地下水地源热泵热源井设计方法研究(2)

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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