本文選自北大核心級期刊《水文地質工程地質》，《水文地質工程地質》1957年創刊，是國土資源部主管，中國地質環境監測院主辦的。國際刊號ISSN：1000-3665 ；國內刊號CN：11-2202/P。郵發代號 2-335。我國水文地質、工程地質和環境地質專業領域創刊較早、發行較廣，并具有權威性、綜合性的學術理論與實踐刊物之一。

　　摘要：大鐘寺某家具城項目于2011年春進行冷熱源系統改造，采用地下水源熱泵系統代替溴化鋰機組進行供暖及空調制冷，已達到節約運行費用的目的。經過前期調研及水資源論證，確定本項目地下水水量充足，水質好，具有較高的穩定水位，適合采用地下水源熱泵系統，并采用直接地下水換熱系統。

　　2011年夏季系統改造完畢并開始運行，目前已經正常運行了1個制冷季及1個供暖季，年運行費用從原來的83萬元下降至44萬元。其主要關鍵點在于選用高性能設備，設計時充分考慮到了非峰值時設備的運行狀態，對冷凍水泵采用變頻控制，早備用抽水井內安裝小流量潛水泵，通過控制人員對熱泵系統進行調控，使得系統負荷在25%，50%，75%，100%時可以分級運行，既滿足負荷需求，又使得系統處在最佳運行狀態，盡量減少能源浪費，節約運行費用。

　　本項目運行一年來節能效果明顯，系統運轉穩定，為研究地下水源熱泵直接地下水換熱系統提供了成功案例的依據。

　　一、淺層地熱能及水源熱泵簡介

　　淺層地熱能資源（shallowgeothermalresources）是指蘊藏在淺層巖土體、地下水中的熱能資源。地熱能主要來自地球深部的熱傳導，由于地球內部就是一個巨大的熱源庫，故地熱能溫度穩定，分布廣泛，開發利用方便。

　　利用淺層地熱能替代化石能源用于供暖，避免了煤炭、天然氣等燃燒排放的二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳和煤塵等，保護了環境。淺層地熱能還替代了空氣源熱泵，在地源熱泵制冷的過程中，減少了向室外排放熱量。這也是傳統的供暖方式和空氣源空調制冷造成局部環境惡化的重要原因。利用淺層地熱能在保護大氣環境方面的正面效益是顯著的。［1］

　　水源熱泵系統正是以淺層地熱能為熱源，為建筑物提供供暖及制冷服務的多用途空調系統。通過輸入少量電能，水源熱泵系統即可以將淺層地下水中的熱量提取出來用于末端供暖，或將末端多余的熱量傳送至地下水中以實現制冷功能的節能環保技術，同時水源熱泵系統還具有系統運行穩定，多功能、高效環保、運行費用低廉、節省空間等優勢。

　　水源熱泵的換熱系統分為直接地下水換熱系統（directclosed-loopgroundwatersystem）及間接地下水換熱系統（indirectclosed-loopgroundwatersystem），由于直接地下水換熱系統擁有更高的性能優勢，造價更加低廉，目前應用更為廣泛。但使用直接地下水換熱系統，存在腐蝕和結垢的巨大潛在可能性，應具備以下幾個條件：地下水水量充足，水質好，具有較高的穩定水位，建筑物高度低（降低井泵能量損耗）。［2］

　　二、項目簡介

　　北京市大鐘寺某家具城位于海淀區北三環路聯想橋左近，建筑面積17000平米。原中央空調系統冷熱源采用溴化鋰機組1臺（單臺制冷量800kW），末端為風機盤管加新風機組。2011年春季，項目進行改造，決定采用環保、節能的水源熱泵系統，冬季供暖，夏季制冷。本項目夏季空調負荷為1600kW；冬季采暖負荷為850kW。

　　三、方案設計

　　在水源熱泵系統方案設計之前，應進行工程場地狀況調查，并應對淺層地熱能資源進行勘察。［3］結合家具城系統抽水和回灌要求，從取水水源、取水地點、取水層位、取水量及取水、退水對周邊環境的影響等方面，對采用地下水作為水源熱泵空調系統循環用水的合理性和可行性進行分析論證。

　　（一）水文地質調查

　　家具城所在地處于永定河沖洪積扇的中上游，第四系厚度約為150m左右，含水層巖性以砂礫石、粗砂為主（表1），富水性較好。

　　表1勘測井含水層段位置地層資料

　　含水層段埋深（m）厚度（m）巖性含水層段埋深（m）厚度（m）巖性

　　35.01-44.389.37粗砂88.77-91.282.51中砂

　　60.2-65.334.91粗砂95.31-100.665.35砂礫石

　　70.87-82.3511.48砂礫石

　　該井含水層總厚度30m左右。根據區域水文地質條件結合周邊現有淺層水井情況分析，認為家具城區域水文地質條件較好，目前地下水位25m左右。經測試，單井抽水量可達100m3/h；自流回灌率達到58%。此外，經過水質檢測，地下水沒有腐蝕作用，水溫15℃，基本恒溫，作為淺層地熱能的能源用水，水質符合設備要求。

　　（二）水源熱泵機組選型

　　熱泵設備選用中科華譽生產的HE900LF兩臺（雙機頭螺桿滿液式）。系統總制熱量為1804kW，總制冷量為1646.8kW。冷凍水循環泵選用三臺（兩用一備），并采用變頻控制。

　�。ㄈ�）所需地下水量的確定

　　冬季供暖負荷為850kW，熱泵設備輸入功率為192kW，地下水提取溫度設計為15℃，地下水回灌溫度設計為8℃；根據

　　，可得出冬季供暖最大抽水量為80m3/h；

　　夏季空調負荷為1600kW，熱泵設備輸入功率為373.2kW，地下水提取溫度設計為15℃，地下水回灌溫度設計為26℃；根據

　　，可得出夏季空調最大抽水量為154m3/h。

　�。ㄋ模┑叵滤�系統設計

　　家具城冬季熱泵系統最大抽水量為80m3/h；夏季熱泵系統最大抽水量為154m3/h；根據用水情況，擬建抽水井2口，回灌井4口，備用井1口。抽水井與回灌井結構相同，抽水井內各安裝潛水泵1臺，抽水量為80m3/h；回灌井內不安裝潛水泵，但具備安裝潛水泵條件（水平管線及埋地電纜敷設至井室內）；備用井安裝小功率潛水泵1臺，抽水量為50m3/h。

　　四、冷熱源系統全年運行方案

　　（一）冬季工況

　　冬季末端供暖負荷較大時，開啟1臺熱泵設備，一臺冷凍水循環泵工頻運轉，運行一口抽水井內潛水泵，滿足家具城最大供暖負荷需求。

　　冬季末端供暖負荷較小時，開啟單臺壓縮機運轉，一臺冷凍水循環泵變頻運轉，抽水井內潛水泵關閉，備用井內小功率潛水泵開啟，滿足部分負荷時供暖需求。

　�。ǘ�）夏季工況

　　夏季末端空調負荷較大時，開啟2臺熱泵設備，兩臺冷凍水循環泵工頻運轉，2口抽水井內的潛水泵同時運轉，滿足家具城最大空調負荷需求。

　　夏季末端空調負荷較小時，開啟1臺熱泵設備運轉，一臺冷凍水循環泵工頻運轉，運行一口抽水井內潛水泵；

　　如回水溫度升高，或系統負荷增大時，開啟另一臺熱泵設備的單臺壓縮機運轉，另一臺冷凍水循環泵變頻運轉，備用井內小功率潛水泵開啟運轉；

　　同理，如回水溫度降低，或系統負荷減小時，盡開啟單臺壓縮機運轉，冷凍水循環泵變頻控制，抽水井內潛水泵關閉，備用井內小功率潛水泵開啟。

　　通過調節熱泵設備、冷凍水循環泵其潛水泵的運行狀態，可使水源熱泵系統實現在25%、50%、75%及100%負荷時，既滿足負荷需求，又使得系統處在最佳運行狀態，盡量減少能源浪費，節約運行費用。

　�。ㄈ�）運行成本對比

　　根據家具城運行管理人員提供數據，2010年采用溴化鋰機組作為熱源，及2011年改造完畢后采用地下水源熱泵作為冷熱源的對比如下（表2）（表3）

　　表2家具城項目近兩年運行費用分析

　　名稱2010年（萬元）2011年（萬元）

　　冬季運行費用（120天）42.3228.83

　　夏季運行費用（120天）41.5615.23

　　人工管理費0.50.5

　　維護費用2.01.5

　　折舊費用17.615.7

　　年度運行費用合計83.8844.06

　�。�電費0.8元/kWh，天然氣2.3元/m3,人工費40元/人·日）

　　表3家具城項目近兩年運行費用分析

　　五、結語

　　家具城項目進行改造的初衷就是基于運行費用較高的考慮；設計時，在盡量節省改造費用的前提下，充分考慮到運行節能問題。對冷凍水泵進行變頻控制，備用井內安裝小功率潛水泵，以應對非峰值運行時，熱泵系統運行節能問題，可以通過控制人員對熱泵系統進行調控，使熱泵系統根據負荷狀態的變化而變化，達到在峰值及非峰值時均可以相對節能。

　　改造完成以來，運行效果滿足室內使用需求，夏季室溫最低可以達到24℃；冬季室溫最高可達26℃，同時運行費用的有效降低，達到建設方的改造目的。

　　利用熱泵開發淺層地熱能的技術和資源條件已經具備，熱泵的最高效率和高度環保更贏得世界的青睞，因此，熱泵技術和產業正在世界上得到高速發展，我國也已具備相應的發展條件，發展前景非常看好。［4］

　　根據每個項目的情況，在驗證地下水含沙量、懸浮顆粒物及礦化度等均符合要求的前提下，使用直接地下水換熱系統是可行的。

　　直接地下水換熱系統雖然不被輕易推薦使用，但相對間接地下水換熱系統，擁有系統簡單，投資少、效率高、運行費用更加低廉等明顯優勢，所以直接地下水換熱系統更容易被市場、被使用者所接受。雖然直接地下水換熱系統存在腐蝕、結垢及對管路或設備磨損等問題，但經過技術創新及實踐經驗的累積，終將對取得突破，所以我認為直接地下水換熱系統是地下水源熱泵的主導發展方向，是值得研究和嘗試的。

　　參考文獻：

　�。�1］馬最良呂岳主編，地源熱泵系統設計與應用，2007.1

　　［2］ASHRAE，地源熱泵工程技術指南徐偉等譯，2001

　�。�3］GB50366-2009地源熱泵系統工程技術規范2005

　　［4］鄭克棪淺層地熱能開發利用的世界現狀及在我國的發展前景