水源热泵系统在北京的应用案例

一 水源热泵系统的应用顺应北京市能源发展战略

北京市所采用的水源热泵系统主要以浅层地下水作为水源，具体应用时应充分考虑北京市的水资源形势和水文地质条件，实现地下水资源和能源的可持续开发利用。为此，在没有弄清楚水源热泵空调系统的应用对地下水影响之前，应采取谨慎的审批措施，严格的限制，防止其过热、盲目和无序的发展。为了确保水源热泵空调系统能够在北京得到科学、合理、经济、有序地推广和应用，需要建设水源热泵空调系统示范工程，为政府部门推广应用水源热泵技术提供决策依据。目前，水资源和能源已成为制约北京市经济社会可持续发展的瓶颈。面对严峻的水资源和能源形势，北京市的水资源和能源利用效率仍然较低，北京市的经济增长和社会发展依然依赖于水资源和能源的大量消耗。资源浪费的状况并未从根本上得到改变。农业用水、生活用水效率很低，浪费严重，再生水回用率仅达到25%，能源利用率仅为36.5%。新能源和可再生能源的利用，是一个城市对绿色能源的重视程度和现代科学技术水平进步的重要体现。北京市的能源资源也极为有限，能源供应以外地调入为主。60%的电力供应从华北电网调入;天然气主要来自陕甘天然气田和华北油田;原油全部由外地调入;原煤主要从山西调入。因此，新能源和可再生能源发展的空间很大。水源热泵空调系统每消耗1 kW 的电能可获得4 kW的能量，高效节能。本项目的实施符合能源政策的导向，顺应北京市能源发展战略和地下水资源环境可持续开发利用的发展战略，为清洁能源的推广应用提供了新的领域，起到了示范作用。

二 工程项目方案

2.1 场地的选择

门头沟雨洪试验基地位于永定河附近，占地面积18200平米，建筑面积6000平米左右。其地点位于北京市永定河冲洪积扇地区，地下水水质较好。地层结构为粗砂砾石和卵砾石，第四系地层厚度为50m左右，含水层厚度约为25m，地下水水位埋深在20m左右。

2.2 空调系统

2.2.1 工程概况

门头沟雨洪试验基地位于门头沟双峪环岛附近，原有办公楼及试验大厅建筑面积约5 000 m ，主要包括宿舍、办公室、试验大厅等。冬季供热、夏季供冷均由水源热泵空调系统承担，见图1。

根据各建筑物的功能和使用要求，空调室内设计参数见表1。

2.2.2 水源热泵机组选型

水源热泵空调示范工程拟选用半封闭式单螺杆压缩机水源热泵机组2台。单机机组设计工况：制冷时冷冻水温度为7℃～12℃ ，供热时热水温度为45℃～50℃ ，井水温度为14～15℃ 。单机组制冷量可以满足办公楼的制冷需求。双机组制热量可以满足办公楼和试验厅的制热需求。2台机组在使用上可实现互换使用。

2.2.3 地下水源系统水量估算

原有办公楼及泵房夏季取冷负荷指标100 w/m2，冬季取热负荷指标80 w/m2，则冷负荷约为60kW，热负荷约为48 kW。新建建筑夏季取冷负荷指标为250 w/m2 ，冬季取热负荷指标100 w/m2 ，则冷负荷约为1 143 kW ，热负荷约为524 kW。则总冷负荷为1 203 kW，总热负荷为572 kw。估算得东水西调管理处需水量约为110 m3/h。根据该项目地质勘察报告的勘察结果确定该项目地下水系统抽灌井的数量及布设方案。

2.2.4 空调末端散热(冷)系统

对办公楼等夏季有制冷要求、冬季有供暖要求的功能房间，末端采用风机盘管系统形式;对于试验大厅工作间等仅冬季供暖而夏季无制冷要求的房间，末端采用散热器形式。风机盘管系统中，各房间调节灵活、独立，房间温度及开关可以单独设定。但风机盘管及送回风方式应与装修配合：若为局部吊顶可采取新风与风机盘管风口合并侧送侧回方式;若为全部吊顶，新风口可与风机盘管风口分离，采取下送下回方式。由于本工程部分建筑围护结构为彩钢卷纸复合板，故考虑采用落地式风机盘管。同时，为了满足经济、节能的要求，在房间不使用的时候，可以关闭相应房间的空调。对于夏季有制冷要求、冬季有供暖要求的高大检修车间，可考虑采用吊顶式空调机组结合旋流风口下送，以保证室内效果及送风均匀性。

2.2.5 空调水系统

本方案水系统采用两管制，尽可能采用同程式连接，局部管段为异程式连接。冷冻水和冷却水管路上应分别设置软化水装置和电子除垢仪，分别对水质进行处理。冷冻水系统采取自动定压罐的方式定压，定压点设于冷冻水泵入口。每个示范工程室内系统循环水泵采用低噪声屏蔽循环泵。机房内安置机组、抽水井泵和循环泵的配电、控制箱，为系统用电设备供电和实现自动控制。

2.3 抽水井、回灌井的布设原则和方案

水源热泵空调系统夏季制冷和冬季供暖运行时，必然会改变区域地下水流场。根据现有的水文地质勘察资料，东水西调管理处水源热泵空调系统运

行时地下水流场的变化，见图2和图3。从图中可以看出，地下水流场和等水位线发生了明显改变，地下水流场有如正负电极之间的电场，等水位线呈“锥”状和“漏斗”状。

地下水温度场会随着地下水流场的改变而改变。确切地说，随着回灌水在含水层中的缓慢流动，回灌水的温度会逐步与地下水常温趋一致，也就是回灌水在地下含水层中会有一个“温度影响半径”，其大小受到回灌量、回灌温度与地下常温的差值大小、含水层的渗透性和热传导率等因素控制。

如果抽、灌井之间的距离小于“温度影响半径”，将发生“热突破”现象，导致在夏季制冷期，抽水井处的温度将升高;而在冬季供暖期，抽水井处的地下水温度降低。最终会导致水源热泵空调系统的运行效率降低。因此，合理的抽、灌井间距是水源热泵空调系统高效运行的重要因素，见图4。

抽水井、回灌井的布设原则是在充分了解当地水文地质条件的基础上，结合以下因素共同确定：① 工程的开采(回灌)水量;②地下水开采时温度和回灌温度(能量提取大小)，确定距离等参数;③地下含水层的渗透性和空隙率，确定抽灌井数量等参数;④地下含水层厚度、地下静动水位及地下水流场，确定抽灌井数量及布置方位等参数;⑤应尽量避免对地下水的自然状态产生影响，不能产生相关的环境地质问题。

三 地下水环境监测体系

3.1 观测井的设计

根据场地的水文地质条件对观测井进行设计。如果场地的含水层单一，监测井的过滤器位置应位于含水层内。如果水源热泵空调系统的抽灌井贯穿多个地下水含水层，各监测孔的过滤器位置应位于不同的含水层层位和相对隔水的黏土层层位。各观测孔自场地内部向外围布置，密度由密到疏。勘察井的布设是为了准确获取地下含水层的各类水文地质参数，单井最大出水量等数据，故其位置在抽、回灌井之间的连接直线上，分别距抽、回灌井5 m 即可。

3.2 监测项目

各观测孔的监测项目包括地下水水位、水温和地下水水质。地下水水质包括生化指标、大肠杆菌和细菌总数。各项目的测试要与水源热泵空调系统运行同步，尤其是在运行初期，各含水层水质的测试时间间隔要相对密集，以反映水源热泵运行过程中地下水水质的变化。伴随着水源热泵的长期运行，地下水测试问隔可根据水质的变化情况逐渐加大。

四 结束语

已往的地下水水源热泵系统的设计都是暖通部分的设计，对于地下水方面的研究比较简单，体系欠缺完整性，并且很难将地下水系统设计与地上暖通设计有机地统一起来，从而在实际工程应用中会出现很多问题。本设计将水源热泵地上暖通部分和地下水系统部分分别设计，通过合理的方法将其归纳，从而为以后的相关工程设计提供技术参考。