太原市某遠郊居住小區水源熱泵系統的設計

張紅梅 劉 鵬

1太原學院環境工程系

2山西雙良可再生能源產業集團有限公司

太原市某遠郊居住小區水源熱泵系統的設計

張紅梅1劉 鵬2

1太原學院環境工程系

2山西雙良可再生能源產業集團有限公司

對于城市集中供熱管網未覆蓋到的遠郊居住小區，冬季采暖采用地源或水源熱泵系統是現階段的最佳之選。本文對山西省太原市某遠郊生活小區水源熱泵系統的機房設計過程進行了介紹，重點對熱源參數計算進行了詳細說明。并結合工程特點，提出節能運行方面的建議。

水源熱泵 地下水井 熱泵機組

地源熱泵技術始于20世紀80年代，用于采暖的運行費用比燃油、燃煤鍋爐節約40%～60%[1]。作為一項“綠色技術”，我國地源熱泵技術開始發展于20世紀末，相比美國、英國等發達國家較晚，但極大地緩解了建筑能耗對煤炭和石油的依賴程度，使得能源資源走向多元化。其中水源熱泵對埋地換熱器的技術難度比土壤源熱泵略低，所以水源熱泵成為北方中等發達城市供熱熱源的首選。但由于我國北方地表水資源缺乏，地源熱泵選擇地下水源熱泵為主。這一技術的發展及應用同時也順應了我國目前“節能、新能源開發和再生能源利用三方并重”的能源政策，國家鼓勵地源熱泵、太陽能等綠色供暖技術，與之配套的技術開發也大規模地展開。重慶、青島、湖南、上海等地的大學紛紛建立了地源熱泵實驗室。本文就某住宅小區地下水源熱泵供暖系統機房方案設計進行探討。

1 工程概況

該住宅小區位于太原市南郊，遠離市區，集中供熱管網未覆蓋該地區。太原市能源政策規定嚴禁任何小區自建燃煤鍋爐房，燃氣鍋爐房近期內也限制使用（僅限于調峰采暖）。小區共6棟多層住宅樓，最高樓層6層，均設有地下室，圍護結構保溫性較好，采光充足，供暖總面積近5萬m2。小區南北總跨度258m，東西總跨度130m，供熱系統熱源位于小區西北角。該供暖系統共分兩個設計環節：熱源部分和末端（室內）部分，本文討論熱源部分。

2 主要設計條件

1）太原市冬季采暖室外計算溫度：-12℃；室外相對濕度：46%；主導風向：西北風，風速2.7m/s。

2）建筑所在地土壤呈弱堿性，取水深度地質結構主要為中粗砂和礫石，出水含沙量較大，本項目采用豎埋管地下水源熱泵形式。

3 設計思路

由于受小區地域及太原市地下水資源條件的限制，近年來太原市多家地源熱泵系統均采用淺層井熱源，井深一般為300～500m，初投資和工程難度均較低。根據本小區附近一個使用3年的淺層井水源熱泵系統項目數據顯示，冬季出水溫度僅為14℃左右，出水量少且不穩定，水質堿性強，硬度大，泥沙多。考慮到本設計小區用戶的使用特征及需求（僅在冬季開啟系統），綜合考察了我國深井挖掘技術項目的發展現狀，本設計采用了深層取水及階梯大溫差的供水方案，目的在于得到溫度較高的地下水以減少系統水流量，同時也最大可能地避免回灌條件發生改變時增加回灌難度。這種采用階梯式大溫差的設計方案，可對開采的地下水重復利用，提高熱能利用率，使得熱水降低到較低的溫度后才釋放到回灌井中。該方案的工作原理是，溫度較高的深井恒溫水經過過濾、軟化后，首先進入一級換熱循環系統參與換熱，出水溫度下降約30～40℃，之后串聯進入二級換熱系統，水溫進一步降低，熱能利用達最大化，最后加壓送入灌水井中。二級換熱系統的目的是能量提升，核心技術為熱泵機組，制冷劑為R22，蒸發器取自一級換熱器熱源回水的熱能，經壓縮機壓縮升溫后，進入冷凝器放熱，用于加熱用戶回水，這樣可以提高地下水低位熱能的利用率，降低循環水量，減少地下水開采量。余熱作為二級熱水機組的冷凍水，進一步降溫后（20℃左右）返回回灌井。其設計方案示意見圖1。

4 系統設計

1）地下水井。抽水井口距小區熱力站約50m[2]，垂直深度達2000m，灌水井深2200m，兩者地面井口水平相距約10m。為避免回灌水溫對取水點水溫的影響，回灌井在到達一定深度后改變走向，使之遠離取水點。

2）水溫。該地區該深度地下水溫相對比較穩定，冬季取水溫度可達70℃，恒定的水溫有利于系統流量恒定，水力工況穩定，同時，較高的水溫還可以減少流量。而二次網系統用戶室內采用低溫地板輻射供暖系統，供水溫度不超過50℃[3]，因此，取水溫度滿足作為室內供暖系統的溫度條件。

3）水量。考慮到系統運行的穩定性要求，滿負荷運行工況下，應能滿足用水量的要求。本方案取水量能保證高峰期60t/h。

4）水質。地下水中含有大量的泥沙等固體雜質，水質有結垢離子，考慮到運行過程中多次用到，多次經過換熱器，設計時采用額定流量150t/h耐溫80℃的旋流除沙器進行過濾。

5）運行參數。t取水=70℃，t一次回水=45℃，t回灌= 19.9℃，t用戶供水=45℃，t用戶回水=35℃，G一次水流量=60t/h，忽略管道散熱，則熱源一級系統散熱量Q一次=C×G一次水流量×Δt=4.18×60000×103×(70-45)=6.27GJ/h。

6）設備參數。一級泵選用額定流量320t/h，揚程29.5m，壓力1.6MPa。二級泵選用額定流量300t/h，揚程18m，壓力1.6MPa。換熱器選用標準板式換熱器，一級換熱器面積200m2，二級換熱器面積110m2。旋流除沙器額定流量150t/h，壓力1.6MPa，額定工作溫度80℃。

圖1 地下水源熱泵機組工作過程示意圖

5 運行調控

為實現熱能的梯級利用，冬季系統運行時根據室外氣象狀況，分階段量調節，供暖初期及末期室外溫度較高，選擇小流量運行，熱泵系統不工作，可取設計流量的60%，減少抽、灌水量。供暖中期，按照滿負荷運行。熱泵啟動，提升二級換熱器的水溫后，與來自一級換熱器的二次網供水并聯送至用戶系統（圖2）。若遇百年不遇的極寒氣象條件，則開啟天然氣鍋爐作為備用熱源。

圖2 滿負荷運行期熱泵系統工作循環過程

6 結論

本文對北方冬季集中供熱熱網維覆蓋地區的地下水源熱泵系統設計及運行方案進行了介紹。深層井運行費用低，工況穩定，調節性較好。對于熱源選擇受限的地區，是現階段的最佳之選。

[1] 國家建設部.地源熱泵系統工程技術規范(GB 50366-2005)[S].北京:中國建筑工業出版社,2005

[2] 國家建設部.供水管井技術規范(GB 50296-1999)[S].北京:中國計劃出版社,1999

[3] 國家建設部.地面輻射供暖技術規程(JGJ142-200)[S].北京:中國建筑工業出版社,2004

Design of Water Source Heat Pump System for Suburb Residential District in Taiyuan

ZHANG Hong-mei1,LIU Peng2

1 Department of Environmental Engineering,Taiyuan College
2 Shanxi Shuangliang Renewable Energy Industry Group Limited Company

The city central heating pipe network is not covered by the suburb residential area,and the winter heating by heat or water source heat pump system is the best choice at this stage.The design process of Taiyuan city suburban living area of water source heat pump system was introduced,focusing on a detailed description of the heat source parameters calculation.Combined with the engineering characteristics,some suggestions on energy saving operation were put forward.

water source heat pump,underground water wells,heat pump units

1003-0344（2015）04-096-3

2014-5-22

張紅梅（1971～），女，本科，講師；太原市小店區長治路199號文華苑C區（030006）；E-mail:zhmyy200@sina.com