利用深井地?zé)崴鳛檩o助熱源的水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能分析

1、利用深井地?zé)崴鳛檩o助熱源的水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能分析一、概述深井地?zé)崴谑澜缟系膹V泛應(yīng)用有很長(zhǎng)的歷史。美國(guó)西部的深井地?zé)釁^(qū)，井深300-400米左右，即可開(kāi)鑿出80-90的地?zé)崴瑥牡叵颅h(huán)境保護(hù)的角度來(lái)考慮，美國(guó)各州有不同的政策，但總的不主張使用開(kāi)式系統(tǒng)，如果使用，嚴(yán)格要求同層回灌。法國(guó)的低焓能含水層熱水熱不溫在50以上，井深由幾百米至1000-2000米不等，其應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了梯級(jí)利用，并且嚴(yán)格實(shí)行"對(duì)井"制，即一個(gè)生產(chǎn)井，一個(gè)回灌井。巴黎盆地的地下水位，20年來(lái)，基本上維持水位不降，是很了不起的成就。波蘭持下含水層熱儲(chǔ)的水溫為30-130之間，并采用了多種利用技術(shù)。我國(guó)地?zé)崴┡?/p>

2、有較長(zhǎng)歷史的應(yīng)必天津和塘沽地區(qū)，但其尾水溫度較高，近幾年來(lái)，天津采用先進(jìn)技術(shù)，嚴(yán)格實(shí)行"對(duì)井"制，使地下水位逐漸回升。北京是世界上為數(shù)不多的，有深井地?zé)崴Y源的首都之一。過(guò)去30年來(lái)，共開(kāi)鑿了深井地?zé)崴?00口左右，130多口井在正常使用。由于多數(shù)地?zé)峋疁卦?0-60之間，限于合理利用的溫泉?jiǎng)e墅。很少的幾例用于地?zé)嶂苯庸┡?999年，在北京城南發(fā)現(xiàn)深度3800米處的88的地?zé)崴?。申辦2008年奧運(yùn)會(huì)以來(lái)，北京有關(guān)部門進(jìn)行了全面的物探，發(fā)現(xiàn)了三大塊地?zé)崽铮疁剡_(dá)70-80，井深達(dá)3500米左右。北京的深井地?zé)崴幻磕晗陆?米，從可持續(xù)發(fā)展的角度，考慮深井地?zé)崴睦眉夹g(shù)

3、和回灌技術(shù)至關(guān)重要。二、中試工程的建筑物及負(fù)荷特點(diǎn)1建筑特點(diǎn)：該樓為原有建筑物。辦公和實(shí)驗(yàn)室部分為2000平方米的五層建筑，周圍有與之相連的兩層教室共10000平米。中間有20米高的玻璃拱頂中廳，周圍八個(gè)外門，供疏散用。由于"煙窗效應(yīng)"，冬季室外的冷風(fēng)通過(guò)常開(kāi)的東大門大量灌入室內(nèi)，致使大廳溫度6左右，周圍五層房間的內(nèi)墻變成了散熱的外墻。加上各辦公室單層的大玻璃窗有冷風(fēng)滲透，還限于施工時(shí)的經(jīng)濟(jì)狀況，外墻保溫作了簡(jiǎn)化處理，致使冬季室溫在13左右。2負(fù)荷特點(diǎn)：經(jīng)計(jì)算冬季采暖設(shè)計(jì)負(fù)荷約為120W/m2。由于是辦公樓，每日工作時(shí)間為8：00-20：00。夜間及周末或節(jié)假日，室溫只需維

4、持10。熱負(fù)荷比冷熱負(fù)荷小。三、中試工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案考慮1回灌水溫度和回灌水量的考慮：本校地?zé)峄毓嗑?000米，比生產(chǎn)井深400米。對(duì)于允許的回灌量，回灌溫度，對(duì)熱儲(chǔ)的影響，需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間實(shí)驗(yàn)認(rèn)定。因此，一方面要盡量使用地?zé)崴臒崮埽S持到一定的尾水溫度比如20以下峰值負(fù)荷時(shí)，可以嘗試短時(shí)間到10左右，觀察其長(zhǎng)期影響。另一方面，在非峰值負(fù)荷時(shí)，也要減少抽取地下的熱水量，不使大量熱水在較高溫度下回灌，比如：盡量避免25以上的水溫回灌。2對(duì)地?zé)崴寐实目紤]：回灌溫度直接影響到地?zé)崮艿睦寐?。因?yàn)榈責(zé)崮艿哪芰浚壳笆且赖責(zé)崴疁囟冉抵廉?dāng)?shù)厝晔彝馄骄鶞囟茸鳛榛鶞?zhǔn)計(jì)算的。深層地?zé)崴某槌霾粌H消耗

5、潛水泵的能量，蘊(yùn)藏著被污染的可能，還涉及未知的回灌井的工作狀況。3對(duì)地?zé)崴苯永眉?jí)的考慮：本校共有地?zé)嵘a(chǎn)井兩口，生產(chǎn)井的水溫均在52左右，兩口井的出水量均大于或等于70m3/hr。52左右的地?zé)崴?，?jīng)過(guò)板式換熱器后，循環(huán)水可達(dá)50左右，直接利用級(jí)采用的是風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組，其消耗的功率，僅為循環(huán)水泵的功率。4對(duì)峰值負(fù)荷的考慮：由于北京的多數(shù)建筑，制冷負(fù)荷大于采暖負(fù)荷，可以以部分熱泵兼作為峰值熱負(fù)荷。區(qū)域鍋爐房提供的熱源，也可以做峰值熱源用。5對(duì)使用熱泵的考慮：選擇水源側(cè)能耐受進(jìn)口水溫（ESWT）為30-35地?zé)崴臒岜茫怪哂休^高的熱力循環(huán)COP值。按照ARI-320標(biāo)準(zhǔn)，水源熱泵供熱工況下，

6、水源側(cè)進(jìn)口水溫控為21，按照ARI-325標(biāo)準(zhǔn)為10及21。因此，一般廠家不提供能耐受ESWT為30-35的熱泵。選擇了美國(guó)ClimateMaster Inc的GSW-120型水-水熱泵。廠家建議使用中ESWT不超過(guò)35。后來(lái)運(yùn)行證明性能良好，特性曲線由研究提供見(jiàn)圖1，2，3，4。 圖1熱泵COP與水源側(cè)出水溫LSWT（ ） 圖2熱泵COP與負(fù)荷側(cè)出水溫LSWT（ ）圖3 深井地?zé)崴磦?cè)進(jìn)水溫與制熱量關(guān)系（水源側(cè)進(jìn)水溫=32.2，負(fù)荷側(cè)流率1.69L/S）圖4熱泵不源側(cè)水量與水溫降關(guān)系四、中試工程使用的系統(tǒng)及儀表綜合以上考慮，本中試系統(tǒng)如圖5所示。測(cè)試使用的儀器的不確定度：見(jiàn)表一1-生產(chǎn)井2

7、-回灌井3-水處理設(shè)備4-板式換熱器5，6-地?zé)嶂苯永脴O7-地?zé)嶙鳛檩o助熱源的間接利用級(jí)8-終端采暖和制冷設(shè)備T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7，T8，T9，T1，T11，T12，T13，T32，T39-溫度傳感器圖5 中試工程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及儀器直接測(cè)試參數(shù)和計(jì)算參數(shù)的不確定度表一 基本參數(shù)計(jì)算參數(shù)水溫水溫差空氣溫度水流量輸入電功率制熱量熱力循環(huán)特性系數(shù)總效率TTTWNQCOP（）（）（）（m3/hr）(KW)(KW)11±1%±2%±2%±2%±2%±3.8%±3.8%±3.8%五、運(yùn)行效果及系統(tǒng)評(píng)價(jià)1運(yùn)行效

8、果：地?zé)崴?jīng)過(guò)板換熱后，直接供暖及熱泵間接供暖的建筑物，冬暖夏涼。大廳16左右，溫度梯度合理。室溫由用戶自行控制，部分由計(jì)算機(jī)網(wǎng)張控制，一般在22左右。凡是有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制的房間，室溫都比較合理，在夜間不供暖時(shí)室溫降至12-16左右。動(dòng)態(tài)測(cè)試一個(gè)半冬季，用戶滿意。2系統(tǒng)評(píng)價(jià)：主要計(jì)算公式：COP=Q1/N1 （1）=Q/N （2）=（T01-T02）/（T01-Tave）（3）式中：Q = Q1+ Q2 （4）Q1=W2（T4-T5） （5）Q2=W1（T1-T2） （6）N= N1+ N2+ N3+ N4+ N5>+ N6 （7）式中符號(hào)： COP-熱泵熱力循環(huán)特性系數(shù) T01-地?zé)崃?/p>

9、體供水溫度（ ）N1-熱泵輸入功率（KW）T02-地?zé)崃黧w回灌水溫度（ ）N2-潛水泵輸入功率（KW）T1-熱泵水源側(cè)進(jìn)水溫度（ ）N3-地?zé)崴艿辣幂斎牍β剩↘W）T2-熱泵水源側(cè)出水溫度（ ）N4-水源側(cè)循環(huán)水泵輸入功率（KW）T4-負(fù)荷側(cè)回水溫度（ ）N5-級(jí)負(fù)荷水泵輸入功率（KW）T5-負(fù)荷側(cè)出水溫度（ ）N6-級(jí)負(fù)荷水泵輸入功率（KW）Tave-年平均空氣干球溫度（ ）Q1-熱泵制熱量（KW）W0-地?zé)崃黧w的流量（Kg/S）Q2-直接利用級(jí)的散熱量（KW）W1-水源側(cè)水流量（Kg/S）Q-系統(tǒng)散熱量總和（KW）W2-負(fù)荷側(cè)水流量（Kg/S）N-系統(tǒng)輸入電功率的總和（KW）-地?zé)崃黧w熱能利用率-地?zé)峁┡到y(tǒng)的總效率3 系統(tǒng)總效率：實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示地?zé)崴菜疁囟萒02（ ）越低，系統(tǒng)總效率越低。熱泵的COP也越低。負(fù)荷側(cè)供水溫度越低，系統(tǒng)總效率及熱泵的熱力循環(huán)總效率COP也虎高4 地?zé)崴疅崮芾寐剩簩?shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。不采用過(guò)大的值，總效率會(huì)有所提高。圖6不同運(yùn)行條件下總效率與地?zé)崴毓鄿囟萒