地下水在地源热泵系统中应用

地下水在地源热泵系统中应用地源热泵应用系统可分为地下水循环式、埋管式、地面水直接利用式等多种形式。地下水循环式分为深层水地下水循环式和浅层地下水循环式。本文着重介绍浅层地下水在地源热泵中央空调系统中的应用方法与应用实例。浅层地下水应用系统开发周期短、技术难度低、投资风险小、成本低、适用范围广。深蓝空调系统在西南、华中、华东、北京等地均有地源热源的应用实例。但是，浅层地下水的应用，在很大程度上受地理位置及地质结构条件限制，在地下水位低、纯粘性土壤结构的地区不大适用。在浅层地下水开发应用方面，我们进行了多种形式的应用试验，在钢管井异井回灌、钢管井同井回灌、大口径浅井等应用方面积累了一些设计经验与试验数据。一、锤入式钢管井的应用系统在川西平原、湘江流域、华东地区等地，农村常用手摇泵取水，其所采用的就是锤入式钢管井或塑料管井，其成井方法极为简单。1、备料首先，根据出水量的要求，准备ＤＮ25～ＤＮ50左右的镀锌钢管，在管井底部的管壁密布的钻制滤水孔，一般钢管井钻孔部位长度约为1～3ｍ，根据当地含水层厚度而定。在钢管井底端焊接钢制导向锥体。2、打井人工用榔头或采用简易打井机械，将钢管垂直打入地下，钢管由多段组成，每段钢管的长度根据不同的打井方法而定，一般2～6ｍ，以便于操作为准。每段钢管之间采用现场焊接，当一段钢管打入地下后，再焊接上一段钢管后继续向下打，直至所需的井深要求，通常6～12ｍ深。另一种方法是，采用简易打井机械，利用机械重锤，先将钢制探杆打入地下，探杆头部直径略大于钢管井直径，当探杆打入所需的深度后，利用机械将探杆拨出，再将钢管井分段的放入或打入探井，其操作方法同上述的人工打井方法。3、洗井洗井的目的是清除井内泥沙，疏通管井周围的渗水通道，减少地下水的流动阻力，增大出水量，减少地下水带沙。将内径φ10～φ12ｍｍ左右的软胶管通入钢管井底部，胶管中接入0．2～0．4Ｍｐａ的压缩空气，利用气泡泵原理，将从管壁滤水孔中进入的沙粒顶出井外。洗井时间与当地的地质结构有关，通常以卵石为主的地层，洗井时间较短，纯沙质地层则洗井时间较长，洗井至出水清澈为止。4、取水方法由于钢管井直径较小，不能适用潜水泵，可采用自吸式清水泵，由于自吸泵自带有真空水腔，自吸能力较强，不用引水，甚至可不用底阀，自吸泵分为单相电源和三相电源，水泵造价低廉，根据水泵用材及规格不同，售价约400～1500元／台左右。水泵可安装于井口地面，当地下水位低，超过水泵有效吸程时，可采用沉井方式，将水泵低位安装，但要注意雨季防水。5、出水量钢管井由于管径较小，单井出水量受到一定限制，根据地质情况及地下水位不同，单井持续出水量约为2～15ｍ3／ｈ。6、成本钢管井建造方便，可以不用专用机械设备，无需专用施工通道和施工场地，通常以3人为一工作组，每天可成井2～3口，综合造价50～70元／ｍ。7、单井可供空调面积当单井出水量一定时，单井可供空调面积与地下水的有效利用温差有关，通常利用温差分为△ｔ＝5℃、8℃、10℃、15℃不等，若以提高空调系统的效能比（ＣＯＰ）为主，则应减小利用温差；若单井出水量小，水资源有限，则应尽可能加大利用温差。但是，当地下水利用温差加大时，空调机组必须特殊订货，空调机组换热器的结构和换热面积必须进行相应的调整，空调机组的成本将有所增加。通常，单井可供空调面积300～800ｍ2。8、地下水回灌与井位布置地下水资源是宝贵的，且各地的水资源管理部门均对地下水资源的开发利用规定一些限制条件，所以地下水必须采用回灌式利用，使地源热泵中央空调系统只利用地热，不消耗地下水，不污染地下水资源。回灌方式分为异井回灌和同井回灌。异井回灌时，取水井和回灌井分别单独设置，取水井和回灌井的距离5～20ｍ。深蓝空调专项开发的钢管井同井回灌技术，能有效的防止地下水短路和热流短路，使成井成本大幅降低，通过实际工程的夏、冬季连续使用，效果完全满足设计要求。9、钢管井式地源热泵中央空调应用实例实例1：成都市某企业办公楼，空调面积1280ｍ2，空调负荷216ｋｗ，安装ＳＤＲＡ型小型地源热泵空调机组48台，采用钢管井3口，井口直径ＤＮ32ｍｍ，井深9ｍ，采用同井回灌方式。该工程已正式使用二年，效果良好，同时，在该项目中，为了考核钢管井同井回灌系统的连续运行效果，曾经于冬、夏季两次进行过10昼夜连续不停机的系统运行试验，检测出水温度的变化情况，经实侧，出水温度几乎不受连续运行时间的影响。全年出水温度在18～20℃之间。钢管井同井回灌系统完全适用于各种中央空调的间歇运行系统和连续运行系统。实例2：四川某酒楼，三层建筑，空调总面积3400ｍ2，安装地源热泵空调设备82台，水量90ｍ3／ｈ，地下水取水方式为钢管井，管径ＤＮ50，异井回灌，取水井5口，四用一备，回灌井9口，取水井与回灌井距离60ｍ。该项目已连续运行二年。该工程在河道附近，地下为细沙结构，曾经出现系统带沙严重，后增设了沉沙池，改进了滤沙器，目前系统运行良好。二、大口径浅井的工程应用大口径浅井是采用人工挖掘的方式，建造直径3m左右、深度9～12m的开口式浅水井，单井出水量可达100～250m3/h，采用异井回灌。应用实例：宁波某度假村，总建筑面积31710m2，空调总负荷3300kw，安装SDFRA型、SDRA型、SDRD型、SDRDX型、SDRL型等空调设备509台套，根据建筑布局，系统分为九个独立分系统，设计地下水总流量800m3/h，取水井5口（其中第5#井供6～9区），井位成直线分布，井距35～48m，井位与主建筑距离150m，回灌井2处，其中一处为利用废弃的老井作为回灌井，另一处为利用建筑留下的沟槽，其沟深2m，宽1.5m，长32m，内填卵石，兼作回灌井。采用双级离心水泵，水泵流量150ｍ3/ｈ，扬程45ｍ。水泵安装方式见示意图：水泵安装方式示意图在井面以下2～2．2ｍ处，设置水泵安装平台，取水系统设置真空罐，水泵出口设止回阀、压力表、温度计等，吸水管未设底阀。4口取水井的水泵出水管分别引入分集水缸，从分集水缸分出2路供水总管，在建筑物内分设有2个二级分水缸，再分别供水至各区。由于各区的空调面积不一致，为了使各区水量分配合理，各区的回水总管上设置了供回水压差自动调节阀，根据各区系统的大小及各区水系统总阻力损失的大小，分别设置所需的供回水压差，由压差调节阀自动跟踪和调整。空调水系统采用变流量控制方式，每台空调设备均设有电动阀或电磁阀，由空调机组自带的微电脑控制器自动控制，深蓝空调每台设备均设有电磁阀控制输出接口和流量开关输入接口，当采用变流量系统设计时，无需外设任何控制器，为工程设计带来便捷，为用户节省了投资。各取水井的水位变化情况详见下表：（水位单位：mm）取水井编号1#井2#井3#井4#井5#井自然水位-2885-3015-3150-3100-3500水泵工作时水位-3660-3130-3290-3230注：1、1#井水位落差最大，出水量最小。2、5#井专供6~9区，为该项目二期工程，空调系统正在安装施工中。该项目一期工程由于系统采用了变流量设计，通常仅开50％的水泵即可满足要求。由于该项目的冬季供水温度最低时仅为9．5℃，未达到预计的15℃水温，而该项目设计中，使用方提供的设计依据为：冬季供水温度18℃，为确保安全，地源热泵机组设计时，按冬季15℃进水设计，因水温未达到设计要求，在最低水温时段，空调自动控制器中与水温有关的自动保护装置曾经出现频繁报警，如水温低报警、制冷系统压力低报警、冬季空调出风温度低报警、水侧换热器防冻保护等等，在系统调试时，对控制器的相关传感器位置和报警值进行了适度调整，使系统运行正常。三、结束语地源热泵中央空调，无论是地源热泵冷热水机组或地源热泵冷热风机组，其系统运行效果均依赖于地源水系统的运行状况，特别是小型地源热泵冷热风机组，由于设备规格小，在同一建筑物中的设备安装数量较多，其地源水系统的温度、杂质含量、水量、水流量分配情况等，均直接影响中央空调系统的正常运行。地源热泵机组的功能及性能稳定性，经过设备生产厂的不断改进，目前已日臻完善。而地源热泵中央空调系统的应用方式及使用效果，与地理位置、地质条件、使用条件、系统设计经验等诸多因素有关，需要相关设计院、设备生产厂、安装施工单位的共同努力，探索出各种切实可行的应用方式，以利于符合我国能源发展政策的地源热泵这一朝阳产业的推广和发展。