17万元;静态回收期5．1年。

此外，本项目已获评为福州市第二批可再生能源建筑应用示范项目，示范项目补助标准按机组额定制冷量每千瓦补助350元，最终获得财政补贴101．15万元，静态回收期小于3．2年(补贴证明可查阅福州市城乡建设委员会榕建科〔2012〕11号文件“关于福州市第二批可再生能源建筑应用示范工程项目的公示通知”)。

5 设计及运行不足之处

系统设计中，冷却水泵与地源热泵主机一一对应，地下水流量通过控制开启冷却水泵及主机台数来控制，部分负荷运行时水泵功耗过高。

系统运行过程中曾出现回水井溢出或堵塞现象。水井长期运行抽、回灌可能引起存在于井壁周围细颗粒介质的重组，造成水井堵塞，水井回灌比不能达到要求。解决方法是定期回扬和洗井，既可保证取水井、回灌井的正常使用，又能够提高热源井的使用寿命［3］。

试运行阶段胶球自动在线清洗清洗装置未投入使用，造成机组清洁不及时，有结垢现象，影响机组换热。

6 结论

采用高效节能的地下水地源热泵系统，利用可再生能源进行供冷及供热。既做到了节能环保，又提高了能源利用率，无论从技术可靠性，还是从投资与运行经济性的角度，对于业主来说，都是一个极佳的选择，少了一次能源消耗，为业主带来了较好的社会和环境效益。同时部分负荷运行时，制定合理水流量控制策略，可以大大减小系统水泵能耗。并且系统实际运行过程，注重系统维护，保证系统高效运行，同时延长设备使用寿命。

［1］GB50366－2005地源热泵系统工程技术规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2009．

［2］徐伟，张时聪．我国地源热泵技术现状及发展趋势［J］．智能建筑，2007(9):43－46．

［3］陈焰华，於仲义，雷建平，等．武汉地区地源热泵技术应用存在的注意问题及对策分析［J］．暖通空调，2009，39 (6):6－11．

Fuzhou a passenger groundwater source heat pump system design

ZHENG Jinmin
(Architectural Design and Research Institute of Fujian Province，Fuzhou 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

郑锦民(1971．3－)，男，高级工程师。

E-mail:2689318077@qq．com

2016－11－28