水源热泵室外井水系统换热计算方案

一、工程概况本项目位于市铜山新区，总建筑面积约50000平米。需解决夏季空调制冷，冬季供暖问题，本方案采用水源热泵空调系统。二、设计参数及空调冷热负荷1、室外计算参数：（参见地区气象参数）2、室内设计参数：夏季:24~26℃相对湿度60%；冬季：18~20℃相对湿度30%。3、本工程空调总冷负荷为7700KW，空调总热负荷为6800KW。三、空调系统主机设备选择本项目空调制冷制热选择水源热泵机组4台，夏季四台机组同时运行；冬季三台机组运行，另外一台为备用。水源热泵机组参数：制冷量Q=2110Kw，输入功率=271Kw，制冷能效比7.79；制热量Q=2163Kw，输入功率=416Kw，制热能效比5.2。四、室外水源井设计根据制冷机组样本数据，四台机组在夏季最大负荷时，地下水需水量为750立方/小时。一般情况下夏季高温季节最大负荷时间仅有十多天，大多数时间为70%负荷。根据以上情况，水井按70%负荷考虑，地下水抽取量确定为500立方/小时。夏季高峰时期采用消防水池作为混水池解决。抽水井、回灌井的布置及设计必须根据场地环境条件进行，要保证水源热泵系统长期稳定使用。抽水井设计结构如下：上部开孔为800mm，下500mm螺旋钢管，此段长度15m左右；钻到岩石层后孔径改为500mm裸孔，此段长度30m左右，然后变径为325mm裸孔，此段长度40m左右。设计降深为15～20m。抽水量约为80m3/h，静止水位为地下10.5m，动水位平均约为地下28m。回灌井结构如下：上部开孔为800mm，下500mm螺旋钢管，此段长度15m左右；钻到岩石层后孔径改为500mm裸孔，此段长度50m左右。单井回灌量为50m3/h。根据计算分析及水源热泵机组的选型，室外共需抽水井7眼，回灌井12眼，观测井1眼。20眼井沿建筑外围布置，抽水井间距不小于50m，回灌井间距不小30m，抽水井及回灌井间距为80—130m。夏季高温最大负荷时采用消防水池作为混水池，一方面消防水池有蓄能功能，另一方面可采用超前回灌，先利用消防水池里的蓄水运转机组，把机组出水回灌到回水井里，然后再开启抽水泵，这样可保证抽水井的水量大大提高。这样只需提取地下水500吨，供回水温差可考虑为15度，和取回水管道分别连通，来回循环250吨，机组进出水始终是750吨，取水回灌始终是500吨，这样可以做到：地下水小流量、大温差，进机组大流量、小温差。而且，减少了打井数量，回灌难题也解决了。采用消防水池作为混水池，消防水池的水量不会消耗，消防水池内的水是在循环，它有补充也有排放，处于一个动态平衡状态，水温达到排放温度的时候，由温度传感器将温度信号传递给安装在水源热泵井水管路上的电磁阀门，控制井水是回灌还是流回消防水池，当消防水池的水位降低的时候，液位计控制井水水泵的开启。五、地下岩土年调解负荷能力及蓄热能力计算

水源热泵是以水作为传热介质与大地土壤进行热交换，不需要消耗地下水资源，不会对地下水质产生污染。在自然形成的松散空隙地质条件下，动力扰动自然水体与地下空隙地质形成径流循环来和地下岩石进行低品位能量交换。我公司依据本项目水文地质资料及空调冷(热)负荷需求，计算可利用的岩土底板面积对冷(热)负荷的调解能力，以及有效地空隙蓄热层容积，扰动地下空隙层地下潜水循环，根据空调冷(热)负荷需求变化情况，调整变水流量控制系统，达到冷(热)源变水流量节能运行。

5.1地下岩土水平/垂直传热年调解能力计算QN

本项目采用均布7口取水井，12口回灌井，底板有效面积利用率为75%，有效垂直面按20米考虑。依据国外近百年来对土壤能源密度的研究实验测试，土壤能源密度约20～40W/M2，拟建场地勘察深度-16米以下为基岩，岩石层传热效果好，可取30W/M2。

①底板水平岩土传热QX1

传热面积：边长L=300米，边宽B=180米，周边扩散系数1.2，利用率为50%，计算水平方向传热。水平方向传热：QX1=FX·ρ

式中：FX1=L·B·1.2·50%(M2)；

ρ=30(W/M2)。

QX1=(300×180×1.2×50%)×30=972000W(972KW)

②周边垂直岩土传热QX2

传热面积：边长L=300米，边宽B=180米，有效厚度H=20米，周边扩散系数1.2，利用率为50%，计算垂直方向传热。垂直方向传热：QX2=FX·ρ

式中：FX2=(L+B)·2·H·1.2·50%(M2)；

ρ=30(W/M2)。

QX2=[(300+180)×2×20×1.2×50%]×30=345600W(345.6KW)

③地下岩土夏季调解负荷能力QN底板水平岩土及周边垂直岩土传热夏季对地下岩土蓄能/释能的调解能力为：

因供冷负荷大于供热负荷，按夏季运行时间120天考虑QN=(QX1+QX2)·24·120

QN=(972+345.6)×24×120=3794688KW

5.2地下岩土有效容积蓄能量计算QV

按试验井数据可知，本项目场区内可利用有效容积蓄能层赋存于-10～75米的岩层中，可利用地下岩石层容积蓄能作为大楼供冷供热的可再生低位热能。底板长度约300米，宽度约180米，有效岩层厚度约20米，扩散系数1.2，有效容积利用率50%。采用扰动地下水体循环与岩石层进行热交换，经一个周期性的蓄热/释热循环拟定地下岩土温度为：

夏季蓄热最高岩土温度t1=25℃；冬季释热最低岩土温度t2=10℃。

计算理想状态下地下岩石层容积蓄热量。

容积蓄热量公式：

QV=VV·C·Δt·50%/4.19

式中：

VV=L·B·H·1.2(M3)；C=2400(kJ/℃·M3)；

Δt=15℃；

4.19(J)=1.0(cal)。

QV=300×180×20×1.2×50%×2400×15/4.19=5567541767cal（6458348KW）

5.3地下岩土承受冷负荷系数计算δ1

空隙层岩土底板面积、蓄热容积大小反映地下岩土综合承载负荷能力，是否满足周期性的蓄热/释热循环，直接影响系统的经济运行性能。

承受冷负荷系数：δ1=（QN+QV）/Q+·ψ

式中：QN=3794688KW地下岩土年调解负荷能力；QV=6458348KW地下岩土有效容积蓄热量；

Q+=7700×8×30×4.0×0.6×0.9=3991