（制冷及低温工程专业论文）南昌某地下水源热泵工程的系统分析与优化.pdf

摘要 摘要 近年来，随着国家政策加大对可再生能源项目的发展力度，地下水源热泵 技术因其低能耗、稳定性高、绿色环保等优点成为一种可靠的建筑节能技术， 在全国范围内开展的新项目也越来越多。但随着应用的增多，地下水源热泵系 统存在的问题和设计方面的缺陷也日渐突出，诸如井群设计的不合理，地下水 回灌难等。尤其是在初投资方面，地下水源热泵系统相比传统中央空调系统的 费用高得多，也是影响地下水源热泵发展的重要因素。 本文针对以上问题，将南昌地区某售楼处作为建筑模型，利用建筑能耗软 件d c s t 对该建筑进行能耗模拟，计算出该项目的全年逐时负荷，得到系统的负 荷特性，夏季负荷大于冬季负荷，将夏季负荷作为系统设备选型的依据。根据 实际工程要求和政策的向导，选择地下水源热泵系统为建筑空调和采暖。 根据负荷情况，设计出地下水源热泵系统的井群分布一灌一回和一灌 两回两种方案，利用地下水含水层模拟软件f l o w h e a t 对两种方案分别模拟系统 在连续运行一个月和两个月后地下水含水层温度场和水头的变化情况，分析得 到一灌两回井群布置方案能有效避免地下水源热泵系统极易发生的热贯通现 象，在运行相同的时间后，一灌两回系统的地下水含水层的水头变化较小。但 是由于系统初投资的问题，为了节省打井的费用，实际工程采用的是一灌一回 井群方案。 为了从设备的角度解决地下水源热泵系统初投资高的问题，本文利用工程 上常用的最优化理论，从单位投资的角度出发，对地下水源热泵系统的主要部 件板式换热器、热泵机组、风机盘管分别建立目标函数，并根据地下水源 热泵系统的分类，建立开式地下水源热泵系统模型和闭式地下水源热泵系统模 型。优化得出闭式系统所利用到的地下水量远小于开式系统，能有效避免地下 水过度使用和被污染的问题。优化后发现两种系统中风机盘管和水源热泵机组 的费用相差不大，但闭式系统中板式换热器的费用较多。 关键词：地下水源热泵系统；建筑能耗分析；地下水含水层模拟；最优化理论 i nr e c e n ty e a r s ，w i t i lt h en a t i o n a lp o l i c ys t r e n g t h e n i n gt h e d e v e l o p m e n tf o r r e n e w a b l ee n e r g yp r o j e c t ，f o ri t sl o we n e r g yc o n s u m p t i o n , s t a b i l i t y , g r e e na n d e n v i r o n m e n t a la d v a n t a g e s ，t h eg r o u n d w a t e rs o u r c eh e a tp u m pt e c h n o l o g yb e c o m ea r e l i a b l eb u i l d i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o nt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r en e wp r o j e c t sc a r r i e d o u tt h r o u g h o u tt h ec o u n t r y h o w e v e r , w i t ht h ei n c r e a s ea p p l i c a t i o n si ng r o u n d w a t e r s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m s ，p r o b l e m sa n dd e s i g nd e f e c t sh a v eb e c a m ei n c r e a s i n g i y p r o m i n e n t , s u c ha su n r e a s o n a b l ed e s i g no fw e l lg r o u p ，g r o u n d w a t e rr e c h a r g e ，e t c e s p e c i a l l y i n t e r m so fi n i t i a l i n v e s t m e n t , c o m p a r e d t ot r a d i t i o n a lc e n t r a la i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，t h ec o s to fg r o u n d w a t e rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e mi sm u c h l l i 曲e r , t h a ti sa n o t h e ri m p o r t a n tf a c t o rt oa f f e c tt h ed e v e l o p m e n to ft h eg r o u n d w a t e r s o u r c eh e a tp u m p a i m i n g a ts o l v i n gt h ep r o b l e m si b i d ，t h i sa r t i c l et a k eas a l e so f f i c e si i ln a n c h a n g a sa r c h i t e c t u r a lm o d e l ，u s i n gt h eb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ns o f t w a r ed e s tt o s i m u l a t ee n e r g yc o n s u m p t i o n , c a l c u l a t et h ea n n u a lh o u r l yl o a dt og e ts y s t e ml o a d c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t su s et ob eab a s i sf o re q u i p m e n ts e l e c t i o n a c c o r d i n gt ot h e1 0 a dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o j e c t , d e s i g n i n gt h ed i s t r i b u t i o no f w e l l g r o u pf o rg r o u n d w a t e rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e m ，i n c l u d i n gp u m p i n g & r e c h a r g i n g i n t h eg a m ew e l la n di nt h ed i f f e r e n tw e l lt w os c h e m e s ，a n du s e g r o u n d w a t e ra q u i f e rs i m u l a t i o ns o f t w a r eh o w h e a tt os i m u l a t et h et w os c h e m e sa f t e r t h ec o n t i n u o u so p e r a t i o nf o ram o n t ha n dt w om o n t h st h et e m p e r a t u r ef i e l di nt h e g r o u n dw a t e ra q u i f e ra n dt h ec h a n g e si nw a t e rh e a d , t h ea n a l y s i sh a sg o tt h es c h e m e o fp u m p i n g & r e c h a r g i n gi nt h ed i f f e r e n tw e l lc a n e f f e c t i v e l ya v o i dt h eo c c u r r e n c eo f g r o u n d w a t e re n c r o a c h m e n t i i lg r o u n d w a t e rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e m ，h o w e v e r , c o n s i d e r i n gt h ei n i t i a li n v e s t m e n ti s s u e s ，i no r d e rt os a v et h ec o s to fd r i l l i n gw e l l s ，t h e s c h e m eo fp u m p i n g r e c h a r g i n gi nt h es a m ew e l lu s et ob ea na l t e r n a t i v e i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fh i g hi n i t i a li n v e s t m e n ta b o u tg r o u n d w a t e r s o u r c eh e a tp u m ps y s t e mf r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h ed e v i c e ，t h i sp a p e ru s et h em o s t c o m m o n l yu s e di ne n g i n e e r i n go p t i m i z a t i o nt h e o r y , f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fu n i t i n v e s t m e n t ，e s t a b l i s h i n gt h eo b j e c t i v ef u n c t i o no fg r o u n d w a t e rs o u r c eh e a tp u m p s y s t e mm a i nc o m p o n e n t s ，i n c l u d i n gp l a t eh e a te x c h a n g e r , h e a tp u m pu n i t sa n df a n c o i l ，a n da c c o r d i n gt ot h e c l a s s i f i c a t i o no fg r o u n d w a t e rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e m ， e s t a b l i s ho p e ng r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e mm o d e la n dt h ed o s e dm o d e lo f g r o u n d w a t e r s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m o p t i m i z i n gt h ei n l e ta n do u t l e tw a t e r t e m p e r a t u r ea f t e rt h eh e a tt r a n s f e re q u i p m e n ta b o u te a c ho ft h e s et w os y s t e m s ，a n d t h eu s en o n l i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e lo fo p t i m i z a t i o nt h e o r ya n dm u l t i - o b j e c t i v e p r o g r a m m i n gm o d e lt os e e k i n gt h eo p t i m a ls o l u t i o no ft h es y s t e m k e yw o r d s ：g r o u n d w a t e rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e m ；b u i l d i n ge n e r g ya n a l y s i s ， g r o u n d w a t e ra q u i f e rs i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o nt h e o r y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 地下水源热泵系统的研究背景和研究意义 1 1 1 地下水源热泵系统的研究背景 随着2 0 1 0 年1 2 月哥本哈根气候会议的不完美落幕，全球气候问题和经济 发展之间的矛盾日益突出，如何节能减排是各国人民亟待解决的问题。在我国， 根据国住房和城乡建设部提供的数据，城镇建筑面积以年均1 0 4 的速度增长， 同时，随着生活水平的提高，居民对建筑室内舒适度要求也随之而提高，使得 建筑能耗迅速增长。建筑能耗广义上是指建筑运行能耗和建筑材料制造与建筑 施工过程中的全过程能耗；狭义上是指建筑运行能耗，如照明、生活热水、洗 衣、炊事、空调和采暖等方面的能源消耗，其中夏季空调制冷和冬季采暖能耗 远远超过建筑其它能源消耗，占总建筑运行能耗的5 0 以上【1 1 。 ，发展绿色建筑产业是我国推行节能减排、低碳经济和应对气候变化的重要 措施之一。2 0 0 7 年，联合国气候变化专门委员会发布了第四次评估报告，报 告指出，气候变化正给全球人类健康、生态系统、经济发展带来严重的影响。 在2 0 0 9 年低碳经济与绿色建筑产业发展高峰论坛上，全国人大副委员长韩启德 指出，我国建筑总面积在2 0 0 9 年已超过4 0 0 亿平方米，建筑使用和运行的单位 面积能耗同比国外高出很多，我国的建筑运行能耗占全社会总能耗的比例达到 2 8 。到2 0 2 0 年，我国总建筑面积将达6 0 0 多亿平方米，建筑使用能耗占全社 会总能耗的比重在未来1 0 年内有可能达到3 5 。近几年，我国建筑太阳能光热 应用实现突破性增长，到目前为止，我国太阳能光热应用总面积达1 3 8 亿平方 米，光电建筑应用总装机容量达4 8 5 2 兆瓦【3 】。浅层地热能应用面积1 5 3 亿平 方米。根据现有资料表明，至2 0 1 0 年，中国建筑能耗占全社会能耗比例有所降 低，为3 0 1 4 1 。这主要得益于绿色能源在建筑中的规模化效应。 地源热泵技术是绿色能源利用技术之一，是一种对浅层地能的应用技术， 在近三十年中，得到快速发展和广泛应用。其利用热泵原理，在夏季利用地球 表面浅层水源和土壤中的冷源来实现制冷；在冬季利用地表水源和地热能和土 壤中吸收的太阳能来实现供热。由于冷热源来源的方式的不同，该技术通过利 用地球表面浅层水源( 如地下水、河流和湖泊) 和土壤中吸收的太阳能和地热 第一章绪论 能最为冷热源，采用热泵原理，可以实现空调系统的供热和制冷。由于利用的 能源形式不同，地源热泵技术可分为地下水源热泵系统、土壤源热泵系统和地 表水源热泵系统。这三种系统适用于不同的区域和环境。土壤源热泵系统适用 于内陆、地下水较缺乏的地区，其优点是可以减少地下水和地表水的污染和回 灌的问题，但其缺点是相较于其他两类地源热泵系统，初投资高。地表水源热 系统只适用于建筑周围有江河湖泊海的地区。地下水源热泵系统对地下水的流 量和水质有一定的要求，但其初投资较其他两种低。故几年来地下水源热泵是 应用的最多的一种地源热泵技术。 1 1 2 地下水源热泵系统的研究意义 近年来，我国城镇建筑面积以年均l o 4 的速度增长，每年达到二十亿平米， 其中只有1 7 为节能建筑。目前，世界发达国家已经广泛使用可再生能源，绿 色建筑和节能建筑的比例已经到达较高的水平。我国制定的目标是到2 0 2 0 年， 通过节能宣传提高全民节能意识和推广应用绿色节能建筑，使建筑总能耗降低 到2 0 1 0 年基础上的3 5 【5 。 地下水源热泵系统具有运行稳定，初期投资费用低，地下水源热泵系统已 经经过许多实际工程验证，系统的能效比能达到4 以上【6 l ，某些运行情况良好的 工程甚至能达到5 ，相对于普通空气源热泵空调系统，具有更好好的节能效果。 但由于地下水源热泵应用的较多，在运行时也就暴露出诸多问题，比如地下水 的排放方面，若不回灌会造成地下水形成降落漏斗、地表沉陷和地下水水质恶 化等问题阴。故全面而系统的研究地下水源热泵存在的问题，对地下水源热泵系 统进行优化分析具有重大的现实意义。 1 2 地下水源热泵系统国内外的研究现状 1 2 1 地下水源热泵系统在国外的研究和发展 地下水源热泵系统最早应用于1 9 4 8 年美国俄勒冈州波特兰市联邦大厦，在 之后的几十年中，地下水源热泵系统得到广泛的发展和应用1 7 4 1 。2 0 世纪4 0 - 5 0 年代，欧美国家掀起了地源热泵研究的第一次高潮，美国建筑开始大面积的安 装地下水源热泵川。在这十几年中，大多数地下水源热泵系统都是采用直接式系 统，由于直接式系统的缺陷性，多数空调系统在建成的5 。1 5 年问都由于腐蚀和 2 第一章绪论 生锈而不能使用 9 1 ，至此地下水源热泵系统的发展进入低潮期。但是到了1 9 世 纪7 0 年代末，世界能源危机的到来，石油价格不断走高，能源的需求量和储备 量之间的矛盾不断激化，人们开始将注意力集中到可再生能源上面。地下水源 热泵作为一种利用浅层地能的可靠方式再次引起了建筑界的注意。更由于板式 换热器的发展，将板式换热器应用在地下水源热泵工程中，使得地下水源热泵 系统的可靠性更强i l o l 。 目前欧美等发达国家对地下水源热泵技术的研究多侧重于热泵机组和相应 的空调末端上，包括分析热泵机组设备的运行效率、水循环系统的能量平衡、 阻力损失分析和运行管理等。对于水源热泵的研究主要侧重于热泵机组运行效 率的分析、系统优化设计及运行管理的经验总结、板式换热器性能特性研究和 模拟仿真技术在热泵系统中的应用方面。m j h a t t e n 对于美国四十多年水源热泵 系统的发展做出总结，提出在设计时首先要对地下水及其地质进行分析；设计 时还必须考虑建筑物未来的负荷增长需求；地下水和系统中的其他水系统应分 开运行 7 1 。a l s n i j d e r 提出了水源热泵的应用的可行性条件，认为为避免回灌 水对抽水井井水的影响，应令两井之间保持一定的距离【1 1 l 。加拿大学者 r l d o u g l a s 等人针对1 2 栋建筑的地下水源热泵系统作了详细的比较和分析，从 设计的角度，兼顾业主的利益，制定了a s h r a er p 8 g 3 标准，为设计人员提 供了参照标准1 1 2 l 。但是该项研究只是针对现有的系统做了定性分析，给了一些 比较数据，偏重于商业目的，缺乏深入的理论研究。2 0 0 3 年，美国发明家a c e 和r o n a l d 申请专利一( g e o t h e r m a ls p a c ec o n d i t i o n i n g ，该专利利用贮水罐作为 水源热泵主机的冷热源，并监测贮水灌内水温的变化，直接控制系统水和冷热 源之间的热交换，为水源热泵提供一个温度稳定的热源【1 3 】。 1 2 2 地下水源热泵系统在国内的研究和发展 早在2 0 世纪5 0 年代，我国就在上海等地利用夏取冬灌的方式抽取地下水进 行制冷，并在1 9 6 5 年开发出第一台水冷式热泵空调机【1 4 】，但其后的发展一直缓 慢，该种制冷方式未能得到推广。而在1 9 8 5 年广州能源所第一次将水水热泵应 用在广东东莞的一个游泳池供暖项目上，采用的是2 5 m 以下，温度为2 4 的地 下水作为热源，供暖系统由太阳房和水水热泵组成，运行后测试发现系统能效 比达5 以上。由于该项目的高能效比，我国地下水源热泵技术得到发展，在随 后的十几年该项技术成为国内建筑节能及暖通空调节能的重要研究课题。 3 第一章绪论 1 9 9 6 年，我国和美国联合签订中华人民共和国国家科学技术委员会和美 利坚合众国能源效率和可再生能源技术的反战与利用领域合作协议书，并于 1 9 9 7 年又签订该合作协议书的附件六一中华人民共和国国家科学技术委员会与 美利坚合众国能源部地热开发利用的合作协议书，其中主要内容之一是“地源热 泵 。为了推广地下水源热泵技术，协议书准备在广州、北京、杭州分别建立使 用地源热泵技术的绿色建筑示范项目，以达到减少对不可再生能源使用、充分 利用低位能源使能源资源的利用向多元化发展和实现节能减排的目的1 1 4 j 。在以 后的几年中，地源热泵技术开始大量应用于工程实践，许多国内空调厂家开始 研发和生产与此相关的热泵产品。最早开始地源热泵设备的国内生产厂家是山 东海阳富尔达和清华同方人工环境设备公司。进入9 0 年代后，以地下水为低位 热源的热泵技术发展迅速。9 0 年代末，水源热泵冷水机组成为国内空调界的新 宠儿，并在2 0 0 2 年水源热泵冷水机组产品迅速发展，产能大大提高，机组技术 也发展成熟，国内许多空调厂家在看到地下水源热泵空调的优势后，也都相继 开发产品【1 5 1 。清华大学通过对地下水源热泵技术进行分析研究后提出该技术应 在城市重点发展，并建立地下水源热泵城市需求系数评价模型，对国内两百多 城市的地下水资源、城市冷热负荷、使用可行性和政策等主要方面进行分析， 对这些城市的情况进行了综合评定。该研究对我国地下水源热泵的发展具有巨 大意义。2 0 0 6 年，随着可再生能源法和地源热泵系统工程技术规范的 制定和实施，从政策和法规上规范地下水源热泵系统的发展方向。地下水源热 泵技术开始在全国范围内推广和发展，尤其是在公共建筑和住宅建筑应用较多， 据不完全统计目前国内地下水源热泵空调项目已达3 0 0 个，最大单项目工程建 筑面积己达1 6 万m z 。 工程应用的大量实践，促使了地下水源热泵技术的不断发展，许多学者对其 进行了系统的分析研究。尤其是在经济性和节能效果方面，研究最为广泛和深 入，这其中包括天津大学杨惠等人以地下水源热泵系统的费用年值为目标，对 其进行分析与工程应用研究1 1 6 1 ；内蒙古工业大学徐向荣等人通过寒冷地区的地 下水源热泵工程实例，对系统运行的经济性和环保性进行分析1 1 1 ；罗英、任兆 成从初投资、运行费用等方面对北京警察学校地下水源热泵系统进行了介绍分 析【1 8 l ：北京工业大学的赵建成、张海涛等人将水蓄能和地下水源热泵技术相结 合分析实际工程的经济性1 1 9 1 。除经济性分析外，国内许多学者对地下水源热泵 系统模型和模拟方面也做了许多研究，如辛长征、朱颖心对地下水源热泵系统 4 第一章绪论 井群运行的地下含水层传、蓄热性能模拟研究凹1 ；何满潮、刘斌等对地下水单 井回灌渗流场理论研究【2 1 】；华中理工大张昆峰、马芳梅等对地下水源热泵系统 进行冬季工况运行的数值模拟分析1 2 2 1 。除此之外，研究更多主要侧重在解决地 下水源热泵系统在运行中出现的问题和如何避免这些问题的发生，在实际工程 中主要涉及设备和机组受地下水腐蚀与地下水水质污染问题、地下水回灌困难 造成地下水的浪费、系统节能运行控制等方面的问题。 1 3 课题研究的主要内容 地下水源热泵系统将地下水作为冷热源，兼使用热泵技术实现冬季供暖、 夏季空调的目的。理论上，地下水源热泵系统能够不消耗地下水而取得其中的 能量，但是由于地下含水层属性、水文地质条件和供回水井的布局及工艺等方 面因素的影响，地下水会被系统消耗和污染。尽管近十几年来，不断有实际工 程应用该系统，但是在其后的运行中也出现了许多问题，如水井堵塞、地下水 回灌难、地下水污染等，都未能得到妥善解决。 本文利用某一地下水源热泵工程，分析该项目的建筑能耗后，选择适当的 的热泵系统设备，从最优化理论的角度分析该系统运行，对风机盘管、热泵机 组和板式换热器等主要部件的参数进行优化，尤其是优化各部件的进出水温度， 以期能够得到最优解。而在地下水方面，为了更好的解决地下水源热泵系统存 在的热贯通的问题和地下水热冷不平衡的状况，建立地下水含水层的相关模拟， 模拟运行一段时间后，该含水层的水温和水头的变化，通过分析水头和温度的 变化，设计出更为合理的井群布置方案。 5 第二章地下水源热泵技术理论基础 第二章地下水源热泵技术理论基础 2 1 地下水源热泵的概念和原理 热泵是一种以消耗一部分高位能( 机械能、电能或高温热能) 使热量从低 位热源向高位热源传递的节能装置。热泵可以把不能直接利用的低位热源包括 低温余热、太阳能、环境介质( 地下水、地表水、土壤和室外空气等) 中储存 的能量转换为可以直接利用的高位热能节约部分高位能从而达到节能的目的。 在实际应用中，把热泵技术应用到暖通空调系统的部分设备或全部设备中的空 调系统为热泵空调系统。 地源热泵系统是以土壤、地下水或地表水为低温冷热源，由水源热泵机组、 地热能交换系统和建筑内空调末端等组成的供热空调系统。根据系统利用不同 的冷热源，地源热泵系统分为土壤源热泵系统、地下水源热泵系统和地表水源 热泵系统三种。 地源热泵系统主要由三部分组成：室外地热能交换系统、水源热泵机组及 建筑物内空调末端系统。室外地热能交换系统是指土壤源热泵中的地埋管、地 下水源热泵系统中的供回水井群或地表水源热泵的地表水换热系统。 由于室外地热能交换系统是地源热泵系统中的关键部分，可根据地下换热 系统形式的不同，将地源热泵系统分成三种类型：闭式系统、开式系统和直膨 式系统。地下换热方式的选择主要取决于当地的水文地质结构、有效的土地面 积和系统生命周期费用等。 地下水源热泵是地源热泵技术中的一种，是利用地下水作为冷热源提取能 量实现制冷和制热，由地下水井群系统、热泵机组和空调末端换热装置组成。 2 2 地下水源热泵系统的分类和特点 2 2 1 地下水源热泵系统的分类 地下水源热泵系统根据其与建筑物内循环水系统的关系，分为开式环路地 下水系统和闭式环路地下水系统，也可据根据抽灌井的设计分为同井回灌水源 热泵系统和异井回灌水源热泵系统。 6 第二章地下水源热泵技术理论基础 2 2 1 1 异井回灌地下水源热泵系统的原理 地下水源热泵系统通常分为制冷工况和供暖工况，带有蓄冰槽的空调系统， 还有制冰工况。在开式环路地下水系统( 图2 1 ) 中，地下水直接供给水源热泵 机组；在闭式环路地下水系统( 图2 2 ) 中，则使用板式换热器把建筑物内循环 水系统和地下水系统分开。地下水由配备潜水泵的水井或井群提供，经换热后 排向地表( 湖泊、河流、水池等) 或者排入地下回灌，随着研究的深入，一致 认为地下水应该全部回灌进地下，防止破坏地下环境。 开式地下水源热泵系统是从地下含水层抽水并利用设置在井中的过滤装置 对地下水进行过滤后，直接送入水源热泵机组，换热后在离取水点一定距离的 地点排放进回水井。开式系统的水管末端与大气相通，一般水管与带水池的冷 却塔、喷淋室或地下蓄冷( 蓄热) 水池等设备相连接。开式系统中循环水易脏， 水中含氧量高，容易对管路产生污垢和腐蚀，所以在地下水进入机组前最好进 行水处理。开式系统水泵扬程中除了克服水流动摩擦阻力外还必须加上提升高 度，水泵动力消耗较大，系统还常常会引起“水锤”现象，带来噪声。开式系统需 考虑一定容积的回水池，以防水泵断流，若系统管路较长，应根据管内流过时 间进行校核回水池是否会吸真空，并注意水泵的安装高度，防止气蚀。开式系 统在空调系统特别是高层宾馆空调系统中较少使用，但近年来由于空调技术的 发展和节约能源的需要，国外不少工程采用蓄冷池蓄冷的空调方式，相应的水 管系统则需要采用开式系统。而闭式系统中由于板式换热器的加入，则避免了 上述诸多问题。 制热工况下，热泵机组内的压缩机对制冷剂做功，通过四通阀转换制冷剂 的流动方向，由地下的水路循环吸收地下水的热量，通过制冷剂循环水热交换 器内制冷剂的蒸发，将水路循环中的热量吸收至制冷剂中，再通过制冷剂循环 水热交换器内制冷剂的冷凝，由循环水循环将制冷剂冷凝热吸收。 制冷工况下，水源热泵机组内的压缩机对制冷剂做功，使其进行汽液转化 的循环。通过制冷剂循环水热交换器内制冷剂的蒸发，将循环水所带的热量吸 收至制冷剂中，在制冷剂循环的同时再通过制冷剂冷却水热交换器内制冷剂的 冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由冷却水路循环转移至地下 水。 7 第二章地下水源热泵技术理论基础 图2 1 开式地下水源热泵系统 褒 摊 水 图2 2 闭式地下水源热泵系统 2 2 1 2 同井回灌地下水源热泵系统的原理 近几年，国内设计出的一种具有自主知识产权的新型地下水源热泵技术 同井回灌水源热泵技术【2 3 1 ，不同于异井回灌系统，同井回灌抽水井和回灌 井集成在同一口井中，抽水和回水在地下含水层中不同的深处同时进行。同井 8 第二章地下水源热泵技术理论基础 回灌地下水源热泵于2 0 0 1 年首次在北京投入使用【刎，由于其更节省初投资，国 内已经有许多实际工程应用。到目前为止，已经有近两百个工程项目采用该热 泵系统i 冽。 同井回灌在地下局部形成抽灌的平衡和循环，其原理图如图3 ，地下水井被 人为地分隔为两部分：上回灌区和下抽水区。 在系统运行时，潜水泵把抽水区的水加压提升至井口换热器中与热泵机组 低温水进行换热，换热后的回水再由同井返回到高压回水区中，整个过程中存 在着水量损失，甚至会出现抽水区的水被抽干，这时抽水区会出现局部真空。 回灌水在负压的驱动下从井的四周渗透进抽水区。这种同井抽灌具有压力回灌 的优点，在回灌水向抽水区渗透的过程中，回灌水与土壤之间通过热传导进行 热交换。回灌水所流经的土壤，就相当于一个换热器，回灌水可以充分吸收利 用土壤里的热量。因此，相对于异井回灌来说，同井回灌系统在水头压力的驱 动下能更容易解决地下水回灌问题，占用的空间也更小，在实际工程应用中， 同井回灌一般适用于小制冷供热负荷的建筑。 管 图2 3 同井回灌水源热泵系统原理图 2 2 2 地下水源热泵系统的特点 1 ) 利用可再生能源 地表土壤和水体能吸收大量的太能能辐射，4 7 的太阳能辐射能量通过各种 传递转移到地表土壤和水体中，一年中地表土壤和水体中所积蓄的太能能辐射 9 第二章地下水源热泵技术理论基础 能源可以提供给人类使用5 0 0 年以上【硐。同时地表土壤和水体在动态能量平衡 系统发挥重要作用。地表的土壤和水体不断的从太阳辐射接受能源同时又对外 界不断的发散来维持能源的相对平衡。这就意味着储存于其中的太阳能可再生 性强，它的利用也成为可能。因此，利用地表土壤和水体能源的地下水源热泵 技术属于可再生能源利用技术。 2 ) 节能高效 地下水体温度在冬季比环境空气温度高，地下水源热泵机组利用这个特点 来提高了热泵循环中蒸发器的蒸发温度，从而来提高热泵机组的能效比；地下 水体温度在夏季比环境空气温度低，利用这个特点来降低了制冷循环中冷凝器 的冷凝温度，从而来提高热泵机组效率；冬季蒸发器表面结霜是其它类型热泵 经常遇到的难题，而地下水体温度冬暖夏凉，可以有效的解决这问题；同时， 地下水源热泵机组相对于其他形式的集中式空调系统和供暖装置，其耗电量和 维修工作量都小，节能效果好。 3 ) 运行稳定可靠 地下水体温度波动范围远小于空气的波动，很少会受到室外气候环境变化 的影响，这就意味着即使在室外气候环境变化剧烈时，地下水源热泵系统仍可 以有稳定的能量源，从而保持地下水源热泵系统良好的工作性能，保证热能机 组的运行稳定可靠，同时也为地下水水源热泵系统的自动控制提供稳定的环境。 4 ) 环境效益显著 地下水源热泵机组因其能源使用特点使其运行维护费用低，通过合理的设 计能比空气源热泵节省7 0 以上的电力消耗【2 7 1 。同时，水源热泵系统水循环系 统不与外界空气直接接触，通过对地下水冷量和热量的利用来负担建筑的冷热 负荷，因此不会消耗地下水资源，也不会对地下水环境造成污染。另外，水源 热泵机组运行过程不需要燃烧，没有运行所遗留的废弃物，不会对空气环境造 成破坏，运行没有任何污染。 5 ) 一机多用，节省占地空间，应用范围广 地下水源热泵机组可以用来热季供冷，冷季供热和生活热水。相比于传统 空调系统，地下水源热泵系统能提供冷热源，仅用一套设备就能满足供冷供热 供热水的要求，因此安装容易且工期短，其总投资能比传统空调系统节省 4 0 2 8 1 。同时，地下水源热泵机组不需要冷却塔和其他室外设备，也就少了安置 这些设备所产生的空间占用问题，机构紧凑，节省占地空间，外部形象简洁， 1 0 第二章地下水源热泵技术理论基础 初投资小。可以广泛应用于各类大型公共建筑的制冷供热，也可应用于其他工 业场合，包括加工业环境控制，养殖业恒温应用，冷库应用等。 2 3 地下水含水层水力学相关概念 地下水由于受到土壤和岩石等介质的阻挡，其流动比地表水缓慢得多，因 此地下水含水层水力学激励和低保水机理不同。 地下水源热泵系统采用的热源是地下承压含水层中的地下水，而承压含水层是 一种多孔介质，地下水在岩石间隙中发生渗流。对渗流的描述基于下列假设1 2 9 1 ： 1 ) 不考虑岩土颗粒的存在； 2 ) 假设地下水充满整个承压含水层 3 ) 同一过水断面上，水流量等于通过该断面的实际水流量： 4 ) 作用在任意断面上的实际水流压力等于假定水流压力； 5 ) 假设单位体积水流所受阻力为定值。 地下承压含水层的水流特点和水流贯通分析的基础是达西定律，该定律是 描述渗流的经典定律之一。 2 3 1 下水渗流问题中的边界条件 在水文地质学上，岩土层和岩土层组合中能储存大量的地下水，而地下水 渗流的载体是地下承压含水层。岩层按其渗透性可分为透水层、不透水层和弱 透水层。透水层中地下水充满其中；不透水层为隔水层。而弱透水层是指渗透 性相对差的岩层，在地下水热泵系统取水时，该层提供的地下水量很小，可以 忽略不计，故考虑其为隔水层。但在地下水发生越流情况时，水流的水力坡度 大，渗透的过水断面也很大，相邻含水层和弱透水层交换的水流量很大，这时 可把弱透水层当成透水层。地下水按照存储条件分为承压水、潜水和包气带水， 按照地下水赋存类型，又可将含水层分为承压含水层和潜水含水层i 刈。 地下水流问题中碰到的边界条件有下列几种类型【3 l l ： 1 ) 第一类边界条件( d i r i c h l e t 条件) 如果在某一部分边界( 设为s 或f ) 上，已知各点每一时刻的水头值，则这 类边界称为第一类边晃或给定水头的边界，表示为： h ( x ，y ，z ，t ) l 吼一q o t ( x ，y ，z ，f ) ，( 工，y ，z ) 墨 ( 2 1 ) 或 1 1 一第二章地下水源热泵技术理论基础 日( 工，) ，f ) i r 一讫( x ，y ，f ) ，( 工，y ) r 1 ( 2 2 ) 式中，h ( x ，) ，z ，t ) 和h ( x ，) ，t ) 分别表示在三维和二维条件下边界段墨或r 。 上点( x ，y ，z ) 和( x ，) ，) 在f 时刻的水头。 ( x ，y ，z ，f ) 和仍( x ，y ，f ) 分别为s 或r 。上的已知函数。 2 ) 第二类边界条件( d e u m a n n 条件) 。 已知某边界( 设为最或l ) 单位面( 二维空间为单位宽度) 上流入( 流出 时用负值) 的流量q 时，称为第二类边界或给定流量的边界。相应的边界条件 表示为 k 爿q a ( x , y , z , t ) 如，y , z ) 郡： ( 2 3 ) 或 r 魏吲训y , t ，x , y ) r ： ( 2 4 ) 式中，n 为边界s ，或r ，的外法线方向o q , 乘l q ：为已知函数，分别表示是上单位面试和r 2 上单位宽度的侧向补给量。 3 ) 第三类边界条件 若某段边界墨或r 3 上h 和塑的线性组合已知，即：。 。d砣 婴+ 口h 。声 ( 2 5 ) 式中，口，卢为已知函数， 这种类型的边界条件称为第三类边界条件或混合边界条件。 当研究区的边界上分布有相对较薄的一层弱透水层( 带) ，边界的另一侧是 地表水体或另一个含水层分布区时，则可以看作是这类边界。如图2 1 所示，淤 泥层两侧的同一位置上a 点和p 点有水头差，如以h 表示边界内侧研究区的水 头，以为边界外侧的水头，当忽略弱透水层内贮存的变化时，有： 丁剖堕( 也一日) - q ( 础石f ) ( 2 6 ) 哪i 是 i ，l l 式中，k 为研究区的渗透系数o k 为弱透水层的渗透系数和； 为弱透水层的宽带； q 为相当的侧向流入量( 流出为负值) 。 第二章地下水源热泵技术理论基础 上式还可以进一步改写成： k 塑h n 一- h 0 k s ，上 o n盯 式中，卺。对于图2 - 1 这种二维情况，则有： ro w mw - w 。0 f 3 _ 1 2 o n 口 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 2 3 2 地下水渗透定律- d 髓c y 定律 1 8 5 6 年，法国工程师达西分析大量的试验资料，发现不同尺寸的圆筒和不 同类型土壤的渗流中通过的流量与圆筒断面面积和水力坡度成正比，并和土壤 的透水性能有关系，并最终得到达西定律【3 2 l 。 达西渗透实验使用一个装满砂的竖直圆筒，圆筒的两侧各装一根测压管，为 了控制圆筒的水位；设置溢水管。圆筒下端设置管嘴来测定水流量。 根据试验得到下列达西公式： 1 q k t o - ，- 一k t o i ( 2 9 ) 厶 式中，q 为渗透流量( 下端管嘴流量，即为通过圆筒断面的流量) ： 为过水断面； h 为水头损失( 上下游过水断面的水头差) ； l 为渗透途径( 上下游过水断面的距离) ； i 为水力坡度( 相当于h a , ，即水头差除以渗透途径) k 为渗透系数。 实验表明，当渗流的雷诺数r e 1 0 时，才能实用达西公式。但是多数的地 下水的流动服从达西定律。 2 3 3 其他相关水文地质参数 1 ) 渗流流速 渗流流速v 是基于下列假设： a ) 多孔介质是连续体，地下水充盈与整个多孔介质； b ) 假定的水流阻力和水流在空隙中受到的阻力相等； c ) 任意一点的水头和流速矢量和该点周围的水头和流速矢量的平均值相 等。 第二章地下水源热泵技术理论基础 渗流速度与地下水空隙平均流速v 的关系式为： ，一刀v ( 2 1 0 ) 式中，n 为孔隙率。 2 ) 水力坡度 水力坡度是渗流运动的水头损失与运动长度的比值。地下水在流动时，要 克服水和岩土壁及不同流速的地下水质点两者的阻力，随着流速的增大，阻力 也就越大，地下水的机械能减少，形成地下水的水头损失。水力坡度是克服摩 擦阻力使地下水运动的动力。水力坡度是无量纲参数。 3 ) 渗流系数 渗透系数是渗流单位水力坡度上的流速是反映土壤渗流特性的一个综合指 标，其值取决于土壤颗粒的形状、大小、不均匀系数和水温等。其物理意义表 示岩土层的透水能力。渗透系数越大，岩土层的透水能力越好。根据达西公式， 当水力坡顶一定时，渗透系数越大，渗透流速也就越大。 2 4 地下水含水层流场 自然界中，地下水由于含水层中的水头分布不均促使地下水流动，除此之 外i 由于各含水层的温度不同，也会导致地下水的热质迁移。热质迁移包含三 方面的内容：热传导、对流传热和热辐射。而地下水的热质迁移的主要方式是 对流传热。在忽略辐射传热的情况下，将含水层的热质迁移称为对流弥散传热 过程，引起地下水温度场的变化。一般将水头分布不均引起的流动称为水力驱 动；热质迁移引起的流动称为热力驱动。热力驱动引起地下水温度的变化，改 变水的密度，水密度的变化又改变地下水的流动。可见地下水流动和地下水温 度场的变化是个相互影响的过程。 在有外力干扰的情况下，地下水的流场受外力影响，地下水的运动过程更 为复杂和剧烈。对地下水抽取后，在取水点周围的含水层中形成降落漏斗。随 着抽水量的增大，周围的水位不断降低，降落漏斗也不断扩大。而注入地下水 时，注水点周围形成倒漏斗，注水点周围的地下水位不断升高。若取水点和注 水点位于同一含水层，随着取水量和注水量的不断增大，水位影响也就越来越 大。随着水量的增大和时间的推移，最后可能会发生水流贯通的现象。 1 4 第二章地下水源热泵技术理论基础 2 5 本章小结 本章对地下水源热泵的概念、分类和原理进行了详细介绍，对地下水源热 泵系统的技术要求进行了论述，系统分析了同井回灌水源热泵系统和异井回灌 水源热泵系统工作原理和技术特点，并指出了地下水源热泵系统的优点和优势。 同时，对地下水含水层水力学相关概念进行论述，研究地下水渗流问题中的边 界条件，作为第四章第五章建模分析求解的理论基础。 第三章工程概况与建筑能耗分析 第三章工程概况与建筑能耗分析 3 1 工程概况 满庭春项目位于江西省南昌市红谷滩新区，占地面积为1 0 4 0t i n 2 ，空调面积 为8 5 6 m 2 ，建筑功能为售楼处和样板房。售楼处和样板房为独立建筑物，两建筑 物间距约为1 0 0 m 。 售楼处包含了会议室、财务室、经理室、展示览厅、签约区、更衣室等多种 功能房间；样板房则包含了一个三居室套房和一个两居室套房，套房内包括卧室、 厨房、餐厅、书房、卫生间等。建筑平面图如图3 1 和3 2 所示。由于样板房的 特殊性，不能将其看成普通的家庭用房，本设计中，按照普通办公室的标准来设 计室内冷热负荷，厕所和厨房等房间不设计空调。根据本项目甲方的要求和实际 政策的向导作用，空调设计方案采用近年来具有显著节能效果的地下水源热泵空 调。售楼处和样板房北面有一片绿化带可作为地下水源热泵系统井群布置场地。 u _ 1 i i _ i i _ u i _ i i _ i _ i i 图3 1 售楼中心平面图 1 6 第三章工程概况与建筑能耗分析 图3 2 样板房平面图 3 2 南昌地区地质和气象条件 3 2 1 南昌水文地质特征 江西全省