巍蟊 应用科学 浅谈地下水地源热泵空调系统的设计 关蕴静 （广州市住宅建筑设计院有限公司，广东广州５１０６２３） 摘要地源热泵作为一项可持续发展的建筑节能技术在国外已经发展成熟，而在我国尚处于研发阶段。地源热泵有着空气源热泵和水源热 泵所不可比拟的优点，但是它受各种因素的影响较大。对影响地下水地源热泵空调系统设计和运行效果的热源井设计、空调系统设计进行 探讨。 关键词地下水地源热泵；热源井；系统设计 中圈分类号ＴＵ９９５ 文献标识码Ａ 文章编号１６７３—９６７１一（２０１０）０６２—００９９—０１ 地源热泵（Ｇｒｏｕｎｄ—Ｓｏｕｒｃｅ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐｓ）是一种利用地下浅层地热资 砂量小于二十万分之一，且一般取水管上都设有旋流除砂器，但实际工 源（包括地下水、土壤或地表水等）的，既可供热又可制冷的高效节能 程运行中，因成井工艺不到位（特别是含有淤泥或粉细砂的地质构造 装置。 层），而使蒸发器、冷凝器阻塞的不在少数，轻则影响制冷、供热能 １热源井的设计 力，重则造成压缩机的烧毁。地下水水质也是影响水源热泵机组长期稳 成井工艺是否到位、热源井设计是否合理，决定了抽水、回灌井施 定运行的重要因素，重碳酸钙型地下水，ｃ．一离子、 ｚ一离子含量高的地 工的成效和是否能达到全部回灌到同一含水层。实际工程经验表明，有 下水，都会ｘ￣ＴＪ￣源热泵机组造成一定的腐蚀和影响，为保护水源热泵机 很多热源井未能严格按照《供水水文地质勘察规范》（ＧＢ５００２７—２００１） 组的正常运行，采用便于清洗、更换的板式换热器确实是十分必要的。 和《供水管井技术规范》（ＧＢ５０２９６—９９）施工到位或缺乏热源井施工的 地下水源热泵空调系统水环路的设计与常规冷水机组水系统的设计 实际经验，这都会导致热源井施工的失效。如有的成井未能做好护壁和 略有差异，必须根据各生产厂家机组的技术要求考虑。用户侧及地下水 洗井、井底管孔未能密封或沉淀管设置深度不够，这些都会影响取水、 侧空调循环水泵与水源冷热水机组均采用先并后串的方式，循环水泵既 回灌量和热源井的使用寿命；有的成井对场地水文地质条件研究不 可与冷热水机组实现一对一供水，又可互相调节、互为备用。对于水源 够，热源井未能针对该场地的水文地质条件进行合理设计；有的成井在 热泵机组来说，其实现夏冬季节制冷、供暖的转换，是通过水路系统阀 井管下置时，施工经验不足或未严格按照规范要求回填，导致含砂量超 门的转换进行的，夏季用户侧通过蒸发器回路供应空调冷水，冬季用户 标或加重热源井的淤塞。从理论上来说，抽水后地下水经过地源热泵机 侧则通过冷凝器回路供应供暖热水。因此夏冬季节水环路转换阀最好采 组的能量交换能够全部回灌到同一含水层，很多成功的工程经验也印证 用调节灵活、性能可靠的电动阀，采用普通蝶阀时也一定要采用关断灵 了这一点，但实际工程中未能达到全部回灌要求或根本未进行回灌的工 活、密闭性好的阀门，水源热泵机组接管原理图见图１。地下水井抽水 程也不在少数。要达到以上要求，除了上述成井工艺要到位外，热源井 泵可采用深井潜水泵，潜水泵下放深度应在动水位之下５ｍ处。安装要 井群的设计也相当重要。在水文地质勘察的基础上，试验井的开凿和抽 平稳，泵体要居中。一般依据井管内径、流量和扬程要求，根据生产厂 水、回灌试验尤为重要，这些基础性技术数据是决定热源井井群设计的 家提供的样本选配合适的水泵，再根据所需电功率选择电动机及配套电 关键，如单井取水量、回灌量、地下水径流方向、速度、渗透系数、影 缆。潜水泵的扬程应能克服井内动水位至机房地面高度、管道及板式换 响半径等，很多工程因经验不足或受场地，抽水井间距、抽水、回 热器阻力、水泵阻力及回灌余压。地下水回灌管道设计应根据各回灌井 灌井间距都未能达到设计要求，井群的抽水、回灌干扰和热干扰都很为 的距离进行阻力平衡计算，以保证各回灌井流量的均衡。 严重，既影响全部回灌又影响地下水的出水温度。井群设计时，抽水、 回灌井各井之间的水力平衡也往往遭到忽视，这同样会影响到总出水量 和总回灌率。 热源井设计和施工时，应同时留出观测井或观测孔，抽水、回灌井 计量仪表，有些城市为加强对地下水的保护，可在达到上述监测手段的 基础上，对抽水、回灌量及水质进行在线监测，有利于地下水地源热泵 系统合理取水并避免对地下水的破坏和污染。 ２系统的设计 地下水地源热泵系统设计首要的问题是确定合适的水源热泵机组运 行温差和地下水循环水量。地下水在夏季和冬季的实际需要量，与空 图１水源热泵机组接管原理图 调系统选择的水源热泵机组性能、地下水温度、建筑物室内设计参数 空调室外水环路和室内系统的设计同常规空调水系统没有区别，但 和冷热负荷以及换热器的型式、水泵能耗等都有密切关系。最佳的地 应该注意空调冷热负荷的动态调节及系统的水力平衡，以使整个地下水 源热泵系统既达到舒适的空调效果，又充分提高系统的运行效率。地下 下水温差和地下水量的确定，应使地下水源热泵系统的能效比（ＥＥＲ） 和性能系数（ＣＯＰ）达到最高。制冷工况时，地下水源热泵系统能效比 水地源热泵系统负荷侧有条件设计为一次泵变流量系统，通过水泵的变 （ＥＥＲ）＝冷负荷（Ｗ），井泵功率（Ｗ）＋环路功率（Ｗ）＋水源热泵机 频调节和运行来适应空调末端负荷的动态变化，充分降低水输送系统的 组功率（Ｗ）；供热工况时，地下水源热泵系统性能系数（ＣＯＰ）＝热 能源消耗。 负荷（ｗ）／井泵功率（Ｗ）＋环路功率（Ｗ）＋水源热泵机组功率（Ｗ）。 ３结束语 加大地下水使用温差，可以减少地下水使用量，减少井泵功率和环路功 地下水地源热泵系统具有经济、节能、环保等多方面的优势，弥补 率，但在一定条件下会增大水源热泵机组的使用功率，反之则相反。因 了我国传统的供暖制冷方式存在的问题，在很大程度上为国家节省了能 此，一定要根据实际工程的使用情况，在两者之间进行分析和比较，得 源，减少了污染，缓解了电荒，符合我国环境保护与能源可持续发展的 出最优结合点。一般来说，在地下水温度较低、单井出水量较小的情 ，在我国势必有良好的市场前景。 况下，可选择较大的地下水利用温差；在地下水温度较高、单井出水量 较大的情况下，可选择较小的地下水利用温差。如此因地制宜、合理搭 参考文献 配，才可能既提高地下水源热泵系统的能源利用效率，又尽可能减＇３－３ｇ 【ｌ】付文彪，蒋绿林，纪洪林，张晔．地源热泵设计中两个重要参数的实验研究ｌＪ】．暖 下水的开采量，保护珍贵的水资源。 通空调，２０１）９，（０２）． 为保护地下水地源热泵机组的长期稳定运行，原则上应采用间接式 ［２】陈超，王陈栋，伍品．地下水地源热泵系统设计与应用讨论【Ｊ】．暖通空调，２００８，（０７）． 系统，既地下水通过板式换热器与热泵机组间接换热。虽然成井要求含 【３］寇成阳．关于地源热泵空调工程中节能问题的探讨册．天津科技，２００９，（ｏ４）．
