水地源热泵系统在邯郸火车站的应用

一、引言

我国铁路是能源消耗“大户”,至今仍基本沿用传统的供热、制冷方式。据铁道部门铁路枢纽线路营运的统计数据显示,空调系统的能耗约占铁路系统总能耗的50%左右。一方面传统锅炉采暖耗煤量大、供热效率低、环境污染严重；另一方面空调能耗高，造成供电消耗严重。当前,铁路建设方兴未艾,每年的投资巨大,在全社会倡导“节能降耗,共建和谐社会”的大环境下,对于如何降低铁路运营能耗的问题一直是人们关注的焦点。因此亟需寻找一种空调节能技术应用于铁路系统，以期达到经济、环保的要求。随着“节能和新能源关键技术”的出台，《中华人民共和国可再生能源法》的颁布，国家发改委把使用地热技术和热泵技术列为重点开发的低能耗建筑节能技术。日益增长的市场需求和鼓励性政策法规的推动，势必使得我国的水/地源热泵系统在暖通空调领域的应用越来越广泛，份量也越来越重。

二、项目概述

本项目为邯郸火车站改造及新增水源热泵中央空调工程。根据铁路局计划要求，本次改造新增的中央空调系统主要涉及候车室和售票大厅区域。 邯郸站建筑空调需求基本情况

序号 建筑名称 建筑面积（㎡） 装饰情况 备注及说明

1 候车室 2,576 第一、二候车室石膏板平吊顶，第三候车室造型吊顶，其它部位简单石膏板吊顶，墙面无装饰。所有供热设施明装。 包括第一、二、三候车室

2 售票厅及辅助办公用房 536 -- --

3 行包房 192 -- --

从建筑基本情况可以看出，建筑存在部分室内装饰，且使用时间较长，空调工程安装过程中，会对其局部破坏，安装完毕后，对破坏部分尽量按原样恢复，替代材料与原装饰部分的差别应尽可能减校特殊部位，采用非常规安装措施处理。

本文将从冷、热源选用的角度出发，对地下井水地源热泵应用于铁路站房建筑中央空调系统的方案作设计说明。在能源优化配置的前提下，以地下井水地源热泵来服务于一个可持续发展的世界，为火车站旅客营造冬暖夏凉、舒适温馨的购票、候车环境。

三、本项目地下井水源方案论证

1、室外环境

地下井水地源热泵系统，也就是通常所说的井水抽—回灌式水源热泵系统。通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。

本项目车站内站台沿线路南北长向布置，其中一站台按铁道部提速要求，已经加高完成，加高部分从站房至货运运转综合楼附近结束，由于地下通道的影响，本次改造室外水源井拟设置在上述站房至货运运转综合楼之间的区域内，区域长度约200米，可利用部分为站台雨蓬以外的通道，通道区域内包括绿化花坛、道路等设施，其中花坛部分无大型植物，道路基本为硬化路面，地下构筑物包含部分直埋电缆、上水、下水、雨水、热力管道及检查井等。地下构筑物平面布置比较分散，对于打井相对有利，但对于地下管道敷设有一定影响。通道区域内地面标高基本一致，局部存在高差，最大相对高差1.0米。

通过以上分析，可以看出，室外打井位置基本满足井位分布要求，输水管线为有压管道，可以通过局部调整平面走向、高程的方式，满足管线保护间距要求。

2、邯郸车站水源热泵系统利用的具体特点

实际现场勘测资料表明，邯郸车站可利用土地资源以车站内站台部分为主，地下土壤以卵石结构为主，地下水水位较高，水资源丰富，若采用地源热泵系统，钻孔难度很大，系统钻孔占用站内面积较大，施工对铁路正常生产影响也较大，并且对车站近期发展改造无法预测。综合以上分析，采用水源热泵系统是最佳选择。邯郸车站采用水源热泵系统，地下水资源丰富，打井占地面积少，室外工程相对集中，对车站正常生产及将来的发展影响很校采用水源热泵系统，不会象地源热泵系统施工现场需要有大面积的施工排场，所以对车站的人流、物流干扰很小，便于工程的施工及进度控制，同时也利于业主管理。

综合以上因素及本工程的具体情况，我们认为采用水源热泵空调系统是本次改造最经济、最合理的系统方式。

四、地下井水热泵系统技术特点

地下井水地源热泵中央空调系统是一种既可供热又可供冷的高效节能型系统。它是由用户系统、热泵主机系统、水源系统三部分组成。源水侧系统由水源取水装置，取水泵，水处理设备，输水管网和阀门配件等组成。

地下井水地源热泵中央空调系统可以实现冬季供热、夏季供冷多功能工况。（1）冬季,为用户供热时，地下井水地源热泵中央空调系统从水源中提取低品位热能，通过电能驱动的水源中央空调主机“泵”送到高温热源，制取45/40℃的热水，以满足用户供热需求。（2）夏季，地下井水地源热泵中央空调将用户室内的余热，通过水源中央空调主机转移到水源中，机组制取12/7℃的冷冻水，以满足用户制冷需求。

典型的地下井水地源热泵中央空调系统组成示意 图下：

地下井水地源热泵中央空调系统组成示意图

地下井水地源热泵系统是一个复杂且多环节的系统，涉及地质勘察、水文地质条件、热源井的成井工艺及其施工技术等方面，这些方面如不解决好，将会导致空调系统运行失败。一般来讲，设计前期所需要做如下准备工作：

1)根据相关部门的有关规定，需要确定该地区是不是允许打井；

2)在满足条件的前提下，需要打一个试验井，进行数据分析（包括出水量、水温、水质等参数）；

3)根据当地地质状况，确定系统需要井的数量，包括取水井、回灌井的数量。

五、冷热源侧设计

1、水文地质条件

工程场区的水文地质条件是决定能否采用地下井水地源热泵系统的关键所在，它直接关系到地下水的抽/回灌能力、地下水的处理方案、热源井的成井工艺以及系统设计方案的确定。

本项工程的室外水源井部分经当地水资源调研，地下水资源比较丰富，地下静水位在-20米左右，单井平均出水量约为60立方米/时，对应地下动水位约为-25米左右。常年的地下水温为14~16℃，水质较好,满足规范要求的水质条件。

2、井的设计

按系统负荷需求，根据《采暖通风与空调调节设计规范》（GB5009-2003）第7.3.4条和《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）第5.3.6条,布置抽水井2口，回灌井3口，共5口井。考虑备用及维护要求，3口井内设潜水泵，其余2口作为单纯回灌井，抽水及回灌管线沿站台通道暗敷并接至机房送主机，水源井控制设备设于水源井口井室内。潜水泵控制及动力配电柜、水处理设备、管路补水定压、系统辅机设备动力、控制配电盘箱均设于系统机房内，就地控制。

系统示意图如下：

井的设计

地下水地源热泵系统的使用需要保证利用地下水后将其100%回灌到抽水层，空调系统仅仅利用地下水的热能。抽水井与回灌井的相互转换有利于开采、洗井、岩土体和含水层的热平衡，为保护水资源不被浪费，抽水回灌过程必须采取密闭措施，不对地下水造成污染，并保障回灌效果。

室外管道系统图

3、除砂问题

由于地下水地源热泵系统，一般采用直接取水的方式，直接取水方式的利用对象必须是水质较好的水体。在地下水地源热泵系统的设计中，首先要对水质进行分析检验，看能否满足《采暖通风与空调调节设计规范》（GB5009-2003）第7.3.3条和《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）第5.2.8条对采用地下水的水源热泵机组推荐的水质要求。

在井水供水管中安装的旋流除砂器是地下水地源热泵系统中不可缺少的辅助设备。由于地下水被大量抽取的时候常会带有大量泥沙，这不仅会造成地下水回灌时含水层阻塞，影响地下水回灌，还会磨损机组、管道和阀门等设备部件，加速其腐蚀速度。所以，通常都有要求对地下水进行除砂处理。本项目也不例外。

相关规范对水质的要求值：

PH值 CaO含量 矿化度 Cl-含量 SO42-含量 Fe2+含量 H2S含量 含砂量

允许值 6.5~8.5 <200mg/L <3g/L <100mg/L <200mg/L <1mg/L <0.5mg/L 10mg/L

六、负荷侧设计

1、室内外设计参数

室外计算参数：

空调室外计算干球温度 空调室外计算湿球温度 空调室外计算相对湿度

夏季 35℃ 27.3℃ 77%

冬季 -11℃ / 59%

室内设计参数：

房间使用功能 夏季 冬季

温度℃ 相对湿度% 温度℃ 相对湿度%

候车室 25-28 / 18-20 /

售票厅 25-28 / 18-20 /

2、负荷情况

由于该工程空调区域相对集中，故三幢建筑物空调合并为一个系统，这样能有效降低空调系统初投资，而且运行费用较低，控制方便性，安全性、可靠性都大大提高。根据建筑的实际情况及使用功能，经计算建筑负荷如下表: 序号 功能区域 空调面积（m2） 夏季冷（kW） 冬季热负（kW）

1 候车室 2576 615.2 300

2 售票厅及辅助用房 536 120 75

3 行包房办公用房 192 27 17

合计 3304 762.2 392

3、空调系统方案简介

邯郸车站改造增加的空调系统为一、二、三候车室及售票厅，宜设置为一个集中系统。系统采用水源热泵螺杆机组作为主机，通过转换阀组转换，冬季制热、夏季制冷运行。建筑物内部空调区域采用风机盘管、吊顶空气处理机组处理室内空调负荷。系统新风采用分系统独立处理或自然补给的供给方式。空调系统风、水管道系统尽可能采用暗装方式，以配合建筑装饰。

4、空调系统风、水管线系统

室内空调系统中吊顶机组部分水、风管路，吊顶内 暗装，风盘管路系统采用明装或其它方式处理。系统所有明装风管采用双面压花复合保温风管，无法兰连接。明装水管路系统采用橡塑保温套管及保温板满胶粘接保温，外缠两遍塑料保护膜，所有管路局部变径及管件部分不得采用连续保温，应采用变径填充保温方式处理。

二层平面布置图

5、动力配电及自动控制

空调系统动力配电独立设置，动力与控制设备分箱设置。所有风盘供电电源220V单相，按房间功能及平面位置，集中设置动力配电箱，装饰内部暗管或塑料明槽敷设，控制采用风盘电子温控器就地控制。吊顶空气处理机组采用三相380V供电，装饰内部暗管或塑料明槽敷设，吊顶空气处理机组采用独立控制系统，控制柜就近设置。

6、安防及控制

邯郸车站为旧有建筑设施，原系统无空调及防排烟系统，消防控制系统也没有这类系统的报警、控制系统，本次改造为保证消防安全，选用小型风盘及吊顶空气处理机组，机组本身只有小功率风机一种动力设备，所以本次改造只有小型吊顶空气处理机组存在防火要求。由于消防控制中心没有预留新增空调系统的报警控制设施，故本次改造吊顶空气处理机组采用防火阀就地控制（自动），报警由原消防控制系统烟感及喷淋系统覆盖。

七、项目意义

1、社会效益

地下井水地源热泵是一种新型清洁热源利用方式，借助井水，提取其中有效能量作为建筑能源，可减少燃煤、燃油、燃气对大气环境的污染，提高环境质量；因此，其社会效益、环境效益明显。系统的使用绿色环保，促进节能新能源开发技术的发展，安全可靠，避免地质灾害，亦不存在爆炸、燃烧等隐患。

2、环境影响

节能和制冷剂的减排以及对城市热岛效应的缓解都会带来可观的环境效应。根据河北地区地理位置，井水作为集中供冷供热系统的冷却水，不仅可以提高空调系统的效率，而且由于水的热容量(4.187kJ/(m3.℃))比空气(1.28kJ/(m3•℃))大得多，从而水温的变化较室外气温的变化缓和得多，另外，水温的下降或升高较气温的下降或升高有一个延迟期，从而水体对温度有很大的调节功能。与传统空调系统相比，将相同的热量排放到水中与空气中，室外温升的差异很大，因此利用地下水地源热泵系统必然会缓解和衰减城市热岛效应。

八、结论

根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年我国将把可再生能源占一次能源供应的百分比从目前的7％提高到15％左右，根据当地地质条件，在当地政策允许的条件下，地下井水地源热泵技术是可再生能源梯级利用的有效途径之一，也是建筑节能、打造绿色建筑和抑制城市热岛效应不可缺少的组成部分。随着我国城市水资源利用政策和法规的不断完善，水资源优化配置、合理开发、高效利用、有效保护、科学管理和水源热泵技术的提高，井水源热泵技术的应用将被越来多的人所认识和赞同。本项目的成功实施，为水源热泵系统大规模应用于火车站等大空间建筑场所奠定了基矗

参考文献：

1、张群力王晋.地源和地下水源热泵的研究现状及应用过工程中的问题分析[J]。流体机械，2003，31（5）：50-54

2、王兴.地下热水生产井与回灌井间距及其影响因素[J].地下水，2005，27（2）：116-117，12