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地下水源热泵空调系统的设计

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地下水源热泵空调系统是各个地方应用较为普遍的一种地源热泵空调系统,也是各地较早的地源热泵。早在1965年,已成功研制一台水源热泵机组。1985年广州能源研究所首先在广东东莞游泳池开始应用地下水源热泵,用25~40m深井中的24℃的地下水作为热源。但各地的地下水源热泵的发展一直很缓慢,直到1996年,山东富尔达空调设备有限公司开发出水源热泵冷热水机组(水/水热泵机组),以井水为低位热源,通过阀门的启闭来改变水路中水的流动方向,实现机组的供冷工况与供热工况的转换。而后,井水源热泵冷热水机组很快就成为了空调界的热门产品,出现了大规模的地下水源热泵空调工程项目。到1999年底,各地大约有一百套地下水源热泵空调系统。


进入21世纪,地下水源热泵的发展势头越来越好,越来越多的用户开始熟悉地下水源热泵,并在山东、河南、湖北、辽宁、河北、黑龙江和北京等地开始大量应用地下水源热泵空调系统。如同井回灌地下水源热泵自2001年首次在北京某工程上投入运行以来,其技术的推广与应用很快,到2003年底已完成160多个项目,总建筑面积超过200万m2。


但是,根据调查,近十年来,地下水源热泵空调系统运行情况并不能让人满意。这主要是由于设计、施工和运行管理还存在一些问题而造成的。因此,熟悉和掌握地下水源热泵空调系统的设计方法是十分重要的。


地下水源热泵空调系统的设计包括建筑物内的空调系统的设计和水井系统的设计两大部分。前者,可参考常规空调系统设计规范、设计标准和设计手册等资料进行。而后者将是本章重点阐述的问题,主要包括: 在选择和设计地下水源热泵空调系统之前,如何充分了解和掌握地下水可采用的价值和质量等水文资料以作为科学决策的依据和设计的原始资料。


工程场区调查与地下水水文地质勘察的目的和任务

对工程场区调查与地下水水文地质勘察是为了获得资源条件,查明工程场区的地下水类型及其特征、分布和埋藏条件、水质、富水地段和富水程度、开采条件和工程场地状况等,为地下水源热泵空调项目的选择、规划和工程设计提供科学的依据,并为做出地下水源热泵空调项目的可行性评价提供依据。


地下水源热泵空调项目可行性评价是决定其项目能否成功的关键。在以往的一些地下水源热泵工程实践过程中常常被忽略,由此造成系统失败,或出现运行状况并不理想等问题。这样的例子很多,如: 已建成的地下水源热泵系统有相当一部分工程由于没有前期的勘察工作,或勘察工作有误,使得这部分工程的地下水不能百分百的回灌到同一含水层中。


众所周知,水是人类赖以生存的重要的基本物质。没有水,人类生活无法生存和发展。因此,保护水资源、合理地开发和利用水资源走可持续发展之路,使人类社会与自然环境协调发展,事在当代,功在千秋。正因为如此,地下水换热系统设计应根据地下水水文地质勘察结果,采用可靠的回灌等技术措施,使置换冷量或热量后的抽取水全部回灌到同一含水层,不得对地下水资源造成浪费与污染。不能有效回灌的地下水源热泵系统是典型的失败。


一些工程项目在确定采用地下水源热泵空调系统之前,根本不做试验井,在不了解工程场地的地下水类型,分布范围,含水层厚度,地下水补给、径流、排泄特征,地下水质等情况下盲目上马,导致地下水源热泵工程出现地下水量不足,不能满足工程的需要;地下水温度过低,不能满足供热的需要;水质含沙量过大,运行不久就发生堵塞现象,如此等等。


为了杜绝出现上述问题,设计的第一步,要首先在工程场区内做好调查与勘察工作。查明水文地质条件,对地下水资源做出可靠评价,提出地下水合理利用方案,为生产井和回灌井技术设计和施工图设计提供科学的依据。


工程场区调查工程场区状况调查范围应大于拟定换热区一百到两百米。通过调查和野外实际观测,查明和了解工程场区地貌、地下水分布和运动的基本规律等,是工程勘察工作的基础。其具体调查的内容为:场地规划面积、形状及坡度,工程场地可利用面积能否满足建地下水抽水井和回灌井的需要,场地内已有建筑物和规划建筑物的占地面积及其分布,场地内树木植被、池塘、排水沟及架空管线、输电线、电信电缆的分布,场地内地下管线和地下构筑物的分布及其埋深,场地内已有水井位置、井径、井类型、井的结构、井深度、井层剖面、井出水量、水位、水温和水质等。在完成上述的地质调查、地貌调查、水点调查、水质调查、建筑和管线工程调查等的基础上,写出调查报告。


地下水水文地质勘察地下水水文地质勘察手段主要有地球物理勘探(物探)和钻探。物探是使用物探仪器测定地下岩土的物理参数,并以此推断出地下岩土的性质、构造、水文地质特性。物探方法很多,如磁法、重力法、电法、地震及放射性勘探等方法。在地下水勘察中,应以电法勘察为宜。电法又以直流电法中的电阻率法、自然电位法应用较广。常用电法勘探查明下述问题:含水层的分布及其深度、厚度,地下水的矿化度和咸、淡水区的分布范围,钻孔的地层剖面和咸、淡水区的分界面,地下水水位、流向、渗流速度及其与地表水的水力联系等。


在调查和物探工作的基础上,应进行水文地质钻探。钻探是用钻机向地下钻孔,可从井孔内采取岩心,进行观测和试验,了解地下深部的地质、水文地质情况的一种勘察工作。通过钻井可以更直接而准确地了解到:地层岩性、层位,含水层的性质、埋藏深度、厚度和分布情况,含水层富水性和渗透性,地下水水温及其分布,地下水水质,地下水补给、径流、排泄特性等。钻探可以获得准确可靠的水文地质资料,是其他勘察工作不可替代的。


部分钻探资料与物探结果互相校核●!兜卦慈缺孟低彻こ碳际豕娣丁分谢姑魅分赋觯核牡刂士辈煊兴牡刂适匝椤J匝榈哪谌菸撼樗匝椋舛ㄗ昃氖导食鏊浚毓嗍匝椋饬烤拢∷⒒榉治鏊剩鞣较蚴匝椋嘎始扑恪


最后,要编写出水文地质勘察报告。它是水文地质勘察工作全部成果的集中表现,是综合性的技术文件。报告应明确指明地下是否有水、水量是否充足、水温是否合适、供水是否稳定、水质是否合格、场地是否合适打井和回灌等,并确定出地下水源热泵系统在此使用的适宜性和对设置生产井与回灌井的建议等。


上述工程勘察工作是应用地下水源热泵空调系统的基础。因此,做好地下水源热泵的工程勘察工作是十分重要的。在地下水水文地质勘察中应注意下述问题:

1.工程勘察可参照《供水水文地质勘察规范》GB50027和《供水管井技术规范》GB500296进行。

2.当地下水系统供给的建筑物面积小于2800m2时,应当设一个勘测井。对于更大的 建筑物则至少应设两个勘测井。

3.设置勘测井时,应考虑到它能够作地下水源热泵的生产井使用。要由地质专家参与或监督钻孔工作和所有的取样与试验工作,撰写水文地质勘察报告。


地下水源热泵系统的形式与组成

地下水源热泵空调系统的形式,大致可分为分散式系统和集中式系统两种,如图5-1所示。集中式系统是选用大中型水/水热泵机组,集中安装在空调冷、热站内,集中制备热媒(或冷媒),然后由热媒(或冷媒)循环泵通过空调水管路系统,将热媒(或冷媒)输送到各个空调房间的末端装置内,以实现供暖(或供冷);而分散式系统却是选用小型水/空气热泵机组,将小型水/空气热泵机组分别设置在各个空调房间内或各个区域内,由小型水/空气热泵机组直接向室内供暖(或供冷)。



若分散式系统的水/空气热泵机组是按建筑物分区(如内区与外区、朝南区与朝北区等)分别布置的,其系统还具有回收建筑物内余热的功能,则这样的分散式系统由于具有水环热泵空调系统的基本属性,可以将它看作地下水源热泵空调系统的一种例子,称之为井水源水环热泵空调系统。


目前,应用较多的地下水源热泵空调系统是集中式系统。但是,文献认为井水源水环热泵空调系统将会有光明的应用前景。图5-2给出典型的集中式地下水源热泵空调系统,其系统是由地下水换热系统、水源热泵机组、热媒(或冷媒)管路系统和空调末端系统组成。


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