地下水源熱泵空調系統(tǒng)的設計

地下水源熱泵空調系統(tǒng)是各個地方應用較為普遍的一種地源熱泵空調系統(tǒng)，也是各地較早的地源熱泵。早在1965年，已成功研制一臺水源熱泵機組。1985年廣州能源研究所首先在廣東東莞游泳池開始應用地下水源熱泵，用25～40m深井中的24℃的地下水作為熱源。但各地的地下水源熱泵的發(fā)展一直很緩慢，直到1996年，山東富爾達空調設備有限公司開發(fā)出水源熱泵冷熱水機組（水/水熱泵機組），以井水為低位熱源，通過閥門的啟閉來改變水路中水的流動方向，實現(xiàn)機組的供冷工況與供熱工況的轉換。而后，井水源熱泵冷熱水機組很快就成為了空調界的熱門產品，出現(xiàn)了大規(guī)模的地下水源熱泵空調工程項目。到1999年底，各地大約有一百套地下水源熱泵空調系統(tǒng)。

進入21世紀，地下水源熱泵的發(fā)展勢頭越來越好，越來越多的用戶開始熟悉地下水源熱泵，并在山東、河南、湖北、遼寧、河北、黑龍江和北京等地開始大量應用地下水源熱泵空調系統(tǒng)。如同井回灌地下水源熱泵自2001年首次在北京某工程上投入運行以來，其技術的推廣與應用很快，到2003年底已完成160多個項目，總建筑面積超過200萬m2。

但是，根據調查，近十年來，地下水源熱泵空調系統(tǒng)運行情況并不能讓人滿意。這主要是由于設計、施工和運行管理還存在一些問題而造成的。因此，熟悉和掌握地下水源熱泵空調系統(tǒng)的設計方法是十分重要的。

地下水源熱泵空調系統(tǒng)的設計包括建筑物內的空調系統(tǒng)的設計和水井系統(tǒng)的設計兩大部分。前者，可參考常規(guī)空調系統(tǒng)設計規(guī)范、設計標準和設計手冊等資料進行。而后者將是本章重點闡述的問題，主要包括： 在選擇和設計地下水源熱泵空調系統(tǒng)之前，如何充分了解和掌握地下水可采用的價值和質量等水文資料以作為科學決策的依據和設計的原始資料。

工程場區(qū)調查與地下水水文地質勘察的目的和任務

對工程場區(qū)調查與地下水水文地質勘察是為了獲得資源條件，查明工程場區(qū)的地下水類型及其特征、分布和埋藏條件、水質、富水地段和富水程度、開采條件和工程場地狀況等，為地下水源熱泵空調項目的選擇、規(guī)劃和工程設計提供科學的依據，并為做出地下水源熱泵空調項目的可行性評價提供依據。

地下水源熱泵空調項目可行性評價是決定其項目能否成功的關鍵。在以往的一些地下水源熱泵工程實踐過程中常常被忽略，由此造成系統(tǒng)失敗，或出現(xiàn)運行狀況并不理想等問題。這樣的例子很多，如： 已建成的地下水源熱泵系統(tǒng)有相當一部分工程由于沒有前期的勘察工作，或勘察工作有誤，使得這部分工程的地下水不能百分百的回灌到同一含水層中。

眾所周知，水是人類賴以生存的重要的基本物質。沒有水，人類生活無法生存和發(fā)展。因此，保護水資源、合理地開發(fā)和利用水資源走可持續(xù)發(fā)展之路，使人類社會與自然環(huán)境協(xié)調發(fā)展，事在當代，功在千秋。正因為如此，地下水換熱系統(tǒng)設計應根據地下水水文地質勘察結果，采用可靠的回灌等技術措施，使置換冷量或熱量后的抽取水全部回灌到同一含水層，不得對地下水資源造成浪費與污染。不能有效回灌的地下水源熱泵系統(tǒng)是典型的失敗。

一些工程項目在確定采用地下水源熱泵空調系統(tǒng)之前，根本不做試驗井，在不了解工程場地的地下水類型，分布范圍，含水層厚度，地下水補給、徑流、排泄特征，地下水質等情況下盲目上馬，導致地下水源熱泵工程出現(xiàn)地下水量不足，不能滿足工程的需要；地下水溫度過低，不能滿足供熱的需要；水質含沙量過大，運行不久就發(fā)生堵塞現(xiàn)象，如此等等。

為了杜絕出現(xiàn)上述問題，設計的第一步，要首先在工程場區(qū)內做好調查與勘察工作。查明水文地質條件，對地下水資源做出可靠評價，提出地下水合理利用方案，為生產井和回灌井技術設計和施工圖設計提供科學的依據。

工程場區(qū)調查工程場區(qū)狀況調查范圍應大于擬定換熱區(qū)一百到兩百米。通過調查和野外實際觀測，查明和了解工程場區(qū)地貌、地下水分布和運動的基本規(guī)律等，是工程勘察工作的基礎。其具體調查的內容為：場地規(guī)劃面積、形狀及坡度，工程場地可利用面積能否滿足建地下水抽水井和回灌井的需要，場地內已有建筑物和規(guī)劃建筑物的占地面積及其分布，場地內樹木植被、池塘、排水溝及架空管線、輸電線、電信電纜的分布，場地內地下管線和地下構筑物的分布及其埋深，場地內已有水井位置、井徑、井類型、井的結構、井深度、井層剖面、井出水量、水位、水溫和水質等。在完成上述的地質調查、地貌調查、水點調查、水質調查、建筑和管線工程調查等的基礎上，寫出調查報告。

地下水水文地質勘察地下水水文地質勘察手段主要有地球物理勘探（物探）和鉆探。物探是使用物探儀器測定地下巖土的物理參數，并以此推斷出地下巖土的性質、構造、水文地質特性。物探方法很多，如磁法、重力法、電法、地震及放射性勘探等方法。在地下水勘察中，應以電法勘察為宜。電法又以直流電法中的電阻率法、自然電位法應用較廣。常用電法勘探查明下述問題：含水層的分布及其深度、厚度，地下水的礦化度和咸、淡水區(qū)的分布范圍，鉆孔的地層剖面和咸、淡水區(qū)的分界面，地下水水位、流向、滲流速度及其與地表水的水力聯(lián)系等。

在調查和物探工作的基礎上，應進行水文地質鉆探。鉆探是用鉆機向地下鉆孔，可從井孔內采取巖心，進行觀測和試驗，了解地下深部的地質、水文地質情況的一種勘察工作。通過鉆井可以更直接而準確地了解到：地層巖性、層位，含水層的性質、埋藏深度、厚度和分布情況，含水層富水性和滲透性，地下水水溫及其分布，地下水水質，地下水補給、徑流、排泄特性等。鉆探可以獲得準確可靠的水文地質資料，是其他勘察工作不可替代的。

部分鉆探資料與物探結果互相校核。《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》中還明確指出：水文地質勘察應進行水文地質試驗。試驗的內容為：抽水試驗，測定鉆井的實際出水量，回灌試驗，測量井水水溫，取水樣并化驗分析水質，水流方向試驗，滲透率計算。

最后，要編寫出水文地質勘察報告。它是水文地質勘察工作全部成果的集中表現(xiàn)，是綜合性的技術文件。報告應明確指明地下是否有水、水量是否充足、水溫是否合適、供水是否穩(wěn)定、水質是否合格、場地是否合適打井和回灌等，并確定出地下水源熱泵系統(tǒng)在此使用的適宜性和對設置生產井與回灌井的建議等。

上述工程勘察工作是應用地下水源熱泵空調系統(tǒng)的基礎。因此，做好地下水源熱泵的工程勘察工作是十分重要的。在地下水水文地質勘察中應注意下述問題：

1.工程勘察可參照《供水水文地質勘察規(guī)范》GB50027和《供水管井技術規(guī)范》GB500296進行。

2.當地下水系統(tǒng)供給的建筑物面積小于2800m2時，應當設一個勘測井。對于更大的 建筑物則至少應設兩個勘測井。

3.設置勘測井時，應考慮到它能夠作地下水源熱泵的生產井使用。要由地質專家參與或監(jiān)督鉆孔工作和所有的取樣與試驗工作，撰寫水文地質勘察報告。

地下水源熱泵系統(tǒng)的形式與組成

地下水源熱泵空調系統(tǒng)的形式，大致可分為分散式系統(tǒng)和集中式系統(tǒng)兩種，如圖5-1所示。集中式系統(tǒng)是選用大中型水/水熱泵機組，集中安裝在空調冷、熱站內，集中制備熱媒（或冷媒），然后由熱媒（或冷媒）循環(huán)泵通過空調水管路系統(tǒng)，將熱媒（或冷媒）輸送到各個空調房間的末端裝置內，以實現(xiàn)供暖（或供冷）；而分散式系統(tǒng)卻是選用小型水/空氣熱泵機組，將小型水/空氣熱泵機組分別設置在各個空調房間內或各個區(qū)域內，由小型水/空氣熱泵機組直接向室內供暖（或供冷）。

若分散式系統(tǒng)的水/空氣熱泵機組是按建筑物分區(qū)（如內區(qū)與外區(qū)、朝南區(qū)與朝北區(qū)等）分別布置的，其系統(tǒng)還具有回收建筑物內余熱的功能，則這樣的分散式系統(tǒng)由于具有水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)的基本屬性，可以將它看作地下水源熱泵空調系統(tǒng)的一種例子，稱之為井水源水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)。

目前，應用較多的地下水源熱泵空調系統(tǒng)是集中式系統(tǒng)。但是，文獻認為井水源水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)將會有光明的應用前景。圖5-2給出典型的集中式地下水源熱泵空調系統(tǒng)，其系統(tǒng)是由地下水換熱系統(tǒng)、水源熱泵機組、熱媒（或冷媒）管路系統(tǒng)和空調末端系統(tǒng)組成。