地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是各個(gè)地方應(yīng)用較為普遍的一種地源熱泵空調(diào)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(tái)水源熱泵機(jī)組。1985年廣州能源研究所首先在廣東東莞游泳池開(kāi)始應(yīng)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(dá)空調(diào)設(shè)備有限公司開(kāi)發(fā)出水源熱泵冷熱水機(jī)組（水/水熱泵機(jī)組），以井水為低位熱源，通過(guò)閥門(mén)的啟閉來(lái)改變水路中水的流動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的供冷工況與供熱工況的轉(zhuǎn)換。而后，井水源熱泵冷熱水機(jī)組很快就成為了空調(diào)界的熱門(mén)產(chǎn)品，出現(xiàn)了大規(guī)模的地下水源熱泵空調(diào)工程項(xiàng)目。到1999年底，各地大約有一百套地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

進(jìn)入21世紀(jì)，地下水源熱泵的發(fā)展勢(shì)頭越來(lái)越好，越來(lái)越多的用戶開(kāi)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(kāi)始大量應(yīng)用地下水源熱泵空調(diào)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(yùn)行以來(lái)，其技術(shù)的推廣與應(yīng)用很快，到2003年底已完成160多個(gè)項(xiàng)目，總建筑面積超過(guò)200萬(wàn)m2。

但是，根據(jù)調(diào)查，近十年來(lái)，地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況并不能讓人滿意。這主要是由于設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理還存在一些問(wèn)題而造成的。因此，熟悉和掌握地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是十分重要的。

地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括建筑物內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和水井系統(tǒng)的設(shè)計(jì)兩大部分。前者，可參考常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)手冊(cè)等資料進(jìn)行。而后者將是本章重點(diǎn)闡述的問(wèn)題，主要包括： 在選擇和設(shè)計(jì)地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)之前，如何充分了解和掌握地下水可采用的價(jià)值和質(zhì)量等水文資料以作為科學(xué)決策的依據(jù)和設(shè)計(jì)的原始資料。

工程場(chǎng)區(qū)調(diào)查與地下水水文地質(zhì)勘察的目的和任務(wù)

對(duì)工程場(chǎng)區(qū)調(diào)查與地下水水文地質(zhì)勘察是為了獲得資源條件，查明工程場(chǎng)區(qū)的地下水類(lèi)型及其特征、分布和埋藏條件、水質(zhì)、富水地段和富水程度、開(kāi)采條件和工程場(chǎng)地狀況等，為地下水源熱泵空調(diào)項(xiàng)目的選擇、規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)，并為做出地下水源熱泵空調(diào)項(xiàng)目的可行性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

地下水源熱泵空調(diào)項(xiàng)目可行性評(píng)價(jià)是決定其項(xiàng)目能否成功的關(guān)鍵。在以往的一些地下水源熱泵工程實(shí)踐過(guò)程中常常被忽略，由此造成系統(tǒng)失敗，或出現(xiàn)運(yùn)行狀況并不理想等問(wèn)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(dāng)一部分工程由于沒(méi)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(lèi)賴(lài)以生存的重要的基本物質(zhì)。沒(méi)有水，人類(lèi)生活無(wú)法生存和發(fā)展。因此，保護(hù)水資源、合理地開(kāi)發(fā)和利用水資源走可持續(xù)發(fā)展之路，使人類(lèi)社會(huì)與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，事在當(dāng)代，功在千秋。正因?yàn)槿绱?，地下水換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)地下水水文地質(zhì)勘察結(jié)果，采用可靠的回灌等技術(shù)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(duì)地下水資源造成浪費(fèi)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(xiàng)目在確定采用地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)之前，根本不做試驗(yàn)井，在不了解工程場(chǎng)地的地下水類(lèi)型，分布范圍，含水層厚度，地下水補(bǔ)給、徑流、排泄特征，地下水質(zhì)等情況下盲目上馬，導(dǎo)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(guò)低，不能滿足供熱的需要；水質(zhì)含沙量過(guò)大，運(yùn)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(wèn)題，設(shè)計(jì)的第一步，要首先在工程場(chǎng)區(qū)內(nèi)做好調(diào)查與勘察工作。查明水文地質(zhì)條件，對(duì)地下水資源做出可靠評(píng)價(jià)，提出地下水合理利用方案，為生產(chǎn)井和回灌井技術(shù)設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。

工程場(chǎng)區(qū)調(diào)查工程場(chǎng)區(qū)狀況調(diào)查范圍應(yīng)大于擬定換熱區(qū)一百到兩百米。通過(guò)調(diào)查和野外實(shí)際觀測(cè)，查明和了解工程場(chǎng)區(qū)地貌、地下水分布和運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律等，是工程勘察工作的基礎(chǔ)。其具體調(diào)查的內(nèi)容為：場(chǎng)地規(guī)劃面積、形狀及坡度，工程場(chǎng)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(chǎng)地內(nèi)已有建筑物和規(guī)劃建筑物的占地面積及其分布，場(chǎng)地內(nèi)樹(shù)木植被、池塘、排水溝及架空管線、輸電線、電信電纜的分布，場(chǎng)地內(nèi)地下管線和地下構(gòu)筑物的分布及其埋深，場(chǎng)地內(nèi)已有水井位置、井徑、井類(lèi)型、井的結(jié)構(gòu)、井深度、井層剖面、井出水量、水位、水溫和水質(zhì)等。在完成上述的地質(zhì)調(diào)查、地貌調(diào)查、水點(diǎn)調(diào)查、水質(zhì)調(diào)查、建筑和管線工程調(diào)查等的基礎(chǔ)上，寫(xiě)出調(diào)查報(bào)告。

地下水水文地質(zhì)勘察地下水水文地質(zhì)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(cè)定地下巖土的物理參數(shù)，并以此推斷出地下巖土的性質(zhì)、構(gòu)造、水文地質(zhì)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(yīng)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(yīng)用較廣。常用電法勘探查明下述問(wèn)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(diào)查和物探工作的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)行水文地質(zhì)鉆探。鉆探是用鉆機(jī)向地下鉆孔，可從井孔內(nèi)采取巖心，進(jìn)行觀測(cè)和試驗(yàn)，了解地下深部的地質(zhì)、水文地質(zhì)情況的一種勘察工作。通過(guò)鉆井可以更直接而準(zhǔn)確地了解到：地層巖性、層位，含水層的性質(zhì)、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(zhì)，地下水補(bǔ)給、徑流、排泄特性等。鉆探可以獲得準(zhǔn)確可靠的水文地質(zhì)資料，是其他勘察工作不可替代的。

部分鉆探資料與物探結(jié)果互相校核。《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》中還明確指出：水文地質(zhì)勘察應(yīng)進(jìn)行水文地質(zhì)試驗(yàn)。試驗(yàn)的內(nèi)容為：抽水試驗(yàn)，測(cè)定鉆井的實(shí)際出水量，回灌試驗(yàn)，測(cè)量井水水溫，取水樣并化驗(yàn)分析水質(zhì)，水流方向試驗(yàn)，滲透率計(jì)算。

最后，要編寫(xiě)出水文地質(zhì)勘察報(bào)告。它是水文地質(zhì)勘察工作全部成果的集中表現(xiàn)，是綜合性的技術(shù)文件。報(bào)告應(yīng)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(zhì)是否合格、場(chǎng)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(duì)設(shè)置生產(chǎn)井與回灌井的建議等。

上述工程勘察工作是應(yīng)用地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。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(zhì)勘察中應(yīng)注意下述問(wèn)題：

1.工程勘察可參照《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50027和《供水管井技術(shù)規(guī)范》GB500296進(jìn)行。

2.當(dāng)?shù)叵滤到y(tǒng)供給的建筑物面積小于2800m2時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)一個(gè)勘測(cè)井。對(duì)于更大的 建筑物則至少應(yīng)設(shè)兩個(gè)勘測(cè)井。

3.設(shè)置勘測(cè)井時(shí)，應(yīng)考慮到它能夠作地下水源熱泵的生產(chǎn)井使用。要由地質(zhì)專(zhuān)家參與或監(jiān)督鉆孔工作和所有的取樣與試驗(yàn)工作，撰寫(xiě)水文地質(zhì)勘察報(bào)告。

地下水源熱泵系統(tǒng)的形式與組成

地下水源熱泵空調(diào)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(jī)組，集中安裝在空調(diào)冷、熱站內(nèi)，集中制備熱媒（或冷媒），然后由熱媒（或冷媒）循環(huán)泵通過(guò)空調(diào)水管路系統(tǒng)，將熱媒（或冷媒）輸送到各個(gè)空調(diào)房間的末端裝置內(nèi)，以實(shí)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(jī)組，將小型水/空氣熱泵機(jī)組分別設(shè)置在各個(gè)空調(diào)房間內(nèi)或各個(gè)區(qū)域內(nèi)，由小型水/空氣熱泵機(jī)組直接向室內(nèi)供暖（或供冷）。

若分散式系統(tǒng)的水/空氣熱泵機(jī)組是按建筑物分區(qū)（如內(nèi)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(nèi)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(diào)系統(tǒng)的基本屬性，可以將它看作地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的一種例子，稱(chēng)之為井水源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

目前，應(yīng)用較多的地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是集中式系統(tǒng)。但是，文獻(xiàn)認(rèn)為井水源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)將會(huì)有光明的應(yīng)用前景。圖5-2給出典型的集中式地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，其系統(tǒng)是由地下水換熱系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組、熱媒（或冷媒）管路系統(tǒng)和空調(diào)末端系統(tǒng)組成。