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武汉市建筑设计院 陈焰华
摘 要： 本文深入阐述了地下水地源热泵空调系统的技术特性，指出了系统运行效率提高和减少一次能源使用量的差别，并结合工程设计经验和实际运行工况分析，对影响地下水地源热泵空调系统设计和运行效果的热源井设计、空调系统设计及地源热泵机组的选型和配置等问题进行了深入探讨，提出了地下水地源热泵系统设计中应注意的问题。
关键词： 地下水地源热泵 热源井 系统设计 机组选型
0 概述
众所周知，地下水地源热泵系统因其换热效率高，设计施工相对简单、快捷，初投资较低，在实际工程中得到了大量应用，对地源热泵技术的推广应用起到了较好的带头和示范作用。但勿庸讳言，在不少的地下水地源热泵工程应用实例中也暴露和发现了很多的问题，如抽水井、回灌井的堵塞、取水量满足不了设计要求，不能做到百分之百回灌或回灌到同一含水层，热泵机组因堵塞而报废或烧机。这些问题的存在和出现，需要我们进行认真地分析和研究，并提出切实可行的解决办法，以维护和保持地下水地源热泵这项节能环保、可再生能源利用技术的声誉，并使地下水地源热泵技术在实际运行经验和可靠设计手段的支撑下健康、稳定发展，发挥出其不可替代的独特效益。
1 地源热泵的技术特性
地源热泵是一项新兴的节能环保、可再生能源利用技术，利用浅层地表作为热源和热汇，实现能源的可再生利用，符合我国的能源利用政策和可持续发展战略。
地源热泵空调系统的最大意义在于利用浅层地能，减少了建筑物制冷、采暖所消耗的一次能源（即化石能源）。
夏季制冷时，地源热泵空调系统把建筑物的余热转移至地下，夏储冬用，而不是通过冷却塔排至大气，减少了冷却塔的漂水损失，减缓了城市的热岛效应，其夏季制冷时系统的效率根据不同的地源热泵空调系统大致可较常规冷却塔散热的电制冷空调系统提高5～10％。
冬季制热时，地源热泵空调系统充分利用了浅层地表储藏的低温热源，对终端用户来说，除使用部分电能，无其他一次能源的消耗，无污染物的排放。其冬季供暖时系统的效率根据不同的地源热泵空调系统大致可较常规锅炉供热系统提高10～15％。
在夏热冬冷地区，地源热泵空调系统一年的制冷、供暖期较空气源热泵空调系统效率提高约30～40％，较常规冷却塔散热的电制冷空调系统加锅炉供热系统，效率提高约15～25％。对 节能50％的住宅建筑来说，地下水地源热泵空调系统初投资大致与电制冷加锅炉系统持平，单位建筑面积工程造价为200～230元/米2。地埋管地源热泵空调系统初投资较电制冷加锅炉系统约高30～40％，单位建筑面积工程造价为280～300元/米2。
对居住建筑和公共建筑来说，采用地源热泵空调系统，能够减少一次能源（化石能源）的使用量50～60％左右，业主和开发商在建筑物空调上采用地源热泵空调系统，其靠提高系统运行效率，节省的运行费用是有限的，投资回收期一般在7～8年以上，而对国家来说，减少了一次能源（化石能源）的消耗50～60％，则意义重大。
2 热源井设计
成井工艺是否到位、热源井设计是否合理，决定了抽水、回灌井施工的成效和是否能达到全部回灌到同一含水层。实际工程经验表明，有很多热源井未能严格按照《供水水文地质勘察规范》（GB50027-2001）和《供水管井技术规范》（GB50296-99）施工到位或缺乏热源井施工的实际经验，这都会导致热源井施工的失效。如有的成井未能做好护壁和洗井、井底管孔未能密封或沉淀管设置深度不够，这些都会影响取水、回灌量和热源井的使用寿命；有的成井对场地水文地质条件研究不够，热源井未能针对该场地的水文地质条件进行合理设计；有的成井在井管下置时，施工经验不足或未严格按照规范要求回填，导致含砂量超标或加重热源井的淤塞。
从理论上来说，抽水后地下水经过地源热泵机组的能量交换能够全部回灌到同一含水层，很多成功的工程经验也印证了这一点，但实际工程中未能达到全部回灌要求或根本未进行回灌的工程也不在少数。要达到以上要求，除了上述成井工艺要到位外，热源井井群的设计也相当重要。在水文地质勘察的基础上，试验井的开凿和抽水、回灌试验尤为重要，这些基础性技术数据是决定热源井井群设计的关键，如单井取水量、回灌量、地下水径流方向、速度、渗透系数、影响半径等，很多工程因经验不足或受场地限制，抽水井间距、抽水、回灌井间距都未能达到设计要求，井群的抽水、回灌干扰和热干扰都很为严重，既影响全部回灌又影响地下水的出水温度。井群设计时，抽水、回灌井各井之间的水力平衡也往往遭到忽视，这同样会影响到总出水量和总回灌率。
热源井设计和施工时，应同时留出观测井或观测孔，抽水、回灌井计量仪表，有些城市为加强对地下水的保护，可在达到上述监测手段的基础上，对抽水、回灌量及水质进行在线监测，有利于地下水地源热泵系统合理取水并避免对地下水的破坏和污染。
3系统设计
地下水地源热泵系统设计首要的问题是确定合适的水源热泵机组运行温差和地下水循环水量。地下水在夏季和冬季的实际需要量，与空调系统选择的水源热泵机组性能、地下水温度、建筑物室内设计参数和冷热负荷以及换热器的型式、水泵能耗等都有密切关系。最佳的地下水温差和地下水量的确定，应使地下水源热泵系统的能效比（EER）和性能系数（COP）达到最高。制冷工况时，地下水源热泵系统能效比（EER）＝冷负荷（w）/井泵功率（w）＋环路功率（w）+水源热泵机组功率（w）；供热工况时，地下水源热泵系统性能系数（COP）＝热负荷（w）/井泵功率（w）＋环路功率（w）+水源热泵机组功率（w）。加大地下水使用温差，可以减少地下水使用量，减少井泵功率和环路功率，但在一定条件下会增大水源热泵机组的使用功率，反之则相反。因此，一定要根据实际工程的使用情况，在两者之间进行分析和比较，得出最优结合点。一般来说，在地下水温度较低、单井出水量较小的情况下，可选择较大的地下水利用温差；在地下水温度较高、单井出水量较大的情况下，可选择较小的地下水利用温差。如此因地制宜、合理搭配，才可能既提高地下水源热泵系统的能源利用效率，又尽可能减少地下水的开采量，保护珍贵的水资源。
为保护地下水地源热泵机组的长期稳定运行，原则上应采用间接式系统，既地下水通过板式换热器与热泵机组间接换热。虽然成井要求含砂量小于二十万分之一，且一般取水管上都设有旋流除砂器，但实际工程运行中，因成井工艺不到位（特别是含有淤泥或粉细砂的地质构造层），而使蒸发器、冷凝器阻塞的不在少数，轻则影响制冷、供热能力，重则造成压缩机的烧毁。地下水水质也是影响水源热泵机组长期稳定运行的重要因素，重碳酸钙型地下水，Cl-离子、Fe2-离子含量高的地下水，都会对水源热泵机组造成一定的腐蚀和影响，为保护水源热泵机组的正常运行，采用便于清洗、更换的板式换热器确实是十分必要的。
地下水源热泵空调系统水环路的设计与常规冷水机组水系统的设计略有差异，必须根据各生产厂家机组的技术要求考虑。用户侧及地下水侧空调循环水泵与水源冷热水机组均采用先并后串的方式，循环水泵既可与冷热水机组实现一对一供水，又可互相调节、互为备用。对于水源热泵机组来说，其实现夏冬季节制冷、供暖的转换，是通过水路系统阀门的转换进行的，夏季用户侧通过蒸发器回路供应空调冷水，冬季用户侧则通过冷凝器回路供应供暖热水。因此夏冬季节水环路转换阀最好采用调节灵活、性能可靠的电动阀，采用普通蝶阀时也一定要采用关断灵活、密闭性好的阀门，水源热泵机组接管原理图见图1。地下水井抽水泵可采用深井潜水泵，潜水泵下放深度应在动水位之下5m处，安装要平稳，泵体要居中。一般依据井管内径、流量和扬程要求，根据生产厂家提供的样本选配合适的水泵，再根据所需电功率选择电动机及配套电缆。潜水泵的扬程应能克服井内动水位至机房地面高度、管道及板式换热器阻力、水泵阻力及回灌余压。地下水回灌管道设计应根据各回灌井的距离进行阻力平衡计算，以保证各回灌井流量的均衡。
图1 水源热泵机组接管原理图
空调室外水环路和室内系统的设计同常规空调水系统没有区别，但应该注意空调冷热负荷的动态调节及系统的水力平衡，以使整个地下水源热泵系统既达到舒适的空调效果，又充分提高系统的运行效率。地下水地源热泵系统负荷侧有条件设计为一次泵变流量系统，通过水泵的变频调节和运行来适应空调末端负荷的动态变化，充分降低水输送系统的能源消耗。
4 地源热泵机组技术特点
目前的地源热泵机组均按水路系统转换进行设计，而全国地域跨度大、气候条件相差甚异，地源热泵机组的运行工况因之也相差甚大，因此地源热泵机组蒸发器和冷凝器的设计应有更大的工况变化范围。为适应某些工程地下水大温差的使用要求，蒸发器和冷凝器换热回路也相应能有所适应和调整。一般来说，开机后半小时，因室内温度较高，冷凝温度会相应较高，此时冷凝压力应有较宽泛的设计范围，否则会引起机组的保护停机。
地源热泵机组运行工况的差异，既会影响到机组的制冷、供热量，又会影响到机组的实际功耗，机组设计时对这些运行工况的差异考虑不充分，轻则会导致机组在各种工况变动下能效比的下降，严重的可能会经常导致机组的故障停机甚至烧毁压缩机。鉴于地源热泵机组在实际运行时工况变化幅度较大，建议各生产厂家在机组出厂时应进行全性能、全工况测试，最好提供各工况下机组性能参数选择软件，设计人员在设计时可有针对性地复核各种运行工况参数并确保机组电力配线和安全保护的可靠性。
使用R22工质的地源热泵机组，其冬季供热时出水温度一般能达到接近50℃，这在通常空间高度不大的办公、住宅等建筑中使用是能够满足室内供热温度要求的，但在高大空间的会议、展厅、体育、车站、机场建筑中使用，就很难达到供热舒适性要求。这时，就应该选择R134a或R407C工质的中高温型地源热泵机组，机组供热时的出水温度可达到60℃或更高。但随着机组出水温度的升高，机组的冷凝压力会相应升高，机组的能效比会大幅下降，因此应因工程而异，选择合适的机组出水温度，不应盲目的将机组出水温度提得太高。
模块式地源热泵机组因其使用方便、安装灵活得到了一定程度的应用，但各地地下水水质的差异会对其板式换热器造成程度不同的腐蚀和损害，因此，建议实际工程中尽量慎重采用，或对地下水进行有效处理，原则上大容量的机组最好还是选择螺杆式地源热泵机组。
地源热泵机组应有性能优异、动作可靠的自动控制和能量调节系统，既提高系统运行的自动化水平，又能进行较好的负荷跟踪和能量调节。另外，机组的减振设计和防腐设计也不可忽略，否则运行性能和感观形象会大打折扣。
5总结
地下水地源热泵系统充分利用地下水储热量大、热交换效果好的特点，在对特定工程地下水水文地质资料进行详细勘察和水文试验的前提下，做好热源井群及地下水源热泵空调系统的设计，是能够既满足建筑物空调舒适性要求，又充分提高地下水地源热泵系统运行的经济性和可靠性，带来极大的社会效益和经济效益。在对地下水地源热泵工程实际运行经验总结的基础上，条件许可时应大力推广其实际应用，为我国可再生能源利用和节能减排事业作出其独特的积极贡献。 
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