摘 要：大鐘寺某家具城項目于2011年春進行冷熱源系統(tǒng)改造，采用地下水源熱泵系統(tǒng)代替溴化鋰機組進行供暖及空調制冷，已達到節(jié)約運行費用的目的。經(jīng)過前期調研及水資源論證，確定本項目地下水水量充足，水質好，具有較高的穩(wěn)定水位，適合采用地下水源熱泵系統(tǒng)，并采用直接地下水換熱系統(tǒng)。

　　關鍵詞：水泵系統(tǒng),冷熱源,地下水系統(tǒng)

　　2011年夏季系統(tǒng)改造完畢并開始運行，目前已經(jīng)正常運行了1個制冷季及1個供暖季，年運行費用從原來的83萬元下降至44萬元。其主要關鍵點在于選用高性能設備，設計時充分考慮到了非峰值時設備的運行狀態(tài)，對冷凍水泵采用變頻控制，早備用抽水井內安裝小流量潛水泵，通過控制人員對熱泵系統(tǒng)進行調控，使得系統(tǒng)負荷在25%，50%，75%，100%時可以分級運行，既滿足負荷需求，又使得系統(tǒng)處在最佳運行狀態(tài)，盡量減少能源浪費，節(jié)約運行費用。

　　本項目運行一年來節(jié)能效果明顯，系統(tǒng)運轉穩(wěn)定，為研究地下水源熱泵直接地下水換熱系統(tǒng)提供了成功案例的依據(jù)。

　　一、淺層地熱能及水源熱泵簡介

　　淺層地熱能資源(shallow geothermal resources)是指蘊藏在淺層巖土體、地下水中的熱能資源。地熱能主要來自地球深部的熱傳導，由于地球內部就是一個巨大的熱源庫，故地熱能溫度穩(wěn)定，分布廣泛，開發(fā)利用方便。

　　利用淺層地熱能替代化石能源用于供暖，避免了煤炭、天然氣等燃燒排放的二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳和煤塵等，保護了環(huán)境。淺層地熱能還替代了空氣源熱泵，在地源熱泵制冷的過程中，減少了向室外排放熱量。這也是傳統(tǒng)的供暖方式和空氣源空調制冷造成局部環(huán)境惡化的重要原因。利用淺層地熱能在保護大氣環(huán)境方面的正面效益是顯著的。[1]

　　水源熱泵系統(tǒng)正是以淺層地熱能為熱源，為建筑物提供供暖及制冷服務的多用途空調系統(tǒng)。通過輸入少量電能，水源熱泵系統(tǒng)即可以將淺層地下水中的熱量提取出來用于末端供暖，或將末端多余的熱量傳送至地下水中以實現(xiàn)制冷功能的節(jié)能環(huán)保技術，同時水源熱泵系統(tǒng)還具有系統(tǒng)運行穩(wěn)定，多功能、高效環(huán)保、運行費用低廉、節(jié)省空間等優(yōu)勢。

　　水源熱泵的換熱系統(tǒng)分為直接地下水換熱系統(tǒng)(direct closed-loop ground water system)及間接地下水換熱系統(tǒng)(indirect closed-loop ground water system)，由于直接地下水換熱系統(tǒng)擁有更高的性能優(yōu)勢，造價更加低廉，目前應用更為廣泛。但使用直接地下水換熱系統(tǒng)，存在腐蝕和結垢的巨大潛在可能性，應具備以下幾個條件：地下水水量充足，水質好，具有較高的穩(wěn)定水位，建筑物高度低(降低井泵能量損耗)。[2]

　　二、項目簡介

　　北京市大鐘寺某家具城位于海淀區(qū)北三環(huán)路聯(lián)想橋左近，建筑面積17000平米。原中央空調系統(tǒng)冷熱源采用溴化鋰機組1臺(單臺制冷量800kW)，末端為風機盤管加新風機組。2011年春季，項目進行改造，決定采用環(huán)保、節(jié)能的水源熱泵系統(tǒng)，冬季供暖，夏季制冷。本項目夏季空調負荷為1600kW;冬季采暖負荷為850kW。

　　三、方案設計

　　在水源熱泵系統(tǒng)方案設計之前，應進行工程場地狀況調查，并應對淺層地熱能資源進行勘察。[3]結合家具城系統(tǒng)抽水和回灌要求，從取水水源、取水地點、取水層位、取水量及取水、退水對周邊環(huán)境的影響等方面，對采用地下水作為水源熱泵空調系統(tǒng)循環(huán)用水的合理性和可行性進行分析論證。

　　(一)水文地質調查

　　家具城所在地處于永定河沖洪積扇的中上游，第四系厚度約為150m左右，含水層巖性以砂礫石、粗砂為主(表1)，富水性較好。

　　該井含水層總厚度30m左右。根據(jù)區(qū)域水文地質條件結合周邊現(xiàn)有淺層水井情況分析，認為家具城區(qū)域水文地質條件較好，目前地下水位25m左右。經(jīng)測試，單井抽水量可達100m3/h;自流回灌率達到58%。此外，經(jīng)過水質檢測，地下水沒有腐蝕作用，水溫15℃，基本恒溫，作為淺層地熱能的能源用水，水質符合設備要求。

　　(二)水源熱泵機組選型

　　熱泵設備選用中科華譽生產的HE900LF兩臺(雙機頭螺桿滿液式)。系統(tǒng)總制熱量為1804kW，總制冷量為1646.8kW。冷凍水循環(huán)泵選用三臺(兩用一備)，并采用變頻控制。

　　(三)所需地下水量的確定

　　冬季供暖負荷為850kW，熱泵設備輸入功率為192kW，地下水提取溫度設計為15℃，地下水回灌溫度設計為8℃;根據(jù) ，可得出冬季供暖最大抽水量為80m3/h;

　　夏季空調負荷為1600kW，熱泵設備輸入功率為373.2kW，地下水提取溫度設計為15℃，地下水回灌溫度設計為26℃;根據(jù) ，可得出夏季空調最大抽水量為154m3/h。

　　(四)地下水系統(tǒng)設計

　　家具城冬季熱泵系統(tǒng)最大抽水量為80m3/h;夏季熱泵系統(tǒng)最大抽水量為154m3/h;根據(jù)用水情況，擬建抽水井2口，回灌井4口，備用井1口。抽水井與回灌井結構相同，抽水井內各安裝潛水泵1臺，抽水量為80m3/h;回灌井內不安裝潛水泵，但具備安裝潛水泵條件(水平管線及埋地電纜敷設至井室內);備用井安裝小功率潛水泵1臺，抽水量為50m3/h。

　　四、冷熱源系統(tǒng)全年運行方案

　　(一)冬季工況

　　冬季末端供暖負荷較大時，開啟1臺熱泵設備，一臺冷凍水循環(huán)泵工頻運轉，運行一口抽水井內潛水泵，滿足家具城最大供暖負荷需求。

　　冬季末端供暖負荷較小時，開啟單臺壓縮機運轉，一臺冷凍水循環(huán)泵變頻運轉，抽水井內潛水泵關閉，備用井內小功率潛水泵開啟，滿足部分負荷時供暖需求。

　　(二)夏季工況

　　夏季末端空調負荷較大時，開啟2臺熱泵設備，兩臺冷凍水循環(huán)泵工頻運轉，2口抽水井內的潛水泵同時運轉，滿足家具城最大空調負荷需求。

　　夏季末端空調負荷較小時，開啟1臺熱泵設備運轉，一臺冷凍水循環(huán)泵工頻運轉，運行一口抽水井內潛水泵;

　　如回水溫度升高，或系統(tǒng)負荷增大時，開啟另一臺熱泵設備的單臺壓縮機運轉，另一臺冷凍水循環(huán)泵變頻運轉，備用井內小功率潛水泵開啟運轉;

　　同理，如回水溫度降低，或系統(tǒng)負荷減小時，盡開啟單臺壓縮機運轉，冷凍水循環(huán)泵變頻控制，抽水井內潛水泵關閉，備用井內小功率潛水泵開啟。

　　通過調節(jié)熱泵設備、冷凍水循環(huán)泵其潛水泵的運行狀態(tài)，可使水源熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)在25%、50%、75%及100%負荷時，既滿足負荷需求，又使得系統(tǒng)處在最佳運行狀態(tài)，盡量減少能源浪費，節(jié)約運行費用。

　　(三)運行成本對比

　　根據(jù)家具城運行管理人員提供數(shù)據(jù)，2010年采用溴化鋰機組作為熱源，及2011年改造完畢后采用地下水源熱泵作為冷熱源的對比如下

　　五、結語

　　家具城項目進行改造的初衷就是基于運行費用較高的考慮;設計時，在盡量節(jié)省改造費用的前提下，充分考慮到運行節(jié)能問題。對冷凍水泵進行變頻控制，備用井內安裝小功率潛水泵，以應對非峰值運行時，熱泵系統(tǒng)運行節(jié)能問題，可以通過控制人員對熱泵系統(tǒng)進行調控，使熱泵系統(tǒng)根據(jù)負荷狀態(tài)的變化而變化，達到在峰值及非峰值時均可以相對節(jié)能。

　　改造完成以來，運行效果滿足室內使用需求，夏季室溫最低可以達到24℃;冬季室溫最高可達26℃，同時運行費用的有效降低，達到建設方的改造目的。

　　利用熱泵開發(fā)淺層地熱能的技術和資源條件已經(jīng)具備，熱泵的最高效率和高度環(huán)保更贏得世界的青睞，因此，熱泵技術和產業(yè)正在世界上得到高速發(fā)展，我國也已具備相應的發(fā)展條件，發(fā)展前景非常看好。[4]

　　根據(jù)每個項目的情況，在驗證地下水含沙量、懸浮顆粒物及礦化度等均符合要求的前提下，使用直接地下水換熱系統(tǒng)是可行的。

　　直接地下水換熱系統(tǒng)雖然不被輕易推薦使用，但相對間接地下水換熱系統(tǒng)，擁有系統(tǒng)簡單，投資少、效率高、運行費用更加低廉等明顯優(yōu)勢，所以直接地下水換熱系統(tǒng)更容易被市場、被使用者所接受。雖然直接地下水換熱系統(tǒng)存在腐蝕、結垢及對管路或設備磨損等問題，但經(jīng)過技術創(chuàng)新及實踐經(jīng)驗的累積，終將對取得突破，所以我認為直接地下水換熱系統(tǒng)是地下水源熱泵的主導發(fā)展方向，是值得研究和嘗試的。

　　參考文獻：

　　[1] 馬最良 呂岳主編，地源熱泵系統(tǒng)設計與應用，2007.1

　　[2] ASHRAE，地源熱泵工程技術指南 徐偉等譯，2001

　　[3] GB50366-2009地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范 2005

　　[4] 鄭克棪 淺層地熱能開發(fā)利用的世界現(xiàn)狀及在我國的發(fā)展前景