本文選自北大核心級(jí)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(guó)土資源部主管，中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院主辦的。國(guó)際刊號(hào)ISSN：1000-3665 ；國(guó)內(nèi)刊號(hào)CN：11-2202/P。郵發(fā)代號(hào) 2-335。我國(guó)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(shí)踐刊物之一。

　　摘要：大鐘寺某家具城項(xiàng)目于2011年春進(jìn)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(jī)組進(jìn)行供暖及空調(diào)制冷，已達(dá)到節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用的目的。經(jīng)過前期調(diào)研及水資源論證，確定本項(xiàng)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(yùn)行，目前已經(jīng)正常運(yùn)行了1個(gè)制冷季及1個(gè)供暖季，年運(yùn)行費(fèi)用從原來的83萬元下降至44萬元。其主要關(guān)鍵點(diǎn)在于選用高性能設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到了非峰值時(shí)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)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(duì)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，使得系統(tǒng)負(fù)荷在25%，50%，75%，100%時(shí)可以分級(jí)運(yùn)行，既滿足負(fù)荷需求，又使得系統(tǒng)處在最佳運(yùn)行狀態(tài)，盡量減少能源浪費(fèi)，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。

　　本項(xiàng)目運(yùn)行一年來節(jié)能效果明顯，系統(tǒng)運(yùn)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�?jiǎn)介

　　淺層地?zé)崮苜Y源（shallowgeothermalresources）是指蘊(yùn)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(gè)巨大的熱源庫(kù)，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(hù)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(hù)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�?shí)現(xiàn)制冷功能的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，同時(shí)水源熱泵系統(tǒng)還具有系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，多功能、高效環(huán)保、運(yùn)行費(fèi)用低廉、節(jié)省空間等優(yōu)勢(shì)。

　　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(shì)，造價(jià)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(gè)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(xiàng)目簡(jiǎn)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(jī)組1臺(tái)（單臺(tái)制冷量800kW），末端為風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)機(jī)組。2011年春季，項(xiàng)目進(jìn)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(xiàng)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(jì)

　　在水源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)之前，應(yīng)進(jìn)行工程場(chǎng)地狀況調(diào)查，并應(yīng)對(duì)淺層地?zé)崮苜Y源進(jìn)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(diǎn)、取水層位、取水量及取水、退水對(duì)周邊環(huán)境的影響等方面，對(duì)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(jìn)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(cè)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(cè)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(cè)，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(jī)組選型

　　熱泵設(shè)備選用中科華譽(yù)生產(chǎn)的HE900LF兩臺(tái)（雙機(jī)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(tái)（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(jì)為15℃，地下水回灌溫度設(shè)計(jì)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(jì)為15℃，地下水回灌溫度設(shè)計(jì)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(jì)

　　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(tái)，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(tái)，抽水量為50m3/h。

　　四、冷熱源系統(tǒng)全年運(yùn)行方案

　　（一）冬季工況

　　冬季末端供暖負(fù)荷較大時(shí)，開啟1臺(tái)熱泵設(shè)備，一臺(tái)冷凍水循環(huán)泵工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)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(shí)，開啟單臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，一臺(tái)冷凍水循環(huán)泵變頻運(yùn)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(shí)供暖需求。

　　（二）夏季工況

　　夏季末端空調(diào)負(fù)荷較大時(shí)，開啟2臺(tái)熱泵設(shè)備，兩臺(tái)冷凍水循環(huán)泵工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，2口抽水井內(nèi)的潛水泵同時(shí)運(yùn)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(shí)，開啟1臺(tái)熱泵設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，一臺(tái)冷凍水循環(huán)泵工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)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(shí)，開啟另一臺(tái)熱泵設(shè)備的單臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，另一臺(tái)冷凍水循環(huán)泵變頻運(yùn)轉(zhuǎn)，備用井內(nèi)小功率潛水泵開啟運(yùn)轉(zhuǎn)；

　　同理，如回水溫度降低，或系統(tǒng)負(fù)荷減小時(shí)，盡開啟單臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)，可使水源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在25%、50%、75%及100%負(fù)荷時(shí)，既滿足負(fù)荷需求，又使得系統(tǒng)處在最佳運(yùn)行狀態(tài)，盡量減少能源浪費(fèi)，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。

　　（三）運(yùn)行成本對(duì)比

　　根據(jù)家具城運(yùn)行管理人員提供數(shù)據(jù)，2010年采用溴化鋰機(jī)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(duì)比如下（表2）（表3）

　　表2家具城項(xiàng)目近兩年運(yùn)行費(fèi)用分析

　　名稱2010年（萬元）2011年（萬元）

　　冬季運(yùn)行費(fèi)用（120天）42.3228.83

　　夏季運(yùn)行費(fèi)用（120天）41.5615.23

　　人工管理費(fèi)0.50.5

　　維護(hù)費(fèi)用2.01.5

　　折舊費(fèi)用17.615.7

　　年度運(yùn)行費(fèi)用合計(jì)83.8844.06

　　（電費(fèi)0.8元/kWh，天然氣2.3元/m3,人工費(fèi)40元/人·日）

　　表3家具城項(xiàng)目近兩年運(yùn)行費(fèi)用分析

　　五、結(jié)語

　　家具城項(xiàng)目進(jìn)行改造的初衷就是基于運(yùn)行費(fèi)用較高的考慮；設(shè)計(jì)時(shí)，在盡量節(jié)省改造費(fèi)用的前提下，充分考慮到運(yùn)行節(jié)能問題。對(duì)冷凍水泵進(jìn)行變頻控制，備用井內(nèi)安裝小功率潛水泵，以應(yīng)對(duì)非峰值運(yùn)行時(shí)，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能問題，可以通過控制人員對(duì)熱泵系統(tǒng)進(jìn)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(shí)均可以相對(duì)節(jié)能。

　　改造完成以來，運(yùn)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(shí)運(yùn)行費(fèi)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(guó)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(gè)項(xiàng)目的情況，在驗(yàn)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(duì)間接地下水換熱系統(tǒng)，擁有系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資少、效率高、運(yùn)行費(fèi)用更加低廉等明顯優(yōu)勢(shì)，所以直接地下水換熱系統(tǒng)更容易被市場(chǎng)、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(duì)管路或設(shè)備磨損等問題，但經(jīng)過技術(shù)創(chuàng)新及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的累積，終將對(duì)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(jì)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(guó)的發(fā)展前景