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解决住宅供热空调需求的水源热泵系统

一.背景
  目前随着我国住宅市场化改革,新建商品住宅小区飞速发展,近三年每年住宅竣工面积近五亿平方米。随着城市环境问题的日益重视和能源结构的调整,北方地区新建小区一般就不再运行采用燃煤锅炉房供热,何种方式可以经济、清洁地解决这些新建小区的供热问题成为目前住宅建设中的大问题。另一方面,近年来我国住宅空调安装率迅速增长。上海居民住宅空调拥有率已超过60%,北京也达到34%。据报道中国城镇居民住宅平均拥有率已达20%,并且目前家用空调拥有率仍在飞速增长,很可能成为冰箱、彩电后迅速普及的又一种家电。这样,对于黄河和长江中下游地区的城市,住宅环境就不再仅仅是采暖问题,而是要统一考虑采暖和空调的需求。为此,采用深井回灌的水源热泵方式可能成为满足这种需求的住宅供热空调方式。本文介绍此种方式的基本原理,深井、水系统和末端的解决方案,以及投资与运行费用分析与比较。 二.基本原理
  这种方式在冬季是间接地利用地下水作为媒介,取地下深层砂、石的热量作为各户热泵的热源向户内供热,同时将建筑物中取得的冷量排入地下。而在夏季则通过地下水作为媒介,以它作为各户热泵的冷却水,同时将建筑物产生的热量排入地下。这样冬季从地下取热存冷,夏季取冷存热,若建筑物冬季供热量与夏季供冷量差不多,则一年内地下基本热平衡,未取出或存入热量,不会造成地下的热污染。同时,由于冬季地下水温度远比室外空气温度高,因此冬季热泵效.率比空气水热泵高,并且不存在结露等问题。夏季则以16~26℃为制冷机的冷却水,可以得到很高的COP,甚至在某些情况下可直接用此水作为冷源进行空调,而不用开启水源热泵。由于地下水通过换热器3换热后排回地下,仅仅利用了地下水的冷量(热量),而不消耗一滴水资源,地下水的整个流程都不与空气接触,因此也不会造成地下水资源的污染。
  因此,深井回灌水源热泵方式是节约能源,保护环境,节约用水,同时满足冬季供热与夏季空调要求的方式。 三.各部分技术方案
1. 对深井的要求
  由于向地下回灌比取水要困难,因此,可行的方案为打三口井,一口取水,两口回灌。同时,定期交换,使每口井都轮流工作于取水和回灌两种状态。这样相当于定?quot;洗井",可以使深井长期高效、可靠地工作。
  为保证抽取出的水温长期温度稳定,三口井间要保证足够距离。若三口井布置为如图2所示边长为100m的等边三角形,每个井取/灌水对应的地下含水层高度为20m,则可认为地下100×100×20m3砂石层为蓄热体,当温度变化4℃时可蓄存热量为:
  Q=4℃×100×100×20×(r×Cp×0.7 r水×Cp水×0.3)
取r=2500kg/m3,Cp=0.2大卡/℃·kg,则Q=520百万大卡。若冬季采暖3000小时,平均采暖负荷25大卡/m2·hr,则冬季需要供热量为7.5万大卡/m2,当热泵的COP=3,则需要从地下取出的热量为5.7万大卡/m2,520百万大卡可满足9000m2建筑面积供热要求。夏季空调2000小时,平均负荷25大卡/m2·hr,因冷却水温低,取COP=4.5,则需向地下排热6万大卡/m2,520百万大卡可满足约8500m2建筑面积空调,与可满足的供热面积大致相同。一万平米地面积服务于约9000 m2建筑,容积率为0.9,除高密度住宅区外,一般城镇的多层住宅区基本上可满足这一要求。目前的深井和泵房建设投资约1000元/m井深,三口井井深为100~200m时,投资为30~60万,相当于50~100元/m2建筑,基本接近目前各地区集中供热接入时的集资配套费。因此,只要建筑容积率小于0.9,地下水位不超过150m,这一方式在技术和经济上是可行的。 2. 水系统及水源热泵
  为了降低深井投资并节省水泵运行能耗,应尽可能减少深井回灌回路循环水量,为此就需要尽量加大此回路的供回水温差。若冬季抽出的水温为15℃,为防止结冻,回水温度取作5℃,水温温差10℃,为满足高峰负荷要求,取循环水量为5kg/m2·hr,最高供热能力可达到65大卡/m2·hr。水泵采用恒流量运行,这样随负荷变化和季节变化,供水温度逐渐下降,回水温度升高,温差也在10℃~2℃间变化。夏季抽出水温为15℃时,经换热器升温至25℃,循环水量可仍取5kg/m2·hr。

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