本文選自北大核心級期刊《水文地質(zhì)工程地質(zhì)》，《水文地質(zhì)工程地質(zhì)》1957年創(chuàng)刊，是國土資源部主管，中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院主辦的。國際刊號ISSN：1000-3665 ；國內(nèi)刊號CN：11-2202/P。郵發(fā)代號 2-335。我國水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)專業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)刊較早、發(fā)行較廣，并具有權(quán)威性、綜合性的學(xué)術(shù)理論與實踐刊物之一。

　　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(diào)制冷，已達(dá)到節(jié)約運行費用的目的。經(jīng)過前期調(diào)研及水資源論證，確定本項目地下水水量充足，水質(zhì)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)。

　　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(guān)鍵點在于選用高性能設(shè)備，設(shè)計時充分考慮到了非峰值時設(shè)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(nèi)安裝小流量潛水泵，通過控制人員對熱泵系統(tǒng)進行調(diào)控，使得系統(tǒng)負(fù)荷在25%，50%，75%，100%時可以分級運行，既滿足負(fù)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(zhuǎn)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?zé)崮芗八�源熱泵簡�?/p>

　　淺層地?zé)崮苜Y源（shallowgeothermalresources）是指蘊藏在淺層巖土體、地下水中的熱能資源。地?zé)崮苤饕獊碜缘厍蛏畈康臒醾鲗?dǎo)，由于地球內(nèi)部就是一個巨大的熱源庫，故地?zé)崮軠囟确�(wěn)定，分布廣泛，開發(fā)利用方便。

　　利用淺層地?zé)崮芴娲�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?zé)崮苓�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(diào)制冷造成局部環(huán)境惡化的重要原因。利用淺層地?zé)崮茉诒Ｗo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?zé)崮転闊嵩矗瑸榻ㄖ�物提供供暖及制冷服�?wù)的多用途空調(diào)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?qū)⒛┒硕嘤嗟臒崃總魉椭恋叵滤�中以實現(xiàn)制冷功能的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，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)（directclosed-loopgroundwatersystem）及間接地下水換熱系統(tǒng)（indirectclosed-loopgroundwatersystem），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(yīng)用更為廣泛。但使用直接地下水換熱系統(tǒng)，存在腐蝕和結(jié)垢的巨大潛在可能性，應(yīng)具備以下幾個條件：地下水水量充足，水質(zhì)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(diào)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(fēng)機盤管加新風(fēng)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(diào)負(fù)荷為1600kW；冬季采暖負(fù)荷為850kW。

　　三、方案設(shè)計

　　在水源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計之前，應(yīng)進行工程場地狀況調(diào)查，并應(yīng)對淺層地?zé)崮苜Y源進行勘察。［3］結(jié)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(diào)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(zhì)調(diào)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。

　　表1勘測井含水層段位置地層資料

　　含水層段埋深（m）厚度（m）巖性含水層段埋深（m）厚度（m）巖性

　　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砂礫石

　　70.87-82.3511.48砂礫石

　　該井含水層總厚度30m左右。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件結(jié)合周邊現(xiàn)有淺層水井情況分析，認(rèn)為家具城區(qū)域水文地質(zhì)條件較好，目前地下水位25m左右。經(jīng)測試，單井抽水量可達(dá)100m3/h；自流回灌率達(dá)到58%。此外，經(jīng)過水質(zhì)檢測，地下水沒有腐蝕作用，水溫15℃，基本恒溫，作為淺層地?zé)崮艿哪茉从盟�，水質(zhì)符合設(shè)備要求。

　　（二）水源熱泵機組選型

　　熱泵設(shè)備選用中科華譽生產(chǎn)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(fù)荷為850kW，熱泵設(shè)備輸入功率為192kW，地下水提取溫度設(shè)計為15℃，地下水回灌溫度設(shè)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(diào)負(fù)荷為1600kW，熱泵設(shè)備輸入功率為373.2kW，地下水提取溫度設(shè)計為15℃，地下水回灌溫度設(shè)計為26℃；根據(jù)

　　，可得出夏季空調(diào)最大抽水量為154m3/h。

　　（四）地下水系統(tǒng)設(shè)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(jié)構(gòu)相同，抽水井內(nèi)各安裝潛水泵1臺，抽水量為80m3/h；回灌井內(nèi)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(shè)至井室內(nèi)）；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(fù)荷較大時，開啟1臺熱泵設(shè)備，一臺冷凍水循環(huán)泵工頻運轉(zhuǎn)，運行一口抽水井內(nèi)潛水泵，滿足家具城最大供暖負(fù)荷需求。

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

　　（二）夏季工況

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

　　夏季末端空調(diào)負(fù)荷較小時，開啟1臺熱泵設(shè)備運轉(zhuǎn)，一臺冷凍水循環(huán)泵工頻運轉(zhuǎn)，運行一口抽水井內(nèi)潛水泵；

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

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

　　通過調(diào)節(jié)熱泵設(shè)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(fù)荷時，既滿足負(fù)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（表2）（表3）

　　表2家具城項目近兩年運行費用分析

　　名稱2010年（萬元）2011年（萬元）

　　冬季運行費用（120天）42.3228.83

　　夏季運行費用（120天）41.5615.23

　　人工管理費0.50.5

　　維護費用2.01.5

　　折舊費用17.615.7

　　年度運行費用合計83.8844.06

　　（電費0.8元/kWh，天然氣2.3元/m3,人工費40元/人·日）

　　表3家具城項目近兩年運行費用分析

　　五、結(jié)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(shè)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(nèi)安裝小功率潛水泵，以應(yīng)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(diào)控，使熱泵系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷狀態(tài)的變化而變化，達(dá)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(nèi)使用需求，夏季室溫最低可以達(dá)到24℃；冬季室溫最高可達(dá)26℃，同時運行費用的有效降低，達(dá)到建設(shè)方的改造目的。

　　利用熱泵開發(fā)淺層地?zé)崮艿募夹g(shù)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(shù)和產(chǎn)業(yè)正在世界上得到高速發(fā)展，我國也已具備相應(yīng)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(jié)垢及對管路或設(shè)備磨損等問題，但經(jīng)過技術(shù)創(chuàng)新及實踐經(jīng)驗的累積，終將對取得突破，所以我認(rèn)為直接地下水換熱系統(tǒng)是地下水源熱泵的主導(dǎo)發(fā)展方向，是值得研究和嘗試的。

　　參考文獻(xiàn)：

　　［1］馬最良呂岳主編，地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用，2007.1

　　［2］ASHRAE，地源熱泵工程技術(shù)指南徐偉等譯，2001

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

　　［4］鄭克棪淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的世界現(xiàn)狀及在我國的發(fā)展前景