異層儲(chǔ)能型地下水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用研究.doc

異層儲(chǔ)能型地下水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用研究2006年第34卷第6期流體機(jī)械5l文章編號(hào):1【x)50329(2(x】6)O60o5l05異層儲(chǔ)能型地下水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用研究田苗.朱能.彭鵬(天津大學(xué),天津300072)摘要:提出的異層儲(chǔ)能型地下水源熱泵系統(tǒng)綜合了異層井組合采灌,季節(jié)性儲(chǔ)冷和水源熱泵串聯(lián)三種技術(shù),為實(shí)現(xiàn)地下水的大溫差利用提供了可能.在從技術(shù),環(huán)境和經(jīng)濟(jì)等方面分析其實(shí)施的可行性的基礎(chǔ)上,針對(duì)某實(shí)際工程,利用水源熱泵性能模擬軟件,提出了應(yīng)用3種技術(shù)大溫差利用井水的具體設(shè)計(jì)方案.與常規(guī)水源熱泵進(jìn)行了比較后,認(rèn)為特定地區(qū)異層儲(chǔ)能型地下井水源熱泵不僅具有實(shí)際可操作性,還可節(jié)約地下水資源.關(guān)鍵詞:水源熱泵串聯(lián);異層井采灌;含水層儲(chǔ)能中圖分類號(hào):TE964文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AStudyonCombinationofUndergroundDifferentThermalStorableAquifersandCascadedWaterSourceHeatPumpSystemTIANZhe,ZHUNeng,PENGPeng(ri趼jinUniversity,Tiin3OOO72,China)Abstract:Anewtypesystemwhichwatersourceheatpump(WSHP)cascadedlyuseswaterfromundergrounddifferentthermalstorableaquifersisputforwardindifferentFca.cffjn,Exceptanalyzingthefeasibilityofthenewsystemfromtechnology,environmentandeconomythreeaspects,thedetailedplanismadeforanactualp叫ect.Bycomparedwithcommoflundergroundwshpsystem,thenewtypewshpsystemwasdeterminedthatitisnotonlyactualized.butalsocouldsaveundergroundwaterandbemoreeconomic.Keywords:cascadedwaterSOUleheatpump;differentaquiferieefionandextraction;undergroundaquiferthermalsragel引言利用地下水源熱泵作為建筑冷熱源其應(yīng)用形式大致可分成兩類:一類是與地?zé)崴┡Y(jié)合,利用地?zé)岵膳菜?另一類是利用淺層井低溫水為熱泵機(jī)組水源,井水利用溫差一般在8一l5之間.本文以提高地下水資源利用率為目標(biāo),針對(duì)特定地區(qū)的水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行討論.2異層儲(chǔ)能型地下水源熱泵應(yīng)用2.1異層井實(shí)現(xiàn)地下水的大溫差利用我國(guó)大部分地區(qū),淺層井的出水溫度一般為15加.采用常規(guī)制冷劑的水源熱泵機(jī)組在夏收稿日期:2005O815季制冷工況時(shí),從理論上講可以將地下井水溫度提升至55以上回灌或排放,對(duì)地下水的利用溫差達(dá)到253O.但此時(shí)壓縮機(jī)冷凝溫度過高,制冷效率將急劇降低,同時(shí)制冷量也將嚴(yán)重衰減.因此水源熱泵制冷工況不能過高地提升地下水溫度.根據(jù)目前水源熱泵機(jī)組樣本,制冷工況下冷凝器地下井水出水溫度一般小于3O,但考慮到常規(guī)電力冷水機(jī)組的冷卻水設(shè)計(jì)出水溫度為37,將水源熱泵機(jī)組的制冷工況冷凝器最高出水溫度設(shè)定為4o,技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是可行的.即使如此,此時(shí)制冷工況地下水利用溫差也只能在l52O之間.采用常規(guī)制冷劑的水源熱泵機(jī)組在冬季制熱工況運(yùn)行時(shí),基于機(jī)組蒸發(fā)溫度不應(yīng)低于O的52FLUIDMACHINERYVo1.34,No.6,2006考慮,蒸發(fā)器最低出水溫度應(yīng)該在35以上,如采用常規(guī)淺層井與水源熱泵機(jī)組配套,制熱工況對(duì)地下水的最大利用溫差也只能在l0l5之間.從分析可以看出,影響目前常規(guī)水源熱泵地下水利用溫差的主要因素在于淺層井出水溫度.對(duì)水源熱泵機(jī)組而言,為提高地下水利用溫差,在夏季制冷工況要求地下水出水溫度低,而在冬季制熱工況則要求地下水出水溫度高.因此常規(guī)的同層淺井采灌,難以同時(shí)提高水源熱泵機(jī)組在供冷,供熱工況時(shí)對(duì)地下水的利用溫差.采用異層井組合方式可以有效解決此類問題.深井出水溫度高,用于冬季制熱工況,被提取熱量后的冷水回灌淺井.淺井出水溫度低,用于夏季制冷工況,吸收熱量后的熱水回灌深井.異層井的組合采灌方式對(duì)于水源熱泵機(jī)組的供冷/供熱兩種工況,均可以在不過多犧牲機(jī)組效率的情況下,實(shí)現(xiàn)提高地下水利用溫差的目標(biāo),從而節(jié)約地下水的利用量,減少鑿井?dāng)?shù)量.如出水溫度40的深井與出水溫度為20淺井組合作為熱泵機(jī)組的水源,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水在制熱工況下30和在制冷工況下20的大溫差利用.2.2地下含水層儲(chǔ)能地下含水層儲(chǔ)能技術(shù),就是我們常說的井水冬灌夏用.它是利用深層土壤的保溫作用,將地下含水層作為儲(chǔ)冷蓄熱材料,實(shí)現(xiàn)冬季儲(chǔ)存冷水供給夏季使用的功能.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和資料,評(píng)價(jià)地下含水層儲(chǔ)能效果的參數(shù)主要有兩個(gè):儲(chǔ)冷效率和平均熱交換率.儲(chǔ)冷效率反映儲(chǔ)冷后出水溫度,井原出水溫度和回灌水溫度之間的關(guān)系.公式如下:=100%(1)式中儲(chǔ)冷效率,%井原出水溫度儲(chǔ)能后平均采水溫度回灌水平均溫度平均熱交換效率是反映回灌水在儲(chǔ)冷過程中的日均溫度變化率.公式如下:(2)式中儲(chǔ)能天數(shù)對(duì)于三角洲沖積平原地區(qū)儲(chǔ)冷效率一般在53%一90%之間,而平均熱交換效率在0.0740.007/日之間.以上海酒精廠儲(chǔ)冷井為例,11月中旬至第二年3月中旬回灌冷水平均溫度l3.5oC,6月至9月等量回采冷水,出水平均溫度15.4C.原井出水溫度20,其儲(chǔ)冷效率為70.8%,平均熱交換效率為0.0158oC/日L4J.在我國(guó)大部分地區(qū),淺層井的出水溫度一般為l520.根據(jù)儲(chǔ)冷效率和平均熱交換率的經(jīng)驗(yàn)取值,淺層儲(chǔ)能井在冬季充冷運(yùn)行結(jié)束到夏季用冷開始期間的回灌水溫升一般在15之間,并且隨著儲(chǔ)能循環(huán)次數(shù)的增加,溫升有逐漸減小的趨勢(shì).如,當(dāng)冬季充冷運(yùn)行回灌水溫度在58C時(shí),在供冷工況等量抽水時(shí)平均出水溫度將維持在10l2.從大量的冬灌夏用技術(shù)資料及數(shù)據(jù)可以看出在特定地區(qū)實(shí)現(xiàn)地下含水層儲(chǔ)能是可行的.2.3異層井儲(chǔ)能系統(tǒng)可行性分析通常情況下建筑物的夏季冷負(fù)荷大于冬季熱負(fù)荷,對(duì)于既供冷又供熱的水源熱泵系統(tǒng)來說,夏季對(duì)地下水期望的利用溫差大于冬季.因此僅僅利用異層井作為水源,仍然不能完全實(shí)現(xiàn)單井供冷供熱面積的最大化.地下含水層儲(chǔ)能技術(shù)可以通過淺層井的冬季充冷過程來降低其出水溫度,幫助異層井水源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)增加夏季地下水利用溫差的目標(biāo).利用異層井作為水源,輔以地下含水層儲(chǔ)能的水源熱泵系統(tǒng),稱之為異層井儲(chǔ)能型水源熱泵系統(tǒng).在適宜地下含水層儲(chǔ)能的特定地區(qū)采用這種系統(tǒng)可以有效提高夏季地下水利用溫差,減少地下水采量.2.3.1地面沉降及回灌取用地下水,對(duì)環(huán)境的主要影響是地面沉降問題.沉降的成因是開采地下水使地層水缺失,地下水位下降,引起地層附加荷載,產(chǎn)生彈性或塑性變形.但如果做到井水的采灌平衡,就可以大幅度減少因使用地下水而產(chǎn)生的地面沉降.根據(jù)上海市19821990年的分層沉降觀測(cè)資料,證實(shí)采灌條件下的沉降量只相當(dāng)于無回灌條件下的三分之一.據(jù)此,回灌問題就成為地下井系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的主要問題.在適宜地下儲(chǔ)能的沖積三角洲地區(qū),以天津?yàn)槔?含水層以粉細(xì)砂為主,孔隙度小回灌較為困難.但是根據(jù)該地區(qū)深層井水埋深低,灌量大,淺層井水位高灌量較低的基本規(guī)律,輔之以打井成井工藝和回灌方式的改進(jìn),利用第四系三,四含水層組淺井的灌抽比約在60%70%之間.因此對(duì)于涌水量為100t/h左右的井,2006年第34卷第6期流體機(jī)械53控制采水量在6070t/h,基本上可以保證100%回灌.2.3.2地下含水層污染除了地下水被循環(huán)利用可能與外界空氣接觸時(shí)發(fā)生的地下水氧化污染外,地下含水層還可能會(huì)因?yàn)榛毓嗨疁囟?壓力的變化而造成一些未知的地質(zhì)水文,地質(zhì)生態(tài)上的污染或破壞.對(duì)于異層井系統(tǒng)的地下水采灌更容易讓人質(zhì)疑的問題是:不同層水體間的摻混污染,不同地下含水層水體的水質(zhì)可能并不相同.不同水質(zhì)的水相互摻混,如果發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)不僅可能導(dǎo)致地下井系統(tǒng)失敗甚至可能會(huì)造成地下土壤的污染.因此在進(jìn)行異層井設(shè)計(jì),確定深淺取水(回灌)層時(shí),應(yīng)該對(duì)水層進(jìn)行詳細(xì)的水質(zhì)分析匹配,選擇水質(zhì)相同或相近的含水層作為取水(回灌)層,并對(duì)回灌水進(jìn)行處理保證其回灌水質(zhì),最大限度的避免不同層采灌可能帶來的污染問題.如果條件允許,設(shè)計(jì)前開鑿勘探井取得第一手的地質(zhì)水文資料可以增加設(shè)計(jì)成功的概率.2.3.3水源熱泵機(jī)組地下水大溫差利用系統(tǒng)形式如圖1所示.采用異層井儲(chǔ)能系統(tǒng)為地下水30clC以上的大溫差利用提供了可能,在制冷工況從利用溫差10qC到40clC,在制熱工況利用溫差從4oqC到8.但直接利用,從目前的水一水熱泵機(jī)組技術(shù)來看,主要存在以下兩個(gè)問題:(1)地下水進(jìn)入機(jī)組的初始水溫過高或過低.為保護(hù)壓縮機(jī)及潤(rùn)滑油系統(tǒng)的正常運(yùn)行,熱泵機(jī)組的冷凝溫度一般不低于25,而蒸發(fā)溫度一般不高于10clC.(2)地下水溫差太大,單級(jí)熱泵機(jī)組無法實(shí)現(xiàn).但是,通過適當(dāng)混水降低或提高熱泵機(jī)組進(jìn)水溫度,串聯(lián)水源熱泵機(jī)組運(yùn)行,可以達(dá)到地下水大溫差利用的目的.圖1異層井儲(chǔ)能水源熱泵系統(tǒng)示意流程示意如圖2所示.可以看出,無論制熱工況還是制冷工況,地下水最終回灌參數(shù)均接近于常規(guī)單冷機(jī)組,因此必須利用地下水人口溫度較高(制熱)或較低(制冷)的優(yōu)勢(shì),提高機(jī)組COP,才能保證整個(gè)系統(tǒng)效率高于常規(guī)冷水機(jī)組.水源熱泵機(jī)組的串聯(lián)運(yùn)行一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下水的大溫差利用,另一方面保證了水源熱泵系統(tǒng)制冷制熱效率的最大化.利用溫差78.c利用溫差78(a)制冷工況利用溫差45.c利用溫鬻45C(b)制熱工況圖2地下水利用流程示意3應(yīng)用案例分析較.表1是幾種常用冷熱源的制冷制熱效率比表1幾種常用冷熱源的制冷制熱效率比較風(fēng)冷常規(guī)螺桿常規(guī)水源水源熱泵項(xiàng)目制冷+熱泵熱泵串聯(lián)系統(tǒng)城市熱網(wǎng)制冷COP3.O4,04.44.8制熱COP4.14.5可以看出,梯級(jí)利用井水熱量的水源熱泵串聯(lián)系統(tǒng)的效率雖然略低于常規(guī)水源熱泵,但高于其它兩種常用冷熱源.此外由于其減少了井水的使用量,從而大幅度降低了井水泵的功耗.就機(jī)房整體耗電量而言,梯級(jí)利用井水的水源熱泵串聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行能耗略小于常規(guī)水源熱泵.此外異層井組水源熱泵串聯(lián)系統(tǒng)雖然犧牲了部分機(jī)組效率,但減少了取水井開鑿數(shù)量,降低了初投資,同時(shí)擴(kuò)大了可應(yīng)用范圍,在這方面是常規(guī)水源熱泵無法比擬的.由于具體情況的多樣性,對(duì)于異層井組梯級(jí)水源熱泵的經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)還需要進(jìn)行個(gè)案定量分析.天津某1O萬m2建筑群,占地250m300m.要求全部供熱,5萬m2供冷.建筑群總空調(diào)冷負(fù)FLUIDMACHINERYVo1.34,No.6,2006荷7000kW,總熱負(fù)荷8800kW.如采用同層灌采的常規(guī)水源熱泵系統(tǒng),地下水開采量約750m3/h,為使采灌平衡,約需開鑿灌采井2O眼.開采強(qiáng)度很大,構(gòu)成串聯(lián)系統(tǒng),區(qū)域地質(zhì)水文條件難以滿足.此外考慮到同層井井間距要求,在該區(qū)域范圍內(nèi)多井分布難以實(shí)現(xiàn).經(jīng)多方論證,決定采用異層井儲(chǔ)能水源熱泵系統(tǒng).選用6臺(tái)制冷量1135kW螺桿水源熱泵機(jī)組,每?jī)膳_(tái)并聯(lián)為井水梯級(jí)利用的一級(jí).4.1異層井組一水源部分形式4.1.1井組設(shè)計(jì)天津地處海河人海沖積平原帶,地質(zhì)具有粘土和細(xì)砂層交替重迭,地下水流速小等特點(diǎn),具備地下儲(chǔ)能條件.根據(jù)勘測(cè)結(jié)果地下水資源情況如下:第四承壓淡水含水組:底板埋深438.5m,累計(jì)粉細(xì)砂層總厚82.5m.孔隙率38.5%4o%,滲透率2158243310I3】.水質(zhì)為HCO3一C1一Na型.明化鎮(zhèn)組下段含水組:底板埋深901m,累計(jì)砂巖厚75.6m,滲透率為(12171621)10I3.水質(zhì)為Hc03一ClNa型占優(yōu)勢(shì).水源部分設(shè)計(jì)為4對(duì)異層井組,每井組包括深淺兩口井,均為采灌設(shè)計(jì).淺層井深250350m,涌水量96t/h,平均出水溫度l8,靜水位84m,動(dòng)水位100m,單位涌水量6m3/(h?111).深層井深800900m,涌水量94t/h,平均出水溫度38,靜水位87m,動(dòng)水位104m,單位涌水量5.5m3/(h?m).單井回灌量按單位涌水量的1/3計(jì)算,深淺井單位回灌量分別為1.8m3/(h?m),2.0m3/(h?m).則最大負(fù)荷工況下,設(shè)計(jì)每口井回灌水量為60t/h是可行的.4.1.2淺層井儲(chǔ)冷設(shè)計(jì)冬季冷水回灌采用水源熱泵機(jī)組供熱工況的5C尾水.根據(jù)該建筑群冬,夏季耗熱耗冷量,得出冬季淺井回灌冷水量為22.3萬噸,單井回灌量5.6萬噸;夏季淺井采冷水量為20.4萬噸,單井采水量5.1萬噸.深淺井全年灌采水量基本平衡.對(duì)于淺層井,儲(chǔ)冷效率按照6o%計(jì)算,冬季回灌5冷水,根據(jù)上節(jié)計(jì)算公式得出夏季等量采水時(shí)出水平均溫度為10.2C.此外,儲(chǔ)冷井還應(yīng)保證一定的間距,依據(jù)文獻(xiàn)5提供的公式,計(jì)算得出兩儲(chǔ)冷井最小間距為50m.本設(shè)計(jì)綜合其他資料確定,同層井設(shè)計(jì)間距120m,異層井設(shè)計(jì)間距810m.4.1.3水質(zhì)評(píng)價(jià)經(jīng)過對(duì)該區(qū)域勘探井獲取的水文地質(zhì)資料進(jìn)行分析,認(rèn)為這兩個(gè)含水層水質(zhì)符合sY/T53299水質(zhì)推薦指標(biāo),其中雷納茲指數(shù)大于6,且不會(huì)產(chǎn)生硫酸鈣沉積和硅酸鎂結(jié)垢,說明兩層水質(zhì)相近,混合和灌入對(duì)應(yīng)含水層后不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)沉積.4.1.4地面沉降水位下降引起的地面附加沉降量計(jì)算公式如下:s:sli=l:APi皿(3)式中s水位下降引起的地面總附加沉降量,mSi第i計(jì)算土層降水引起的附加沉降量,m第i計(jì)算土層降水引起的附加荷載,kPa日第i土層的壓縮模量,kPa凰第i土層的厚度,m如果附加荷載按30m估算,壓縮層為36層,總厚度按60m估算,本項(xiàng)目井點(diǎn)周圍10m內(nèi)最終沉降值為:淺井29mm,深井llmm.從計(jì)算結(jié)果可見,異層灌采條件下,即使采灌平衡也會(huì)引起地面沉降,但沉降量有限.建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加因?yàn)槌樗鸬某两盗繕?biāo)高.4.2水源熱泵系統(tǒng)形式4.2.1冬季制熱工況根據(jù)廠家提供的水源熱泵機(jī)組性能模擬軟件,設(shè)計(jì)工況流程如下:190t/h的38C低溫?zé)崴?與140t/h的5低溫?zé)崴臋C(jī)組出水混合,水溫為24,水量330t/h,進(jìn)入第一級(jí)水源熱泵機(jī)組,出水溫度l6.7,制熱量3300kW,制熱系數(shù)4.61;第二級(jí)水源熱泵機(jī)組出水溫度10.5,制熱量3000kW,制熱系數(shù)4.35;第三級(jí)機(jī)組出水溫度5,制熱量2500kW,制熱系數(shù)4.19.系統(tǒng)總制熱量8800kW,系統(tǒng)平均制熱系數(shù)4.39(如圖3所示).經(jīng)過混水和熱泵機(jī)組串聯(lián)的梯級(jí)利用,將井水水溫降低至5C,回灌至對(duì)應(yīng)的淺層井中,儲(chǔ)備起來供夏季供冷工況使用.4.2.2夏季制冷工況2006年第34卷第6期流體機(jī)械55按淺層井儲(chǔ)冷設(shè)計(jì),淺層井儲(chǔ)冷后回采水溫度為10.2C.根據(jù)機(jī)組性能模擬軟件設(shè)計(jì)工況流程如下:240t/h的淺井儲(chǔ)能10.2C低溫水,與最后一級(jí)機(jī)組58t/h的40.7的出水混合,水溫為16.1,水量298t/h,進(jìn)入第一級(jí)水源熱泵機(jī)組,出水溫度24.5,機(jī)組制冷量2496kW,COP為5.27;第二級(jí)水源熱泵機(jī)組出水溫度32.8C,制冷量2356kW,COP為4.46;第三級(jí)機(jī)組出水溫度4o.7,制冷量2192kW,COP3.67.系統(tǒng)總制冷量7044kW,系統(tǒng)平均COP為4.4(參見圖4).l4nm31hI33om/I15柏圖3冬季工況流程示意2C萄晦萎圖4夏季工況流程不意井水經(jīng)熱泵機(jī)組串聯(lián)系統(tǒng)梯級(jí)利用提取冷量,溫度升高至4o.7后,回灌至深井,儲(chǔ)備供冬季制熱工況使用.4.3經(jīng)濟(jì)性分析常規(guī)水源熱泵和井水梯級(jí)利用水源熱泵串聯(lián)系統(tǒng)兩種方案運(yùn)行費(fèi)用概算如表2所示,初投資概算如表3所示.費(fèi)用常規(guī)井水源熱泵井水源熱泵串聯(lián)系統(tǒng)項(xiàng)目供熱供冷全年供熱供冷全年機(jī)組144.872.6217.4138