吉林地区地下水地源热泵探析

２０１０年第１１期（总第１５５期）　应用能源技术　３３　吉林地区地下水地源热泵探析　孙玉新，陆亦工。代元军　（新疆工业高等专科学校，新疆乌鲁木齐８３００９１）　摘要：介绍了地下水地源热泵的工作原理，分析其在吉林市城区使用的可行性，剖析了　现已投入使用的吉林地区某市政府办公楼地下水地源热泵机组，并将此机组运行情况与常规锅　炉供热方式进行比较，展现了地下水热泵高效、节能、环保的优势。对该热泵机组不合理处提出　改造方案，最后分析讨论了地下水地源热泵在吉林地区的发展趋势及应用前景。。　关键词：地下水；地源热泵；热泵机组　中图分类号：ＴＶ７４５　文献标志码：Ａ　文章编号：１００９—３２３０（２０１０）１ｌ一００３３—０５　１　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｊｉｌｉｎ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ＳＵＮ　Ｙｕ—ｘｉｎ，ＬＵ　Ｙｉ—ｇｏｎｇ，ＤＡＩ　Ｙｕａｎ－ｊｕｎ　（Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｅｇｅ，Ｕｒｕｍｑｉ　８３００９１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ｉｔ　ｉｎ　Ｊｉｌｉｎ　ｃｉｔｙ．Ｔｈｅｎ　ｃａｒｅｆｕｌｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｕｎｉｔ　ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｏｎ　ｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｏｆ　ｓｏｍｅ　ｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ＲａＲｅ　ｖｉｖｉｄｌｙ　ｓｈｏｗｎ　ｂｙ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｉｌｏｔ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｏｆ　ｆｕｅｌ　ｂｏｉｌｅｒ　ｈｅａｔｉｎｇ．Ｐｒｏｐｏｓｅ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｔｏ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｕｎｉｔ　ｉｎ　ｓｏｍｅ　ｃｉｔｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｉｎ　Ｊｉｌｉｎ　ｃｉｙｔ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ；Ｇｒｏｕｎｄ—ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ；Ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｕｎｉｔ　Ｏ　前言　东，地处长白山向松辽平原的过渡地带，发源于长　地下水地源热泵是以低温地下水作为夏季热　白山天池的第二松花江，从东南至西北以Ｓ型穿　泵制冷的冷却源或冬季采暖供热的低温热源，实　过市区。因此它处于吉林省地下水资源较丰富的　现采暖、制冷和提供生活热水的热泵系统。　地段，富水性好，矿化度低，埋深３—１０　ｍ，水温９　地下水是指埋藏和运移在地表以下含水层的　度左右，具有开采价值［１］。水源热泵机组选择时　水体。地下水分布广泛，水质比地表水好，水温随　气候变化也比地表水小，是地源热泵可以利用的　的进水温度，供热时从北方区的４．４　ｑＣ到南方区　较理想的水源。由于地下水热泵系统是一种最简　的１０℃，供冷时从北方区的２３．８℃到南方区的　单的地源热泵系统，投资少、易开采，运行也最方　２９．４℃　Ｊ。可见就北方地区而言吉林市的地下　便，所以往往成为地源热泵系统的首选。　水资源具有可用性。　１　吉林地区地下水地源热泵利用的　吉林市属北温带大陆性季风气候，年平均气　可行性　温４．４℃，采暖室外计算温度一２５℃，采暖期平　吉林市位于东北地区中南部，吉林省中部偏　均温度一９℃，夏季湿热多雨需要空调供冷，冬季　收稿日期：２０１０—１０—１０　修订日期：２０１０—１０—３０　漫长寒冷需要长期供暖＿３】。冬季供热方式多为　作者简介：孙玉新（１９８２），女，新疆工业高等专科学校专职　教师，硕士学位，专业：热能与动力工程，研究方　风机盘管供热风，水温４５—５０　ｃ【＝即可，恰为热泵　向为热力设备状态监测与故障诊断。　机组工作范围，而且该水温也可满足地板供热　应用能源技术　方式。　２０１０年第１１期（总第１５５期）　以地下水为热源的热泵供热及制冷，使用近两年，　冬季供热室内温度可达２６度，运行正常。　吉林市总面积２　７１２０平方公里，现有采暖建　筑面积３　９９６万ｍ　，其中区域锅炉房、分散小锅炉　房和煤火炉供热占总采暖建筑面积的４７．４％［３］。　目前对地下水地源热泵的使用还在探索中，已实　２．１．２设备情况　（１）１２口深水井，５口抽水井，７口回灌井，井　深约６０　ｍ～７０　ｍ。　现的地下水地源热泵工程如：磐石市政府办公　楼，蛟河市向阳路８号楼。地源热泵供暖方式发　展空间巨大。　（２）８台模块式热泵机组：　型号：ＲＨＳＢＷ螺杆式冷水（热泵）机组　制冷剂：氟利昂Ｒ２２　热泵形式：压缩机式　２某市政府地下水地源热泵经济技　术分析　２．１工程概况　单台功率：１７２　ｋＷ　理论制热量：４７３．８　ｋＷ／台　２．ｉ．１建筑情况及热负荷　某市政府为１　１层楼建筑，有一层地下室要求　温度较低，供热面积约为２７　０００　ｍ　，实际供热面　积为２５　９９９ｍ　，需要热负荷约２０００　ｋＷ，冷负荷约　２　５００　ｋＷ单位面积供暖热指标满足：５８～　８１．５　Ｗ／ｍ　，制冷指标满足８５～１００　Ｗ／ｍ　。采用　（３）５台潜水泵，每个抽水井ｌ台，２０　ｋＷ　（４）２台深水井循环泵，其中一台为备用，３７　ｋＷ　（５）３台系统循环泵，其中一台为备用，４５　ｋＷ　（６）２台辅助电锅炉，分别３６０　ｋＷ，３００　ｋＷ，　其中３００　ｋＷ为备用。　２．１．３系统结构图　ｌ　一热用户　深水井循环泵　二日二　厂、　电（改进工况　煤）锅炉＿Ｊ　ｌ电　－ｊ　ｒＩ　ｌ］　｝ｉ　一　抽水井　　Ｉ｝ｌ『Ｉ　Ｕ　储水箱　『………热泵机组　厂］　抽水井　ｌ电锅炉（备用）　几Ｕ　Ｌ　水箱　ｌ＼ｆ　＼、　Ｉｒ—］　　＼、二／　ｌＩ　—二＝巳　一　深水井循环泵　＼厂、－／　ｉ　　‘；　结　Ｌ，　；ｌ｝　≈　Ｓｆｒ　承　系统回水　＃　冬季气温最低时可启用辅助电锅炉。　回灌井　——　卜一　２．１．４运行情况　地下水抽水温度：９　ｃｃ，回灌温度：６或７℃　（机组可调）；　整个系统运行正常，节能，无污染，但耗电严　重，运行环境要求严格，维护费用多。机组密封，　一热泵压缩机前后的吸气压力：３０．４　ＭＰａ，排　气压力：≤２５　ＭＰａ；　年需洗井一次（通过泥沙判断）；一年需清洗供　暖（冷）管网系统一次，费用约为１万；２—３年需药　供热网供水温度：４５—５０℃，回水温度：３０℃　左右；　物清洗供暖（冷）管网系统１次，费用约为２—３万。　供暖期内有两种运行工况：正常供热期　（１３０　ｄ），最冷供热期（３０　ｄ）。　（１）工况１（１３０　ｄ）：运行四台热泵供暖，启动　供热网供水压力：０．５２　ＭＰａ，回水压力：　０．４６　ＭＰａ。　２０１０年第ｌ１期（总第１５５期）　应用能源技术　３５　三台潜水泵（２０　ｋＷ），一台深井循环泵（３７　ｋＷ），　两台系统循环泵（４５　ｋＷ）和一台系统补水泵（７．５　ｋＷ）。　洗供暖（冷）管网系统一次，费用约为１万；２—３　年需药物清洗供暖（冷）管网系统１次，费用约为　２—３万。　（２）工况２（３０ｄ）：室外温度最低，供热量最　大，运行七台热泵，由于抽水井与回灌井距离太　近，抽水量又过大，井水短路，水源进水温度降低，　假定为７℃，所以在水源侧启动一台电锅炉（效率　９８％），将水源进口温度从７℃加热至原９℃以维　持热泵按照原工况运行，水源水流量７９．１８　ｍ。／ｈ。　２．２．３　电锅炉加在了水源侧　在水源侧启动一台电锅炉（效率９８％），将水　源进口温度加热至原值以维持热泵按照原工况运　行，这样启用了七台热泵，另外还加进了电锅炉的　消耗，使效率损失增加，应该改进。　２．３改进方案　同时启动五台潜水泵（２０　ｋＷ），两台深井循环泵　（３７　ｋＷ），两台系统循环泵（４５　ｋＷ）和一台系统补　水泵（７．５　ｋＷ）。　２．２存在的问题　２．２．１井少泵多　（１）方案１：一直启动四台热泵，平时正常供　热，室外温度过冷时，在用户侧供热端加一台电锅　炉，保证供热回水温度值不变。　（２）方案２：另外再打几口井，增加抽水量，扩　大取热范围，保证备用热泵全部启动时水源温度　也不会降低。　（３）方案３：另建一个小型燃煤锅炉，启动四　台热泵，平时正常供热，室外温度过冷时，在用户　八个热泵机组，仅有５口抽水井，７口回灌　井，井距不足５０　ｍ，如果热泵启动超过四台，就很　可能造成地下水短路，水源温度降低，温差减小，　严重影响供热效果，迫使启动电锅炉补偿，造成了　很大的浪费；　２．２．２维护费用高　一侧供热端利用锅炉加热供热回水，保证回水温度　值不变。　ｍ　２　５　瞅　６　（４）改进前后某市政府热泵系统经济分析对　照，见表１。　年需洗井一次（通过泥沙判断）；一年需清　表１　改进前后经济分析对照表　制热量／ｋＷ　工况１　耗电量／ｋｗｈ　电费／万元　节约／万元　一　一　改进前　工况２　工况１　方案１　工况２　工况１　方案２　工况２　工况１　１　９７４　５２８　方案３　工况２　３７０　２２４　１９０．７０８ｔ（标煤）　方案１与目前运行情况相比，每年可节约　方案２需增加初投资，打井费用比较高，但是　以后年可节约５４．１万元，且完全污染，从长远来　看，效益很可观，提议推广采用。　１０．６万元，容易实现，不需改造，也不需增加初投　资，可以马上用于某市的热泵机组。　３６　应用能源技术　２０１０年第１１期（总第１５５期）　方案３需建一个小型燃煤锅炉，也要增加初　投资，但年可节约５３．９万元，远比使用电锅炉要　经济得多，优于方案１。　如该供热系统正在运行期，建议先采用方案　规空调系统相同，所以仅比较机房部分的初投　资，见表２、表３（改进方案二的初投资统计，具有　可推广性）及表４。　２．４．２运行费用比较　１；检修期间，若地下水资源允许首选方案２，不允　许可用方案３。　２．４技术经济分析　在吉林地区，夏季供冷大约６０　ｄ，每天运行约　６　ｈ；冬季供暖１６０　ｄ，每天运行２４　ｈ。电按　０．５７　ＫＷｈ，标煤按８５０　ｔ计算运行费用。　经计算该热泵系统每年夏季能量消耗约为　１５０　１９２　ｋＷｈ，冬季约为２　６２５　４８０　ｋＷｈ；常规锅炉　供热每年冬季能量消耗为７　６８０　０００　ｋＷｈ，耗标煤　１　４３１．１９　ｔ，约１２１．６５万元。　下面对某市政府地下水地源热泵系统和常规　锅炉供暖方式初投资和运行费用进行技术经济　比较。　２．４．１初投资比较　因为地下水地源热泵系统的用户侧系统与常　袭２　某市政府地下水地源热泵系统初投资估算　２０１０年第ｌｌ期（总第１５５期）　应用能源技术　３７　经计算地下水地源热泵系统每年运行费用夏　的场合，如大型商场、旅店等，使其在供热期的损　季约８．６万元，冬季约为１５０万元。常规供热方　失在供冷期得到一定的补偿，使总体效益最好。　式每年运行费用冬季约为１５５万元，夏季另外加　综上技术经济分析，我们可以看出，在吉林地　空调系统费用约３３万。　区合理发展地下水地源热泵是可行的，但是由于　根据以上的经济分析可以看出，采用地下水　北方冬季漫长，地下水温偏低，热泵很少运行于最　地源热泵系统的初投资大约是常规燃煤锅炉的　优工况，通常采用的电加热方法还有很大节能空　３．７５倍，冬季运行费用节约很少，夏季可节约　间有待进一步改善。　７３．９％的运行费用，每年总体可节约１５．６％运行　参考文献　费用。初投资和运行费用还受到设备的选型、电　［１］　中国新闻传播学评论（ＣＪＲ）２００７年０８月２１目．　价和煤价、项目规模及项目所在地与地下水水质　Ｉ２３　将能照，刘道平．水源・地源・水环热泵空调技术及应　等因素的影响，具体问题还需具体分析。　用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００７．３．　３　结语　［３］　李建平．吉林市城区集中供热发展专项规划２００６—　２０１０年．　（１）地下水地源热泵具有高效节能，运行稳　［４］Ｈｍｔｅｎ　Ｍ　Ｊ．Ｇｍｕｎｄｗ￣ｅｒ　ｈｅｍ　ｐｕｍｐｉｎｇ：￣ｓｓｏｎｓ　ｌｅａｒｎ－　定可靠，环保效益显著的优点。在吉林这样典型　ｅｄ　ｉｎ　４３　ｙｅａｒｓ　ａｔ　ｏｎｅ　ｂｕｉｌ￣ｎｇ［Ｇ］／／ＡＳＨＲＡＥＴｒａｎｓ，　北方气候的城市，应用和发展地下水地源热泵，用　１９９２，９８（１）：１０３１—１０３７．　以取代分散小型锅炉房，是改变其以燃煤为主要　［６］　Ｒａｆｅ￣Ｋ．Ａ　ｃａｐｉｔＭ　ｃｏｓｔ￣ｍｐａｉｆｓｏｎ　０ｆ　ｃｏｍｍｅｍｉＭ　能源消耗结构的有效途径之一。　ｇｒｏｕｎｄ－ＳＯＬｌｒＣｅ　ｈｅｍ　ｐｕｍｐ　ｓ￣ｔｅｍ［Ｇ］／／ＡＳＨＲＡＥＴｒａｎｓ，　（２）采用地下水地源热泵之前必须做好勘察　１９９５，１０１（２）：１０９５—１１００．　水质，整体规划，合理布局等前期工作，针对不同　［７］　李新国．低温地热运用热泵供暖的技术经济分析　的地质条件，供暖需求制定合理高效的方案。　［Ｊ］．天津大学学报，１９９６，２９（３）：４４９４５３．　（３）由于热泵机组可用于供热和供冷两种方　［８］　时杉杉，姜雪松，傅灵玲，等．地源热泵空调控制系　式，而且在吉林地区供冷效果非常理想，因此在考　统的变频改造［Ｊ］．森林工程，２００８，２４（６）：２５—２８．　虑采用热泵时应优先考虑冷热负荷需求同时具备