地下水源热泵空调系统的设计.docx
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地下水源热泵空调系统的设计
第五章地下水源热泵空调系统的设计
5.1概述
地下水源热泵空调系统是我国应用较为普遍的一种地源热泵空调系统，也是国内较早的地源热泵之一。
早在1965年，国内已研制成功首台水源热泵机组。
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。
但国内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国内空调界的热门产品，出现了大规模的地下水源热泵空调工程项目。
到1999年底，全国大约有100套地下水源热泵空调系统［1］。
进入21世纪，中国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［2］。
但是，根据调查［3］，近十年来，我国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。
◆确定地下水换热系统的形式与组成。
◆地下水量的确定。
◆热源井的设计与施工。
◆地下水源热泵机房的设计要点。
◆地下水源热泵空调系统设计和运行中应注意的一些问题。
5.2工程场区调查与地下水水文地质勘察
5.2.1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100%的回灌到同一含水层中。
众所周知，水是人类赖以生存的最重要的基本物质之一。
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。
◆宁波某地下水源空调系统的施工图设计完成后，发现水文资料出现严重的误解，将井水每天出水量误认为每小时出水量。
因此，只好将原设计改为复式地源热泵系统，并将原计划采用地下水源热泵的其他13×104m2建筑物改用其他空调方案［3］。
湖南湘潭县某工程也因为水文地质资料错误，导致地下水源热泵系统失败［3］。
◆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。
5.2.2工程场区调查
工程场区状况调查范围应大于拟定换热区100～200m。
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。
5.2.3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、自然电位法应用最广。
常用电法勘探查明下述问题：
◆含水层的分布及其深度、厚度等。
◆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。
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。
《地源热泵系统工程技术规范》中还明确指出：
水文地质勘察应进行水文地质试验。
试验的内容为：
◆抽水试验，测定钻井的实际出水量。
◆回灌试验。
◆测量井水水温。
◆取水样并化验分析水质。
◆水流方向试验。
◆渗透率计算。
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：
◆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。
◆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。
◆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。
5.3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特例，称之为井水源水环热泵空调系统［4］（详见第八章）。
目前，国内应用最多的地下水源热泵空调系统是集中式系统。
但是，文献［4］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。
图5-1地下水源热泵空调系统形式框图
图5-2典型的集中式地下水源热泵空调系统图示
①地下水换热系统；②水源热泵机组；③热媒（或冷媒）管路系统；④空调末端系统
1-生产井群；2-回灌井群；3-井泵（或潜水泵）；4-除砂设备；5-板式换热器；
6-一次水（地下水）环路系统；7-二次水环路系统；8-二次水管路定压装置；9-二次水循环泵；
10-二次水环路补水阀；11-生产井转换阀门组；12-回水井转换阀门组；13-排污与泄水阀；
14-排污与回扬阀门；15-热媒（或冷媒）循环泵；16-热媒（或冷媒）管路系统定压装置；
17-热媒（或冷媒）管路系统补水阀门；18-补给水泵；19-补给水箱；20-水处理设备；21-分水缸；
22-集水缸；23-放气装置；24-风机盘管
空调末端系统的功能是按建筑物各房间（或区域）冷热负荷的大小，合理地将冷量和热量分配到各个房间或区域，并组织空气合理的流动，以创造出舒适而健康的室内环境。
地源热泵系统通常选用风机盘管系统，或地板辐射供暖（冷）系统，或冷吊顶供冷（热）系统作为空调末端系统。
热媒（或冷冻水）管路系统是输送冷媒与热媒的大动脉，将热泵机组制备的冷、热媒按建筑物的需要输送给用户，即输配冷量或热量，以满足末端装置的负荷要求。
地下水源热泵系统的冷、热媒管路系统是由冷、热媒的循环泵、补给水系统、定压装置、排气与泄水装置及管路与附件等组成。
可采用同程系统或异程系统。
水源热泵机组是地下水源热泵空调系统的核心装置，通常选用水/水热泵机组或水/空气热泵机组，其功能是冬季制备供采暖用的热媒，夏季制备供空调用的冷媒。
图5-3分散式地下水源热泵空调系统图示
1～5-同图5-2；6-生产井群转换阀门组；7-回灌井群转换阀门组；
8-排污与回扬阀门；9-水处理设备；10-补给水箱；11-补给水泵；
12-建筑物的水环路循环泵；13-定压装置；14-水/空气热泵机组
地下水换热系统是地下水源热泵空调系统所特有的系统，其功能是将地下水中的低位能（10℃～25℃）输送给水源热泵机组，作为机组低位热源（或热汇）。
地下水换热系统的形式很多。
由图5-3可以看出：
根据生产井和回灌井的位置不同，可分为同井回灌系统和异井回灌系统两种。
每种系统又可根据地下水是否直接供给水源热泵机组，又分为直接供水系统和间接供水系统。
所谓的直接供水系统是指由井泵将井水直接送到水/水热泵机组或水/空气热泵机组中经换热器后，再重新返回同一含水层中。
其流程：
地下水→井泵→水源热泵机组→回灌井；而间接供水系统是指地下水作为一次水进入板式换热器，与二次水换热，换热后的地下水通过回灌井返回地下同一含水层内。
板式换热器的另一侧的二次水，在二次水循环泵作用下，输送给水源热泵机组。
由图5-2可看出：
集中式地下水源热泵空调系统的地下水间接供水系统是由一次水环路和二次水环路组成。
图5-3可看出，其地下水换热系统的流程为：
生产井泵3→阀门组6→除砂装置4→板式换热器5→阀门组7→回灌井2。
这个环路就是分散式地下水源热泵空调系统的地下水换热系统。
采用间接供水系统，可以保证水源热泵机组不受地下水质不好的影响，防止机组出现结垢、腐蚀、泥渣堵塞等现象，从而减少维修费用和延长使用寿命，尤其是采用分散式地下水源热泵空调系统时，必须采用间接供水系统［5］。
当采用集中式地下水源热泵空调系统时，可视地下水水质的优劣确定选用何种地下水系统。
如果水质符合标准［5］，不需要采取处理措施时，可采用直接供水系统。
其水质，可参考下列要求［5］［6］：
◆含砂量应<1/200000。
◆PH值为6.5～8.5。
◆CaO含量应<200mg/L。
◆矿化度<3g/L。
◆Cl-<100mg/L，SO42+<200mg/L，Fe+2<1mg/L，H2S<0.5mg/L。
还有一点值得注意：
图5-2和图5-3中的回灌井中也同生产井一样安装了井泵，其目的是防止回灌井堵塞，可采取生产井与回灌井交替使用。
5.4地下水换热系统的设计要点
地下水换热系统设计的成功与否将直接影响到地下水源热泵空调系统运行的成败。
同时考虑到地下水换热系统在地下水源热泵空调系统设计中的特殊性问题，它不同于传统空调系统的设计。
因此，对地下水换热系统要精心设计，精心施工，以提高地下水源热泵空调系统运行的经济性。
5.4.1设计步骤
设计可按下列步骤进行：
（1）确定本工程项目所需的地下水总水量。
一项工程所需的水量多少，由该工程负荷与水源热泵机组性能等确定。
（2）确定地下水井的数量和位置。
根据试验井的出水量和当地水文地质单位的意见，定出每口井的小时出水量。
由项目所需的总数量和每口井的出水量，确定井的数量，并布置井群的位置。
（3）井或井群管路的设计。
通过水力计算选择管路及计算其阻力损失。
另外，对于集中式间接供水系统，还有二次水回路的设计。
（4）板式换热器的选择与计算。
（5）地下水的回灌方式的确定与计算。
（6）井泵等的选择。
根据采用地下水泵的形式，以及井水系统管路的阻力损失来选择适合的井泵。
5.4.2工程项目所需的地下水总水量的确定
工程项目冬季和夏季所需的地下水总量是由系统的供水方式（直接供水、间接供水）、水源热泵机组的性能、地下水（井水）水温及建筑物空调的冷、热负荷等因素决定的。
现以图5-4为例说明工程项目所需的地下水总水量的计算方法。
图5-4地下水换热系统简图
在夏季里，热泵机组按制冷工况运行时，地下水总水量为：
（5-1）
式中：
—热泵机组按制冷工况运行时，所需的地下水总水量，kg/s；
—井水水温，即进入热交换器的地下水温，℃；
—回灌水水温，即离开热交换器的地下水温，℃；
—水的定压比热，通常取
＝4.19kJ/（kg·℃）；
—建筑物空调冷负荷，kW；
—热泵机组的制冷能效比，所谓的
是指热泵机组的制冷量与电机输入功率之比；
—热泵机组按制冷工况运行时，由地下水带走的最大冷凝热量。
在冬季里，热泵机组按制热工况运行时，地下水总水量为：
（5-2）
式中：
—热泵机组按制热工况运行时，所需的地下水总水量，kg/s；
—井水水温，即进入热交换器的地下水温，℃；
—回灌水水温，即离开热交换器的地下水温，℃；
—水的定压比热，通常取
＝4.19kJ/（kg·℃）；
—建筑物供暖热负荷，kW；
—热泵机组的制热性能系数，所谓的
是指热泵机组的制热量与电机输出功率之比；
—热泵机组按制热工况运行时，从地下水中吸取的最大热量。
公式（5-1）和（5-2）中，已知量有：
◆对于选定的水源热泵机组，当运行工况确定后，其
值与
值已为定值。
◆建筑物空调冷负荷
和热负荷
（详见第四章）。
◆井水水温（
）可以通过地下水水文地质勘察获得。
在方案设计时，也可参考表5-1所列出的国内部分城市的地下水温度的概略值［7］。
表5-1部分城市地下水温概略值
城市
地下水温（℃）
备注
城市
地下水温（℃）
备注
北京
沈阳
哈尔滨
齐齐哈尔
鞍山
呼和浩特
郑州
石家庄
济南
青岛
太原
13～14
8～12
6
6～7.5
12～13
8～9
18
16
18
18.4
15
60～110m深处
100m以下
浅层井60～130m
100m以下
月平均最高值
西安
兰州
宝鸡
银川
乌鲁木齐
武汉
南昌
南宁
上海
成都
贵阳
16～18
11
16～17.5
11.3
8
18～20
20
17～18
17.8
18
18
70～130m深处
低限值
低限值
井深20～25m
18～20m深处
注：
表中大部分数据由各城市自来水公司提供。
由此可见，只要求得离开热交换器的地下水水温
，就可以根据公式（5-1）和（5-2）求得
。
由传热学可知，在顺流换热情况下，不能将冷流体的温度加热到热流体的出口温度，而在逆流换热情况下，冷流体的最终温度则不受此项限制，即冷流体的最终温度可以超过热流体的出口温度。
因此，为了使热泵机组在冬季制热工况运行时能尽量提高其蒸发温度，在设计中，通常选用逆流换热方式。
如图5-4。
地下水（一次水）和循环水（二次水）在板式换热器中沿着换热面的温度变化画在图5-5中。
由图5-5可知，在夏季制冷工况时，地下水离开热交换器时的温度等于二次水环路回水温度（即热泵机组水源侧的出水水温）减去换热器端部最小温差；而在冬季制热工况时，等于二者之和。
文献［8］给出换热器端部最小温差可取1～2℃（2～5℉）。
的计算方法有：
◆文献［9］中用表的形式直接给出，见表5-2。
设计时可根据水源热泵机组的
值或
值直接查表求得
。
◆文献［8］给出北美地区闭式地下水源热泵系统环路上热泵的实际进水温度，即
（见表5-3），冬季，制热工况在根据
和环路设计水流量计算出温差（
-
）值，最后，由此确定出
。
而夏季制冷工况计算方法也一样。
（a）（b）
图5-5地下水和循环水温度随传热面积变化示意图
（a）制热工况；（b）制冷工况
根据公式（5-1）和（5-2）计算出的两个地下水总水量，取大值作为工程项目所需的地下水总水量，即作为板式换热器一次水侧循环水流量。
表5-2环路回水温度
制冷工况
制热工况
（
）
回水温度
（℃）
回水温度
（℃）
6.153（21）
22.2
3.4
-3.3
5.860（20）
25.0
3.5
-0.7
5.570（19）
27.5
3.6
1.8
5.274（18）
29.7
3.8
4.4
4.981（17）
32.5
4.0
7.0
4.688（16）
35.0
4.2
9.4
4.395（15）
38.1
4.4
12.0
4.102（14）
41.4
表5-3北美地区闭式地下水源热泵环路
北方
南方
制热工况℃（℉）
制冷工况
℃（℉）
制热工况
℃（℉）
制冷工况
℃（℉）
周边地区
4.44
（40）
24
（75）
10
（50）
24
（75）
核心—周边区
4.44
（40）
24
（75）
10
（50）
24
（75）
5.4.3板式换热器设计中应该注意的问题
板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备。
近年来，已广泛应用于闭式地下水源热泵空调系统中，将地下水与水源热泵所使用介质分隔开，以避免出现设备的管子积污垢和腐蚀问题。
在设计选型中主要注意以下几点：
◆当井水的矿化度小于350mg/L，含砂量小于1/1000000时，地下水系统中可不设置换热器选用直接供水系统。
◆当水井的矿化度为350～500mg/L时，可以采用不锈钢的板式换热器。
当井水的矿化度大于500mg/L时，则应安装抗腐蚀性强的钛合金板式换热器。
◆应根据板式换热器的工作压力、流体的压力降和传热系数来选择板式的波纹型式。
◆一般板间平均流速为0.2～0.8m/s。
◆单板面积可按流体流过角孔的速度为6m/s左右考虑。
按角孔中流体速度为6m/s时，则各种单板面积组成的板式换热器处理量见表5-4［10］。
◆设计中，可采用厂家使用专用的计算机软件来选择板式换热器。
如估算时，对于水—水板式换热器，当板间流速为0.3～0.5m/s时，总传热系数K概略值为3000～7000W/（m2·℃）。
◆为了使板式换热器在系统中高效运行，井水侧（一次水回路）和循环水侧（二次水回路）的流量和工作参数必须很好地匹配，否则，将使换热器不能在高效下运行。
表5-4单台最大处理量参考值
单板面积（m2）
0.1
0.2
0.3
0.5
0.8
1.0
2.0
角孔直径（mm）
40～50
65～90
80～100
125～150
175～200
200～250
～400
单台最大流通能力（m3/h）
27～42
71.4～137
108～170
264～381
520～678
678～1060
～2500
5.5热源井的设计与施工要点
热源井是地下水热泵空调系统的抽水井和回灌井的总称，它是地下水换热系统的重要组成部分。
它的功能是从地下水源中取出合格的地下水，并送至板式换热器，或直接送至水源热泵，以供热交换用。
然后再通过回灌井返回含水层。
本节主要介绍热源井的形式、构造及管井的设计、施工和运行中的一些问题。
5.5.1热源井的形式
热源井的主要形式有管井、大口井、辐射井等。
管井一般指用凿井机械开凿至含水层中，用井壁管保护井壁，垂直地面的直井，又称机井。
管井按含水层的类型划分，有潜水井和承压井；按揭露含水层的程度划分，有完整井和非完整井，是目前地下水源热泵空调系统中最常见的。
一般井径大于1.5m的井称之为大口井。
大口井可以作为开采浅层地下水的热源井。
其构造见图5-6。
它具有构造简单、取材容易、施工方便、使用年限长、容积大能兼起调节水量作用等优点。
但大口井深度小，对潜水水位变化适应性差。
辐射井是由集水井与若干呈辐射状铺设的水平集水管（辐射管）组合而成。
集水井用来汇集从辐射管来的水，同时是辐射管施工的场所，又是抽水设备安装的场所。
辐射管是用来集取地下水的。
辐射管可以单层铺设，亦可多层铺设。
其结构见图5-7。
辐射井具有管理集中、占地省，便于卫生防护等优点。
但它的施工技术难度大，成本较高。
管井、大口井和辐射井的基本尺寸及适用范围列入表5-5中［11］。
图5-6大口井的构造图5-7单层辐射管的辐射井
表5-5地下水取水构筑物的形式及适用范围
形式
尺寸
深度
适用范围
出水量
地下水类型
地下水埋深
含水层厚度
水文地质特征
管井
井径50～1000mm，150～600mm
井深20～1000m，常用300m以内
潜水，承压水，裂隙水，溶洞水
200m以内，常用在70m以内
大于5m或有多层含水层
适用于任何砂、卵石、砾石地层及构造裂缝隙、岩溶裂隙地带
单井出水量500～6000m3/d，最大可达2～3万m3/d
大口井
井径1.5～10m，常用3～6m
井深20m以内，常用6～15m
潜水，承压水
一般在10m以内
一般为5～15m
砂、卵石、砾石地层，渗透系数最好在20m/d以上
单井出水量500～1万m3/d，最大为2～3万m3/d
辐射井
集水井直径4～6m，辐射管直径50～300mm，常用75～150mm
集水井井深3～12m
潜水，承压水
埋深12m以内，辐射管距降水层应大于1m
一般大于2m
补给良好的中粗砂、砾石层，但不可
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