异层储能型地下水源热泵系统的应用研究.doc

异层储能型地下水源热泵系统的应用研究2006年第34卷第6期流体机械5l文章编号:1【x)50329(2(x】6)O60o5l05异层储能型地下水源热泵系统的应用研究田苗.朱能.彭鹏(天津大学,天津300072)摘要:提出的异层储能型地下水源热泵系统综合了异层井组合采灌,季节性储冷和水源热泵串联三种技术,为实现地下水的大温差利用提供了可能.在从技术,环境和经济等方面分析其实施的可行性的基础上,针对某实际工程,利用水源热泵性能模拟软件,提出了应用3种技术大温差利用井水的具体设计方案.与常规水源热泵进行了比较后,认为特定地区异层储能型地下井水源热泵不仅具有实际可操作性,还可节约地下水资源.关键词:水源热泵串联;异层井采灌;含水层储能中图分类号:TE964文献标识码:AStudyonCombinationofUndergroundDifferentThermalStorableAquifersandCascadedWaterSourceHeatPumpSystemTIANZhe,ZHUNeng,PENGPeng(ri趼jinUniversity,Tiin3OOO72,China)Abstract:Anewtypesystemwhichwatersourceheatpump(WSHP)cascadedlyuseswaterfromundergrounddifferentthermalstorableaquifersisputforwardindifferentFca.cffjn,Exceptanalyzingthefeasibilityofthenewsystemfromtechnology,environmentandeconomythreeaspects,thedetailedplanismadeforanactualp叫ect.Bycomparedwithcommoflundergroundwshpsystem,thenewtypewshpsystemwasdeterminedthatitisnotonlyactualized.butalsocouldsaveundergroundwaterandbemoreeconomic.Keywords:cascadedwaterSOUleheatpump;differentaquiferieefionandextraction;undergroundaquiferthermalsragel引言利用地下水源热泵作为建筑冷热源其应用形式大致可分成两类:一类是与地热水供暖结合,利用地热采暖尾水供热,另一类是利用浅层井低温水为热泵机组水源,井水利用温差一般在8一l5之间.本文以提高地下水资源利用率为目标,针对特定地区的水源热泵系统应用进行讨论.2异层储能型地下水源热泵应用2.1异层井实现地下水的大温差利用我国大部分地区,浅层井的出水温度一般为15加.采用常规制冷剂的水源热泵机组在夏收稿日期:2005O815季制冷工况时,从理论上讲可以将地下井水温度提升至55以上回灌或排放,对地下水的利用温差达到253O.但此时压缩机冷凝温度过高,制冷效率将急剧降低,同时制冷量也将严重衰减.因此水源热泵制冷工况不能过高地提升地下水温度.根据目前水源热泵机组样本,制冷工况下冷凝器地下井水出水温度一般小于3O,但考虑到常规电力冷水机组的冷却水设计出水温度为37,将水源热泵机组的制冷工况冷凝器最高出水温度设定为4o,技术和经济上是可行的.即使如此,此时制冷工况地下水利用温差也只能在l52O之间.采用常规制冷剂的水源热泵机组在冬季制热工况运行时,基于机组蒸发温度不应低于O的52FLUIDMACHINERYVo1.34,No.6,2006考虑,蒸发器最低出水温度应该在35以上,如采用常规浅层井与水源热泵机组配套,制热工况对地下水的最大利用温差也只能在l0l5之间.从分析可以看出,影响目前常规水源热泵地下水利用温差的主要因素在于浅层井出水温度.对水源热泵机组而言,为提高地下水利用温差,在夏季制冷工况要求地下水出水温度低,而在冬季制热工况则要求地下水出水温度高.因此常规的同层浅井采灌,难以同时提高水源热泵机组在供冷,供热工况时对地下水的利用温差.采用异层井组合方式可以有效解决此类问题.深井出水温度高,用于冬季制热工况,被提取热量后的冷水回灌浅井.浅井出水温度低,用于夏季制冷工况,吸收热量后的热水回灌深井.异层井的组合采灌方式对于水源热泵机组的供冷/供热两种工况,均可以在不过多牺牲机组效率的情况下,实现提高地下水利用温差的目标,从而节约地下水的利用量,减少凿井数量.如出水温度40的深井与出水温度为20浅井组合作为热泵机组的水源,可以实现对地下水在制热工况下30和在制冷工况下20的大温差利用.2.2地下含水层储能地下含水层储能技术,就是我们常说的井水冬灌夏用.它是利用深层土壤的保温作用,将地下含水层作为储冷蓄热材料,实现冬季储存冷水供给夏季使用的功能.根据经验和资料,评价地下含水层储能效果的参数主要有两个:储冷效率和平均热交换率.储冷效率反映储冷后出水温度,井原出水温度和回灌水温度之间的关系.公式如下:=100%(1)式中储冷效率,%井原出水温度储能后平均采水温度回灌水平均温度平均热交换效率是反映回灌水在储冷过程中的日均温度变化率.公式如下:(2)式中储能天数对于三角洲冲积平原地区储冷效率一般在53%一90%之间,而平均热交换效率在0.0740.007/日之间.以上海酒精厂储冷井为例,11月中旬至第二年3月中旬回灌冷水平均温度l3.5oC,6月至9月等量回采冷水,出水平均温度15.4C.原井出水温度20,其储冷效率为70.8%,平均热交换效率为0.0158oC/日L4J.在我国大部分地区,浅层井的出水温度一般为l520.根据储冷效率和平均热交换率的经验取值,浅层储能井在冬季充冷运行结束到夏季用冷开始期间的回灌水温升一般在15之间,并且随着储能循环次数的增加,温升有逐渐减小的趋势.如,当冬季充冷运行回灌水温度在58C时,在供冷工况等量抽水时平均出水温度将维持在10l2.从大量的冬灌夏用技术资料及数据可以看出在特定地区实现地下含水层储能是可行的.2.3异层井储能系统可行性分析通常情况下建筑物的夏季冷负荷大于冬季热负荷,对于既供冷又供热的水源热泵系统来说,夏季对地下水期望的利用温差大于冬季.因此仅仅利用异层井作为水源,仍然不能完全实现单井供冷供热面积的最大化.地下含水层储能技术可以通过浅层井的冬季充冷过程来降低其出水温度,帮助异层井水源热泵系统实现增加夏季地下水利用温差的目标.利用异层井作为水源,辅以地下含水层储能的水源热泵系统,称之为异层井储能型水源热泵系统.在适宜地下含水层储能的特定地区采用这种系统可以有效提高夏季地下水利用温差,减少地下水采量.2.3.1地面沉降及回灌取用地下水,对环境的主要影响是地面沉降问题.沉降的成因是开采地下水使地层水缺失,地下水位下降,引起地层附加荷载,产生弹性或塑性变形.但如果做到井水的采灌平衡,就可以大幅度减少因使用地下水而产生的地面沉降.根据上海市19821990年的分层沉降观测资料,证实采灌条件下的沉降量只相当于无回灌条件下的三分之一.据此,回灌问题就成为地下井系统设计和运行的主要问题.在适宜地下储能的冲积三角洲地区,以天津为例,含水层以粉细砂为主,孔隙度小回灌较为困难.但是根据该地区深层井水埋深低,灌量大,浅层井水位高灌量较低的基本规律,辅之以打井成井工艺和回灌方式的改进,利用第四系三,四含水层组浅井的灌抽比约在60%70%之间.因此对于涌水量为100t/h左右的井,2006年第34卷第6期流体机械53控制采水量在6070t/h,基本上可以保证100%回灌.2.3.2地下含水层污染除了地下水被循环利用可能与外界空气接触时发生的地下水氧化污染外,地下含水层还可能会因为回灌水温度,压力的变化而造成一些未知的地质水文,地质生态上的污染或破坏.对于异层井系统的地下水采灌更容易让人质疑的问题是:不同层水体间的掺混污染,不同地下含水层水体的水质可能并不相同.不同水质的水相互掺混,如果发生物理或化学反应不仅可能导致地下井系统失败甚至可能会造成地下土壤的污染.因此在进行异层井设计,确定深浅取水(回灌)层时,应该对水层进行详细的水质分析匹配,选择水质相同或相近的含水层作为取水(回灌)层,并对回灌水进行处理保证其回灌水质,最大限度的避免不同层采灌可能带来的污染问题.如果条件允许,设计前开凿勘探井取得第一手的地质水文资料可以增加设计成功的概率.2.3.3水源热泵机组地下水大温差利用系统形式如图1所示.采用异层井储能系统为地下水30clC以上的大温差利用提供了可能,在制冷工况从利用温差10qC到40clC,在制热工况利用温差从4oqC到8.但直接利用,从目前的水一水热泵机组技术来看,主要存在以下两个问题:(1)地下水进入机组的初始水温过高或过低.为保护压缩机及润滑油系统的正常运行,热泵机组的冷凝温度一般不低于25,而蒸发温度一般不高于10clC.(2)地下水温差太大,单级热泵机组无法实现.但是,通过适当混水降低或提高热泵机组进水温度,串联水源热泵机组运行,可以达到地下水大温差利用的目的.图1异层井储能水源热泵系统示意流程示意如图2所示.可以看出,无论制热工况还是制冷工况,地下水最终回灌参数均接近于常规单冷机组,因此必须利用地下水人口温度较高(制热)或较低(制冷)的优势,提高机组COP,才能保证整个系统效率高于常规冷水机组.水源热泵机组的串联运行一方面实现了对地下水的大温差利用,另一方面保证了水源热泵系统制冷制热效率的最大化.利用温差78.c利用温差78(a)制冷工况利用温差45.c利用温鬻45C(b)制热工况图2地下水利用流程示意3应用案例分析较.表1是几种常用冷热源的制冷制热效率比表1几种常用冷热源的制冷制热效率比较风冷常规螺杆常规水源水源热泵项目制冷+热泵热泵串联系统城市热网制冷COP3.O4,04.44.8制热COP4.14.5可以看出,梯级利用井水热量的水源热泵串联系统的效率虽然略低于常规水源热泵,但高于其它两种常用冷热源.此外由于其减少了井水的使用量,从而大幅度降低了井水泵的功耗.就机房整体耗电量而言,梯级利用井水的水源热泵串联系统运行能耗略小于常规水源热泵.此外异层井组水源热泵串联系统虽然牺牲了部分机组效率,但减少了取水井开凿数量,降低了初投资,同时扩大了可应用范围,在这方面是常规水源热泵无法比拟的.由于具体情况的多样性,对于异层井组梯级水源热泵的经济性特点还需要进行个案定量分析.天津某1O万m2建筑群,占地250m300m.要求全部供热,5万m2供冷.建筑群总空调冷负FLUIDMACHINERYVo1.34,No.6,2006荷7000kW,总热负荷8800kW.如采用同层灌采的常规水源热泵系统,地下水开采量约750m3/h,为使采灌平衡,约需开凿灌采井2O眼.开采强度很大,构成串联系统,区域地质水文条件难以满足.此外考虑到同层井井间距要求,在该区域范围内多井分布难以实现.经多方论证,决定采用异层井储能水源热泵系统.选用6台制冷量1135kW螺杆水源热泵机组,每两台并联为井水梯级利用的一级.4.1异层井组一水源部分形式4.1.1井组设计天津地处海河人海冲积平原带,地质具有粘土和细砂层交替重迭,地下水流速小等特点,具备地下储能条件.根据勘测结果地下水资源情况如下:第四承压淡水含水组:底板埋深438.5m,累计粉细砂层总厚82.5m.孔隙率38.5%4o%,渗透率2158243310I3】.水质为HCO3一C1一Na型.明化镇组下段含水组:底板埋深901m,累计砂岩厚75.6m,渗透率为(12171621)10I3.水质为Hc03一ClNa型占优势.水源部分设计为4对异层井组,每井组包括深浅两口井,均为采灌设计.浅层井深250350m,涌水量96t/h,平均出水温度l8,静水位84m,动水位100m,单位涌水量6m3/(h?111).深层井深800900m,涌水量94t/h,平均出水温度38,静水位87m,动水位104m,单位涌水量5.5m3/(h?m).单井回灌量按单位涌水量的1/3计算,深浅井单位回灌量分别为1.8m3/(h?m),2.0m3/(h?m).则最大负荷工况下,设计每口井回灌水量为60t/h是可行的.4.1.2浅层井储冷设计冬季冷水回灌采用水源热泵机组供热工况的5C尾水.根据该建筑群冬,夏季耗热耗冷量,得出冬季浅井回灌冷水量为22.3万吨,单井回灌量5.6万吨;夏季浅井采冷水量为20.4万吨,单井采水量5.1万吨.深浅井全年灌采水量基本平衡.对于浅层井,储冷效率按照6o%计算,冬季回灌5冷水,根据上节计算公式得出夏季等量采水时出水平均温度为10.2C.此外,储冷井还应保证一定的间距,依据文献5提供的公式,计算得出两储冷井最小间距为50m.本设计综合其他资料确定,同层井设计间距120m,异层井设计间距810m.4.1.3水质评价经过对该区域勘探井获取的水文地质资料进行分析,认为这两个含水层水质符合sY/T53299水质推荐指标,其中雷纳兹指数大于6,且不会产生硫酸钙沉积和硅酸镁结垢,说明两层水质相近,混合和灌入对应含水层后不会产生化学沉积.4.1.4地面沉降水位下降引起的地面附加沉降量计算公式如下:s:sli=l:APi皿(3)式中s水位下降引起的地面总附加沉降量,mSi第i计算土层降水引起的附加沉降量,m第i计算土层降水引起的附加荷载,kPa日第i土层的压缩模量,kPa凰第i土层的厚度,m如果附加荷载按30m估算,压缩层为36层,总厚度按60m估算,本项目井点周围10m内最终沉降值为:浅井29mm,深井llmm.从计算结果可见,异层灌采条件下,即使采灌平衡也会引起地面沉降,但沉降量有限.建筑设计时应增加因为抽水引起的沉降量标高.4.2水源热泵系统形式4.2.1冬季制热工况根据厂家提供的水源热泵机组性能模拟软件,设计工况流程如下:190t/h的38C低温热水,与140t/h的5低温热水的机组出水混合,水温为24,水量330t/h,进入第一级水源热泵机组,出水温度l6.7,制热量3300kW,制热系数4.61;第二级水源热泵机组出水温度10.5,制热量3000kW,制热系数4.35;第三级机组出水温度5,制热量2500kW,制热系数4.19.系统总制热量8800kW,系统平均制热系数4.39(如图3所示).经过混水和热泵机组串联的梯级利用,将井水水温降低至5C,回灌至对应的浅层井中,储备起来供夏季供冷工况使用.4.2.2夏季制冷工况2006年第34卷第6期流体机械55按浅层井储冷设计,浅层井储冷后回采水温度为10.2C.根据机组性能模拟软件设计工况流程如下:240t/h的浅井储能10.2C低温水,与最后一级机组58t/h的40.7的出水混合,水温为16.1,水量298t/h,进入第一级水源热泵机组,出水温度24.5,机组制冷量2496kW,COP为5.27;第二级水源热泵机组出水温度32.8C,制冷量2356kW,COP为4.46;第三级机组出水温度4o.7,制冷量2192kW,COP3.67.系统总制冷量7044kW,系统平均COP为4.4(参见图4).l4nm31hI33om/I15柏图3冬季工况流程示意2C萄晦萎图4夏季工况流程不意井水经热泵机组串联系统梯级利用提取冷量,温度升高至4o.7后,回灌至深井,储备供冬季制热工况使用.4.3经济性分析常规水源热泵和井水梯级利用水源热泵串联系统两种方案运行费用概算如表2所示,初投资概算如表3所示.费用常规井水源热泵井水源热泵串联系统项目供热供冷全年供热供冷全年机组144.872.6217.4138