048单井抽灌技术在我国的应用与发展正文

1单井抽灌技术在我国的应用与发展恒有源科技发展有限公司杨自强黑龙江省人防设计研究院曲满洪关键词浅层地能热泵供暖制冷保护环境地源热泵系统（GSHPs）于1912年在瑞典首次取得专利。它利用地下土壤或水中蕴藏的热能作为它的低位热源，这种热源在地下到处存在，而且温度全年相对稳定。因此，地源热泵系统能够高效、可靠地运行。在欧洲和美国的建筑中，安装越来越多的地源热泵系统，给房间供热、供冷或供应生活热水。地源热泵系统有两种常用的方式。一种是地埋管热泵系统（GCHPs），该系统使用水平或垂直的地埋管作为热交换器，与周边土壤进行热交换。冬季吸收土壤中的热量，夏季则把热量释放到土壤中。另一种就是地下水源热泵系统(GWHPs)，该系统以地下水作为低位热源的载体，与热泵机组的蒸发器或冷凝器进行热交换，吸收或释放热量。在我国的北京地区，30～100m的地下有较为丰富的含水层，含水层的温度约在15～17℃左右，而且不随季节发生变化。恒有源科技发展有限公司经过长期摸索和研究，发明了一种新型的地源热泵系统，即单井抽灌系统（SWS）。通常说来，一套单井抽灌系统需打一个70～100m深、直径为0.5m的井。冬季，15℃左右的地下水以一定流量流经井口换热器把热量释放到二次水，由二次水输送到热泵机组。热泵机组吸收二次水中的热量，供给末端使用。释放了热量的地下水温度下降到大约10℃左右，然后从同一口井的回灌区回灌。在回灌过程中，回灌水流经特制的换热装置，与周围土壤发生热交换，使水温恢复到初始温度。在夏季，热泵机组则从建筑物中吸收热量，并将热量转移到地下，使建筑物保持在较低的温度。在夏季某些时期，可以通过温度较低的井水为用户直接供冷，使室内温度保持在28℃以下，而无需开启热泵机组，从而大大降低制冷能源的消耗，达到降低运行费用的目的。自从单井抽灌技术问世以来，在全国各地得到了广泛应用，远及新疆和西藏等地。在国外，一些合作项目正在积极展开，首个工程实例已在蒙古国得到应用。到目前为止，已有250多个、总建筑面积约360多万平米的不同类型的建筑安装了单井抽灌技术，这些建筑包括宾馆、别墅、购物中心、办公楼、体育馆、档案馆、工厂、景观水池如国家大剧院。由于采用封闭的二次循环，地下水完全不出地面，既不会对设备造成损坏，也不会对地下水本身造成污染。北京市水环境检测中心对单井抽灌系统进行了长期的跟踪监测，在检测的21个水质参数指标中，除水温的波动外，其他水质指标均没有发生本质变化。这表明单井抽灌系统对地下水水质无不良影响。单井抽灌系统的运行费用是相当低的，在北京地区，每平米每个冬季的运行耗电量约30～40kWh。而且该技术环保效益显著，可以节省煤、石油、天然气等大量矿物燃料，减少了CO2等污染物的排放，是一种节能高效的新型地源热泵系统。因此，在暖通空调行业应大力推广使用该技术。杨自强，男，1968年3月5日生，博士，高级工程师，地址：北京市海淀区杏石口路102号恒有源科技发展有限公司，邮政编码：100093，电话：[phone]，传真：[phone]，E-mail：[e-mail]2单井抽灌技术在我国的应用与发展恒有源科技发展有限公司杨自强黑龙江省人防设计研究院曲满洪摘要浅层地能是指蕴藏在地下二三十米至数百米之内的一种低品位能源，这种能源分布非常广泛，其温度虽然随地域发生变化，但在同一地区，一年四季基本恒定；随着热泵技术的发展，浅层地能在世界各国得到了快速发展。浅层地能的应用方式多样。本文介绍一种创新的浅层地能应用技术――“单井抽灌技术”，该技术自2001年问世以来，已在不同地区、不同建筑中得到广泛应用。该技术结合三联供地能热泵机组，可为建筑物冬季供暖、夏季制冷、日常供应生活热水。系统运行稳定、高效，环保效果明显，引起了社会各界和各级政府的关注。关键词浅层地能热泵环境保护供暖制冷1概述地源热泵系统（GSHPs）于1912年在瑞典首次取得专利。它利用地下土壤或水中蕴藏的热能作为它的低位热源，这种热源在地下到处存在，而且温度全年相对稳定。因此，地源热泵系统能够高效、可靠地运行。在欧洲和美国的建筑中，安装越来越多的地源热泵系统，给房间供热、供冷或供应生活热水[1][2]。地源热泵系统有两种常用的方式。一种是地埋管热泵系统（GCHPs），该系统使用水平或垂直的地埋管作为热交换器，与周边土壤进行热交换。冬季吸收土壤中的热量，夏季则把热量释放到土壤中。另一种就是地下水源热泵系统（(GWHPs)，该系统以地下水作为低位热源的载体，与热泵机组的蒸发器或冷凝器进行热交换，吸收或释放热量。在我国的北京地区，30～100m的地下有较为丰富的含水层，含水层的温度约在15～17℃左右，而且不随季节发生变化。恒有源科技发展有限公司经过长期摸索和研究，发明了一种新型的地源热泵系统，即单井抽灌系统（SWS）。这种系统一经推出，便得到了广泛应用。用于供热、供冷和供应生活用水的初投资和运行费用都比较低；而且环保效益显著，可以节省煤、石油、天然气等大量矿物燃料，减少了CO2等污染物的排放，是一种节能高效的新型地源热泵系统。2单井抽灌技术的基本原理通常说来，一套单井抽灌系统需打一个70～100m深、直径为0.5m的井。冬季，15℃左右的地下水以一定流量流经井口换热器把热量释放到二次水，由二次水输送到热泵机组。热泵机组吸收二次水中的热量，提供40℃的水给地板采暖，或者将50～55℃水供给风机盘管为房间供热。释放了热量的地下水温度下降到大约10℃左右，然后从同一口井的回灌区回灌。在回灌过程中，回灌水流经特制的换热装置，与周围土壤发生热交换，使水温恢复到初始温度。在夏季，热泵机组则从建筑物中吸收热量，并将热量转移到地下，使建筑物保持在较低的温度。在夏季某些时期，可以通过温度较低的井水为用户直接供冷，使室内温度保持在28℃以下，而无需开启热泵机组，从而大大降低制冷能源的消耗，达到降低运行费用的目的。由于抽水和回灌发生在同一口井中，因此这种系统称之为“单井抽灌系统”[3]。33工程实例介绍3.1设计负荷海淀外国语实验学校位于北京的西北部，建筑面积约65,300m2。整个学校由9栋建筑组成，包括教室、餐厅、办公室、体育馆和室内游泳池等。北京属于夏热冬冷地区，冬夏季的设计负荷见表1。表1各个房间的冷热负荷序号房间名称面积(m2)冷负荷热负荷冬季室内温度(℃)夏季室内温度(℃)冷指标(W/m2)冷负荷(kW)热指标(W/m2)热负荷(kW)1中学教室8,047855477560418-2422-282小学教室8,897805677566718-2422-283餐厅4,455802857533418-2422-284男生宿舍6,2961105547547218-2422-285女生宿舍6,2961105547547218-2422-286办公楼6,009904337545118-2422-287科技楼5,248702947539418-2422-288体育馆5,603522917542018-2426-28室内游泳池26-289教室宿舍12,0001101,0567590018-2422-2810合计62,8514,5814,7143.2系统流程海淀外国语实验学校的所有建筑均采用单井抽灌系统进行冬季供暖和夏季制冷，部分宿舍类建筑除供冷、供热外，日常还供应生活热水，室内泳池的池水也是利用这套系统进行调温。图1单井抽灌系统流程图4由于整个建筑的使用功能较多，使用时间也不一样，因此，相对独立的建筑，设置了独立的系统，总共设置了七套单井抽灌系统。针对不同的建筑功能，分别设置了风机盘管和地板采暖等不同的末端方式。单井抽灌系统的流程图见图1。系统的地上部分是一些常规设备，如水泵、阀门、换热器、水箱、热泵机组及控制仪器等；而地下部分就是单井抽灌地能采集装置”。3.3运行情况整个系统于2001安装调试完毕，到目前为止，已运行了四年左右。在四年的运行过程中，系统稳定可靠，室内温度达到了设计要求，运行费用低，其能源消耗见表2。表2海淀外国语实验学校2003年供暖和制冷能源消耗序号房间名称制热量(MWh)制冷量(MWh)取热量（MWh)排热量(MWh)制热功率(MWh)制冷功率(MWh)1中学教室6643644984681661042小学教室7323755494821831073餐厅416242312310104694男生宿舍1,1803828854902951095女生宿舍864256648328216736办公室724284543364181817科技楼39625929733399748体育馆1,3481821,01123433752室内泳池9教师宿舍2,7046832,02887767619510合计9,0283,0276,7713,8862,257864从表2中可以看到，2003年冬季全校用于供暖所消耗的电量为2,257MWh，学校的电费为0.54元/kWh，在不考虑峰谷电价的情况下，整个冬季电费大概为121.878万元，折合每平米建筑面积的供暖费用为19.39元。这个价格甚至比北京城市燃煤集中供热的运行费用还要低，后者大约是24元/m2。与传统的供暖和制冷系统相比较，两者的初投资相当。3.4其他工程运行能耗自从单井抽灌技术问世以来，在全国各地得到了广泛应用，远及新疆和西藏等地。到目前为止，已有250多个、总建筑面积约360多万平米的不同类型的建筑安装了单井抽灌技术，这些建筑包括宾馆、别墅、购物中心、办公楼、体育馆、档案馆、工厂、景观水池如国家大剧院。图2是北京市统计局在2004年冬季对一些用户冬季供暖能耗所作的统计[4]。4最新的研究进展北京市水环境检测中心对单井抽灌系统进行长期的跟踪监测。近三年来，他们对11个运行项目的水质进行了长达9个月的检测，检测的21个水质参数指标中，除水温的波动外，其他水质指标均没有发生本质变化。这表明单井抽灌系统对地下水水质无不良影响。5图22004年一些用户供暖耗电量5结论浅层地能是分布广泛、可再生的能源，开采和利用浅层地能可以推动人类的可持续发展。单井抽灌系统尤其适用于浅层地能的使用。它利用地下水作为介质在一个封闭系统中运行，供暖或制冷过程中，没有任何的气态、固态和液态的污染物排放。单井抽灌系统的运行费用是相当低的，广泛地推广使用这项技术，将提高能源利用效率，有助于环境保护。需要对单井抽灌系统进行更深入的研究，这些研究包括地下温度场的分布、地下水流动和水力坡度对系统的影响等。参考文献1BoseJ.E.,ParkerJ.D.“GroundcoupledheatpumpResearch”,ASHRAETransactions,Vol.89,PartII,pp.375-390,1983.2EHPA2002.“HeatPumpMarketOverviewEurope”.3XuShengheng,Rybach,L.“Aninnovativerenewableenergysystemforspaceheatingandcooling-usingubiquitousshallowgeothermalresources”,WorldRenewableEnergyCongressVIII,Denver/USA,2004.4北京市统计局信息咨询中心,2004.中央液态冷热源环境系统冬季运行分析报告.