地下水地源热泵热源井设计方法研究

地下水地源热泵的设计研究

#82# 暖通空调HV&AC 2010年第40卷第9期

设计参考

地下水地源热泵热源井

*

设计方法研究

哈尔滨工业大学 倪 龙m

哈尔滨工业大学 国核电力规划设计研究院 押淑芳

新疆市政建筑设计研究院有限公司 李安民 易 鸣 王振兴哈尔滨工业大学 马最良

摘要 结合水文地质、暖通空调、含水层储能等相关知识,给出了一套包含地下水动力学和热力学设计的热源井简化设计方法,设计内容包括抽水井和回灌井的井径、过滤网、井流量、井数、井间距等。该方法可以应用于工程设计。

关键词 地下水地源热泵 热源井 井间距 工程设计

Studyofdesigningmethodforheatsource

wellofgroundwaterheatpump

ByNiLongn,YaShufang,LiAnmin,YiMing,WangZhenxingandMaZuiliang

Abstract Basedonknowledgeofhydrogeology,HVACandaquiferthermalenergystorage,presents

asimplifieddesigningmethodfortheheatsourcewell,includingthehydraulicdesignandthermodynamicdesignofgroundwater.Thescopeofdesignincludesthewelldiameter,screenassembly,wellflowrate,wellnumber,wellspacingetc.Thismethodisrecommendedtobeusedinengineeringdesign.

Keywords groundwaterheatpump,heatsourcewell,wellspacing,engineeringdesign

nHarbinInstituteofTechnology,Harbin,China

0 引言

20世纪40年代,地下水地源热泵开始在美国公共建筑中应用,最早是1948年的俄勒冈州波特兰市联邦大厦[123]。随之,掀起了20世纪40)50年代欧洲和美国应用地源热泵的第一次高潮,开始安装的大部分都是地下水地源热泵系统,由于采用的是直接式系统,这些系统在建成后5~15年都由于腐蚀和生锈失效了[4],地下水地源热泵系统的应用进入低潮期。直到20世纪70年代,石油危机的出现,地下水地源热泵系统作为一种节能和环保的空调方式引起了暖通界和业主的注意。而且,由于板式换热器的引入[5],水源热泵机组的性价比提

*/(编号:高,地下水地源热泵系统尤其是闭式地下水地源热泵系统开始大量安装使用。在其后的几十年中,地下水地源热泵系统得到了广泛的应用。20世纪80年代末,我国开始地源热泵的试点应用。进入21世纪后,地源热泵作为一种节能环保的技术如雨后春笋般在全国各地迅速落地生根。截至2009年末,我国地源热泵服务面积超过1亿m2,其中地下水地源热泵系统应用面积最大,约占全部

[1,6]

¹

m倪龙,1979年4月生,男,博士,讲师,博士后

150090 哈尔滨工业大学二校区市政环境工程学院2651#(0)13204500382E2mail:nilonggn@收稿日期:2009209207一次修回:2009212202:20092

地下水地源热泵的设计研究

暖通空调HV&AC 2010年第40卷第9期 设计参考#83#

市场份额的一半左右[7];80%的项目集中在华北和东北南部,其中北京近1300万m2[8]、沈阳3300多万m

2[9]

式中 mgwx为热泵机组按制冷工况运行时,地下水的总需水量,kg/s;Qe为建筑物空调冷负荷,kW;EER为热泵机组的制冷能效比;tgw1为进入换热器或热泵机组的地下水水温,e;tgw2为回灌水水温,即离开换热器或热泵机组的地下水水温,e;cp为水的比定压热容,通常取4.18kJ/(kg#e)。

冬季热泵机组按制热工况运行,地下水总需水量mgwd为

mgwd=

ccp(tgw1-tgw2)COP

(2)

。但无序、激烈的市场竞争和缺乏严格的

市场准入制度,使不少建成的地下水地源热泵存在这样或那样的问题,如调查的沈阳市60个地下水

地源热泵项目中,能够正常运行的刚到一半[10]。目前,地下水地源热泵出现的问题,如回灌困难[11]、热贯通[12213]等都与热源井有关。热源井的合理设计是克服或缓解这些问题的必要条件。

现有热源井设计方法包括两类:一类是适合于工程计算的公式化方法[14217];一类是数值模拟[18219]。数值模拟虽然功能强大,更容易接近实际,但其从建模到结果的可靠性验证之间耗费的时间之长往往很难被设计人员接纳,再者对设计人员的知识储备和计算条件要求也过高,现阶段主要还是用于研究。而热源井的简化设计方法基本上还是套用供水管井的设计方法,但地下水地源热泵热源井与供水管井有显著的不同:热源井除了抽水之外,还有回灌和温度的变化。因此,热源井的设计方法更复杂。1 热源井的设计方法

地下水地源热泵热源井的设计好坏关系到地下水地源热泵系统的成败。热源井的设计包含抽水井和回灌井的设计,包括井径、过滤网长度、井流量、井间距等。设计过程包括地下水动力学设计和热力学设计。其设计流程为:首先根据地下水地源热泵承担的取热量、排热量和设计温差求得地下水的总需水量;而后根据允许降深和当地的含水层参数确定井流量和井数;进而根据GB50296)995供水管井技术规范6设计和校核井结构参数;其次,根据允许的热贯通程度设计抽水井和回灌井的间距;再次,根据场地情况和当地的地下水流动情况进行井群布置;最后校核布置后的井群降深,若降深绝对值小于允许降深则结束,否则,重新设计井流量和井数。

1.1 地下水总需水量的确定

工程项目冬季和夏季所需的地下水总量由水源热泵机组的性能,地下水水温及冷、热负荷等因素决定。夏季热泵机组按制冷工况运行,地下水总需水量mgwx为

mgwx

e

=

tgw1(1)

式中 Qc为建筑物供暖热负荷,kW;COP为热泵机组的制热性能系数。

对于冬夏均运行的地下水地源热泵系统,地下水总需水量mgw取mgwx和mgwd中的大值,其已知量包括:建筑物的冷热负荷;对于选定的水源热泵机组,当运行工况确定后,其COP值与EER值已为定值;地下水水温(tgw1)可以通过地下水水文地质勘察获得。由此可见,只要求得离开换热器或热泵机组的地下水水温tgw2,就可以根据式(1),(2)求得地下水的总需水量。更为实用的是根据当地地下水温度情况和水量丰富性给定抽水井和回灌井的温差。常用的温差范围,冬季供热工况为4~8e,夏季制冷工况为6~12e。对于地下水水温较高的地区,冬季可以取大值;夏季制冷工况的温差宜选得较冬季大。选取较大温差,可以减小地下水的总需水量,但要考虑水源热泵机组的性能和当地地下水温度情况,避免冬季地下水冻结。

1.2 井流量设计

热源井的井流量设计是为了确定抽水井和回灌井的数量。一般来说,地下水地源热泵系统的热源井是包含抽水井和回灌井的井群,井间抽水和回灌相互干扰,在设计阶段的第一步很难准确计算出在特定允许降深条件下抽水井和回灌井的井流量。为此,先进行单井井流量的设计,而后校核井群干扰时抽水井和回灌井降深。

对于承压含水层中的单个定流量完整井流,其井流量的计算公式为[20]

Q=

p

@3600

W(u)

(3)

式中 Q为热源井的井流量,m3/h;K为含水层渗透系数,m/s,对于回灌井,渗透系数的经验值仅相[16],p

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长期抽水和回灌允许的降深,m,应根据当地的水文地质条件,经过技术经济比较确定,一般情况下可取5m;W(u)为泰斯井函数。

]

透水,它主要安装在不需要进水的岩土层段,其功能是加固井壁、隔离不良的含水层。过滤器是带有孔眼或缝隙的管段,与井壁管直接连接,安装在含水层中,其功能是集取地下水和阻挡含水层中的砂

W(u)=

u

-xdxx

(4)(5)

粒进入井中。过滤器可分为不填砾 …… 此处隐藏：3211字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……