地下水源热泵系统
摘要：大钟寺某家具城项目于2011年春进行冷热源系统改造，采用地下水源热泵系统代替溴化锂机组进行供暖及空调制冷，已达到节约运行费用的目的。经过前期调研及水资源论证，确定本项目地下水水量充足，水质好，具有较高的稳定水位，适合采用地下水源热泵系统，并采用直接地下水换热系统。
2011年夏季系统改造完毕并开始运行，目前已经正常运行了1个制冷季及1个供暖季，年运行费用从原来的83万元下降至44万元。其主要关键点在于选用高性能设备，设计时充分考虑到了非峰值时设备的运行状态，对冷冻水泵采用变频控制，早备用抽水井内安装小流量潜水泵，通过控制人员对热泵系统进行调控，使得系统负荷在25%，50%，75%，100%时可以分级运行，既满足负荷需求，又使得系统处在最佳运行状态，尽量减少能源浪费，节约运行费用。
本项目运行一年来节能效果明显，系统运转稳定，为研究地下水源热泵直接地下水换热系统提供了成功案例的依据。
一、浅层地热能及水源热泵简介
浅层地热能资源（shallowgeothermalresources）是指蕴藏在浅层岩土体、地下水中的热能资源。地热能主要来自地球深部的热传导，由于地球内部就是一个巨大的热源库，故地热能温度稳定，分布广泛，开发利用方便。
利用浅层地热能替代化石能源用于供暖，避免了煤炭、天然气等燃烧排放的二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳和煤尘等，保护了环境。浅层地热能还替代了空气源热泵，在地源热泵制冷的过程中，减少了向室外排放热量。这也是传统的供暖方式和空气源空调制冷造成局部环境恶化的重要原因。利用浅层地热能在保护大气环境方面的正面效益是显著的。［1］
水源热泵系统正是以浅层地热能为热源，为建筑物提供供暖及制冷服务的多用途空调系统。通过输入少量电能，水源热泵系统即可以将浅层地下水中的热量提取出来用于末端供暖，或将末端多余的热量传送至地下水中以实现制冷功能的节能环保技术，同时水源热泵系统还具有系统运行稳定，多功能、高效环保、运行费用低廉、节省空间等优势。
水源热泵的换热系统分为直接地下水换热系统（directclosed-loopgroundwatersystem）及间接地下水换热系统（indirectclosed-loopgroundwatersystem），由于直接地下水换热系统拥有更高的性能优势，造价更加低廉，目前应用更为广泛。但使用直接地下水换热系统，存在腐蚀和结垢的巨大潜在可能性，应具备以下几个条件：地下水水量充足，水质好，具有较高的稳定水位，建筑物高度低（降低井泵能量损耗）。［2］
二、项目简介
北京市大钟寺某家具城位于海淀区北三环路联想桥左近，建筑面积17000平米。原中央空调系统冷热源采用溴化锂机组1台（单台制冷量800kW），末端为风机盘管加新风机组。2011年春季，项目进行改造，决定采用环保、节能的水源热泵系统，冬季供暖，夏季制冷。本项目夏季空调负荷为1600kW；冬季采暖负荷为850kW。
三、方案设计
在水源热泵系统方案设计之前，应进行工程场地状况调查，并应对浅层地热能资源进行勘察。［3］结合家具城系统抽水和回灌要求，从取水水源、取水地点、取水层位、取水量及取水、退水对周边环境的影响等方面，对采用地下水作为水源热泵空调系统循环用水的合理性和可行性进行分析论证。
（一）水文地质调查
家具城所在地处于永定河冲洪积扇的中上游，第四系厚度约为150m左右，含水层岩性以砂砾石、粗砂为主（表1），富水性较好。
表1勘测井含水层段位置地层资料
含水层段埋深（m）厚度（m）岩性含水层段埋深（m）厚度（m）岩性
35.01-44.389.37粗砂88.77-91.282.51中砂
60.2-65.334.91粗砂95.31-100.665.35砂砾石
70.87-82.3511.48砂砾石
该井含水层总厚度30m左右。根据区域水文地质条件结合周边现有浅层水井情况分析，认为家具城区域水文地质条件较好，目前地下水位25m左右。经测试，单井抽水量可达100m3/h；自流回灌率达到58%。此外，经过水质检测，地下水没有腐蚀作用，水温15℃，基本恒温，作为浅层地热能的能源用水，水质符合设备要求。
（二）水源热泵机组选型
热泵设备选用中科华誉生产的HE900LF两台（双机头螺杆满液式）。系统总制热量为1804kW，总制冷量为1646.8kW。冷冻水循环泵选用三台（两用一备），并采用变频控制。
（三）所需地下水量的确定
冬季供暖负荷为850kW，热泵设备输入功率为192kW，地下水提取温度设计为15℃，地下水回灌温度设计为8℃；根据
，可得出冬季供暖最大抽水量为80m3/h；
夏季空调负荷为1600kW，热泵设备输入功率为373.2kW，地下水提取温度设计为15℃，地下水回灌温度设计为26℃；根据
，可得出夏季空调最大抽水量为154m3/h。
（四）地下水系统设计
家具城冬季热泵系统最大抽水量为80m3/h；夏季热泵系统最大抽水量为154m3/h；根据用水情况，拟建抽水井2口，回灌井4口，备用井1口。抽水井与回灌井结构相同，抽水井内各安装潜水泵1台，抽水量为80m3/h；回灌井内不安装潜水泵，但具备安装潜水泵条件（水平管线及埋地电缆敷设至井室内）；备用井安装小功率潜水泵1台，抽水量为50m3/h。
四、冷热源系统全年运行方案
（一）冬季工况
冬季末端供暖负荷较大时，开启1台热泵设备，一台冷冻水循环泵工频运转，运行一口抽水井内潜水泵，满足家具城最大供暖负荷需求。
冬季末端供暖负荷较小时，开启单台压缩机运转，一台冷冻水循环泵变频运转，抽水井内潜水泵关闭，备用井内小功率潜水泵开启，满足部分负荷时供暖需求。
（二）夏季工况
夏季末端空调负荷较大时，开启2台热泵设备，两台冷冻水循环泵工频运转，2口抽水井内的潜水泵同时运转，满足家具城最大空调负荷需求。
夏季末端空调负荷较小时，开启1台热泵设备运转，一台冷冻水循环泵工频运转，运行一口抽水井内潜水泵；
如回水温度升高，或系统负荷增大时，开启另一台热泵设备的单台压缩机运转，另一台冷冻水循环泵变频运转，备用井内小功率潜水泵开启运转；
同理，如回水温度降低，或系统负荷减小时，尽开启单台压缩机运转，冷冻水循环泵变频控制，抽水井内潜水泵关闭，备用井内小功率潜水泵开启。
通过调节热泵设备、冷冻水循环泵其潜水泵的运行状态，可使水源热泵系统实现在25%、50%、75%及100%负荷时，既满足负荷需求，又使得系统处在最佳运行状态，尽量减少能源浪费，节约运行费用。
（三）运行成本对比
根据家具城运行管理人员提供数据，2010年采用溴化锂机组作为热源，及2011年改造完毕后采用地下水源热泵作为冷热源的对比如下（表2）（表3）
表2家具城项目近两年运行费用分析
名称2010年（万元）2011年（万元）
冬季运行费用（120天）42.3228.83
夏季运行费用（120天）41.5615.23
人工管理费0.50.5
维护费用2.01.5
折旧费用17.615.7
年度运行费用合计83.8844.06
（电费0.8元/kWh，天然气2.3元/m3,人工费40元/人·日）
表3家具城项目近两年运行费用分析
五、结语
家具城项目进行改造的初衷就是基于运行费用较高的考虑；设计时，在尽量节省改造费用的前提下，充分考虑到运行节能问题。对冷冻水泵进行变频控制，备用井内安装小功率潜水泵，以应对非峰值运行时，热泵系统运行节能问题，可以通过控制人员对热泵系统进行调控，使热泵系统根据负荷状态的变化而变化，达到在峰值及非峰值时均可以相对节能。
改造完成以来，运行效果满足室内使用需求，夏季室温最低可以达到24℃；冬季室温最高可达26℃，同时运行费用的有效降低，达到建设方的改造目的。
利用热泵开发浅层地热能的技术和资源条件已经具备，热泵的最高效率和高度环保更赢得世界的青睐，因此，热泵技术和产业正在世界上得到高速发展，我国也已具备相应的发展条件，发展前景非常看好。［4］
根据每个项目的情况，在验证地下水含沙量、悬浮颗粒物及矿化度等均符合要求的前提下，使用直接地下水换热系统是可行的。
直接地下水换热系统虽然不被轻易推荐使用，但相对间接地下水换热系统，拥有系统简单，投资少、效率高、运行费用更加低廉等明显优势，所以直接地下水换热系统更容易被市场、被使用者所接受。虽然直接地下水换热系统存在腐蚀、结垢及对管路或设备磨损等问题，但经过技术创新及实践经验的累积，终将对取得突破，所以我认为直接地下水换热系统是地下水源热泵的主导发展方向，是值得研究和尝试的。
参考文献：
［1］马最良吕岳主编，地源热泵系统设计与应用，2007.1
［2］ASHRAE，地源热泵工程技术指南徐伟等译，2001
［3］GB50366-2009地源热泵系统工程技术规范2005
［4］郑克棪浅层地热能开发利用的世界现状及在我国的发展前景