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摘要：詳細介紹了武漢香榭里花園水源熱泵空調系統的設計，并指出了抽水、回灌井設計，水源熱泵機組選用的技術要點，并結合系統實際運行情況分析了其節能和環保效益。

關鍵詞：地下水水源熱泵節能

武漢香榭里花園位于武漢市漢口香港路中段，是武漢市地稅局開發建設的職工自用住宅小區，整個小區占地17畝，東西方向長約140m，南北方向長約100m，臨街有幢70年代興建的8層住宅樓，長度約60m。小區由三幢13層的小高層住宅圍合而成，總建筑面積為40856m2,其中1號樓1單元1~7層為辦公用房，辦公用房建筑面積2856m2。小區建筑高度40M，共有住戶188戶。

本工程98年開始設計，2000年開始動工興建，2002年11月竣工投入使用，現已使用一個完整的空調制冷供暖季，使用效果良好，達到了預期的設計目的。

1．設計參數

空調室外設計參數按《采暖通風與空氣調節設計規范》（GBJ19-87，2001版）武漢地區氣象參數選取，室內設計計算參數按表1選取。根據室內外設計參數，計算出的室內空調冷負荷如下：1號樓（綜合樓）空調冷負荷1164.6Kw，熱負荷931.7Kw；2號住宅樓空調冷負荷1058.4Kw，熱負荷846.8Kw；3號住宅樓空調冷負荷1464Kw，熱負荷1171.2Kw。空調總冷負荷3687Kw，熱負荷2950Kw。

表1空調室內設計計算參數序號

名稱

夏季

冬季

溫度（℃）

相對濕度（%）

溫度（℃）

相對濕度（%）

1

辦公

26

60%

20℃

40%

2

客廳

27

65%

20℃

40%

3

餐廳

27

65%

20℃

40%

4

臥室

26

65%

20℃

40%

2．空調冷熱源

該場地位于長江一級堆積階地中部，地勢平坦，地面標高20.5m，根據場地巖土工程勘察報告和武漢地質工程勘察院2001年4月編制的“試驗井水文地質報告”可知，場地內賦存豐富的地下承壓水，開發利用條件極好，具備使用水源熱泵的條件。

2.1場地水文地質條件和主要含水層水文地質參數

場地地層為第四系全新系統沖積層，為一元結構，自上而下分布為：雜填土，深度0~1.6m；淤泥質粘土，深度1.6~14.0m；淤泥質粉砂，深度14.0~17.0m；粉細砂，深度17.0~35.0m；屬弱透水層，厚度18m；細砂，深度35.0~40.0m,主要含水層，層厚5m；含礫中粗砂，深度40.0~43.0m，礫徑一般為0.5~1.0cm，主要含水層，層厚3m；砂礫石，深度43.0~46.0m，以礫石為主，礫徑一般為1.0~5.0cm，最大達12cm，磨園度好，主要含水層，層厚3m；含礫粘土巖，深度46.0~47.0m，礫石大小混雜，以石英巖、石英砂巖為主，次為火遂石、硅質巖，為隔水層。因此，場地含水層總厚度為29m，其中主要含水層厚度為11m，分布在中下部。

2001年4月測得地下靜止水位標高為17.8m（從井口標高21.0m算起埋深3.2m），含水層頂板標高3.5m，因此，地下水的類型為承壓水，承壓水頭高度為14.3m。抽水試驗系單井抽水試驗，當用QJ-5/24型深井潛水泵抽出水量1200m3/d時，5分鐘后地下水位基本穩定于標高14.7m處，水位下降值3.1m，水位穩定時間24小時。經過計算，水文地質參數為：滲透系數K值為14.55m/d，影響半徑尺值為118.33m。

地下水為無色、無味、無肉眼可見物，實測水溫為18.5℃，經水質分析，地下水水化學類型屬重碳酸鈣型水，PH值為7.2，總礦化度980.75mg/l，總硬度535.12mg/l，屬中等礦化極硬水?？傝F（Fe）含量為16mg/l，其中Fe2+含量為15.8mg/l，Mn含量為0.44mg./l，CL-含量為84.72mg/l。不經過專門處理，不適宜飲用和生活洗滌用。

2.2抽水井和回灌井設計

抽水井、回灌井的布置及設計必須根據場地環境條件進行，在保證水源熱泵空調系統地下水長期穩定使用的前提下，又不致造成地下水利用期間地質災害的出現。經過計算機和水源冷熱水空調機組的選型，地下水開采量必須達到滿足高峰空調負荷的3000m3/d。根據此用水量和試驗井抽水試驗數據，抽水井設計為三口，每口井水量1000m3/d,三口井三角形布設，間距80~120m，回灌井五口，每口井回灌水量600m3/d，總回灌水量3000m3/d，五口井呈梅花形布置，井間距最小大于40m。當三口抽水井與五口回灌井同時工作時，即抽取的地下水經水源熱泵機組利用后全部回灌入五口回灌井時，經電子計算機專用程序計算后，并繪制出抽水井和回灌井同時工作狀態下水位等值線圖顯示，場地東側基本沒有變化（變化小于0.5m），場地南側地下水水位有不到1.0m的沉降，大部分場地的地面沉降均小于0.5cm，只有場地南側地面沉降有1.0cm。大部分場地（包括原有8層住宅樓）不均勻沉降小于0.2‰，不會產生不良地質現象或影響建筑物的正常使用。地下水的開采與回灌設計由武漢地質工程勘察院進行，并由湖北省深基坑工程咨詢審查專家委員會進行了咨詢審查，設計方案得到了確認和通過。

抽水井的井結構為：井孔深度47.0m，孔徑500mm，井管直徑273mm，井管為壁厚8.0mm的無縫鋼管，管與管采用對口焊接，井管下置深度47.0m，自上而下0~23.0m為實管，23.0~46.0m為過濾管，46.0~47.0m為沉淀管。井管與井孔均必須圓直，井管下入井孔時，井管必須有找中器，管底必須用鋼板焊死，井孔與井管間從下而上回填標準礫砂（粒徑2~3mm）至深度18.0m處，再用干粘土球填至地面。采用包網填礫過濾器，過濾管在深度23.0m處與實管連接，過濾管表面由梅花形孔眼排列而成，過濾管表面必須均勻地焊縱向墊筋17根，墊筋外面用3層60目尼龍網扎牢（取水時要求地下水含砂量小于二十萬分之一）抽水井施工完畢后必須洗井直至水清砂凈，方可用水泵進行抽水，每口井均必須經過抽水試驗和試運行，方可正式投入使用。

回灌井的井結構為：井孔深度47.0m，孔徑500mm，井管直徑273mm，井管為壁厚8.0mm的無縫鋼管，管與管間采用對口焊接，井管下置深度47.0m。井管從孔口算起0~34.0m為實管，34.0~6.0m為回灌過濾管，46.0~47.0為沉淀管，沉淀管底部用鋼板焊死。井管與井孔間從下而上，回填標準礫砂（粒徑2~5mm）到深度21.0m處，兩用干粘土球填至深度10.0m處，最后用水下澆注法將水灰比為0.45的純水泥漿澆注至孔口。采用纏絲包網填礫過濾管，過濾管在深度34.0m處與實管連接。過濾管的孔眼排列，孔徑數量和孔隙率與抽水井的過濾管相同。過濾管表面焊接縱向墊筋的直徑、材料、數量也與抽水井的過濾管相同，回灌井施工完畢后必須立即洗井，直至水清砂凈，接著進行回灌水試驗和試運行，并提出相應資料，方可投入使用。

為保證隨時掌握地下水的使用和變化情況，還應該設置專門的水位觀測井或利用抽水井與回灌井進行水位觀測。抽水井與回灌井的科學設計和合理分布直接影響到水源熱泵空調系統的長期穩定運行，必須找有資質的專業水文地質部門進行設計，鑿井施工也必須嚴格按《供水管井設計施工及驗收規范》（GJJ10-86）執行，以確保成井的質量。

2.3水源冷熱水機組選用

地下水在夏季和冬季的實際需要量，與空調系統選擇的水源冷熱水機組性能、地下水溫度、建筑物內循環溫度和冷熱負荷以及熱交換器的型式、水泵能耗等有密切關系。電腦軟件選型分析及實際工程使用結果表明地下水使用溫差較大時，水源冷熱水機組的能效比較高，地下水的使用量較小，其配套井水泵的功率也較小。因此，在實際選用水源熱泵系統時，應盡可能加大地下水的使用溫差，減少地下水用量，這對提高水源熱泵系統的能效比和減少地下水量的開采，保護水資源都是極為重要的，如此合理高效地利用地下水資源才能產生最好的節能環保效益。經過多方技術論證，設計中最后選用意大利克萊門特公司生產的BE/SRHH/D2702型水—水螺桿冷熱水機組3臺，因地下水氯離子含量偏高（84.72mg/l），為防止水源冷熱水機組被腐蝕和泥沙堵塞，地下水抽取后先進入板式換熱器，設計中選用的板式換熱器為阿法拉伐公司的M15-EFG8型板式換熱器。板式換熱器采用小溫差（對數溫差2K）設計，制冷時地下水進/出口溫度為18/32℃，進入機組溫度為20/34℃；制熱時，地下水進/出口溫度為18/10℃，進入機組溫度為16/8℃，每臺機組地下水冬夏季的使用量均為80m3/h。采用板式熱交換器間接換熱，水源冷熱水機組的能效比約降低5%左右，但能保護機組穩定正常運行，提高機組的使用壽命。

3．空調系統形式

水源熱泵空調系統水環路的設計與常規冷水機組水系統的設計略有差異，必須根據各生產廠家的技術要求進行考慮。用戶側及地下水側空調循環水泵與水源冷熱水機組均采用先并后串的方式，循環水泵既可與冷熱水機組實現“一對一”供水，又可互相調節互為備用。對于水源冷熱水機組來說其實現夏冬季節制冷供暖的轉換，是通過水路系統閥門的轉換來進行的，夏季用戶側通過蒸發器回路供應冷凍水，冬季用戶側則通過冷凝器回路供應供暖熱水。因此夏冬季節水環路轉換閥最好采用調節靈活、性能可靠的電動閥，采用普通蝶閥時也一定要采用關斷靈活、密閉性好的閥門。地下水井抽水泵可采用深井潛水泵，潛水泵下放深度應在動水位之下5m處，安裝要平穩，泵體要居中。一般依據井管內徑、流量和揚程要求，根據生產廠家提供的樣本選配合適的水泵，再根據所需電功率選擇電機及配套電纜。潛水泵的揚程應包括井內動水位至機房地面高度，管道及板式換熱器阻力，水泵管道阻力及回灌余壓。地下水回灌管道設計應根據各回灌井的距離進行阻力平衡計算，以保證各灌井流量的均衡。

空調室外水環路和室內立管均采用機械密閉同程式系統，每個戶型由上至下均設有空調供回水管井，下供上回，戶內空調水管路為異程式。每戶供水管上設有分戶計量裝置，回水管上設有流量平衡閥。戶內空調末端設備均為臥式暗裝風機盤管，根據裝修布置情況頂送頂回或側送底回。風機盤管及戶內連接水管的布置均根據戶型設置情況盡量利用走道、進門過道，衛生間、廚房等對房間使用功能影響較小的位置，做到隱蔽、美觀并與室內裝修融為一體。空調室內供回水管保溫采用難燃橡塑管套，室外空調供回水水管采用聚氨脂現場發泡保溫直埋管，并作五層防水防腐保護層和玻璃鋼護殼，穿越馬路的直埋管增設鋼套管，并保證埋設深度在1m以上。

4．空調自控及減振

克萊門特水源冷熱水機組采用CVM300電腦微處理器，功能齊全，可自動調溫，調節流量、故障報警、記錄及自診斷功能，可進行聯網監控，實現無人值守。多機控制系統除具備單機自動化配置及功能外，還具備顯示多機組運行情況，根據回水溫度電腦自動判斷空調系統是部分機組運行還是全部機組運行。機組根據負荷側回水溫度進行邏輯計算，控制機組的運行狀態及啟停機，每臺機組采用無級能量調節實現機組的高效節能運行。機組還具備控制多臺壓縮機的均衡運行功能，能控制調整每臺壓縮機的運行時間，確保壓縮機的長期高效運行。

水源冷熱水機組壓縮機的下面設置彈簧減振器，減振效率在85%以上，即振動傳遞率小于0.15，降低了機組的振動及系統的振動，從而降低了機組的運行噪聲?？照{水泵、機組進出口均采用橡膠接頭軟性連接，冷水機房內的空調水管均采用減振支吊架，避免因機組、水泵及管徑系統的振動而產生的噪聲。

5．設計總結

香榭里花園水源熱泵空調系統于2002年11月竣工投入使用，經過系統調試和一個完整的空調制冷供暖季運行檢驗，空調使用效果良好，達到了預期的設計目的。對今年6、7月份中央空調用電的運行記錄進行分析，可以看到6月份日均用電量為4970Kw，按小區建筑面積40856m2計算，每平方米建筑面積空調耗電0.122Kw/d，電費支出0.064元/d；7月份因連續高溫日均用電量略有上升，達到6342Kw，每平方米建筑面積空調耗電0.155Kw/d，電費支出0.082元/d。以戶均面積200m2計，一戶日均空調電費支出為12.8元，月支出為384元，相當于一臺2匹空調的費用支出，可以看出其運行費用是很低的，既低于常規冷水機組中央空調系統，更低于戶式中央空調系統。進一步的分析可以看到，水源熱泵中央空調系統運行費用之所以如此低廉，除水源熱泵空調系統較常規冷水機組中央空調系統能源利用效率高，中央空調系統在大面積居住小區中使用較戶式中央空調具有更大的負荷調節性和節能性，居住小區面積越大其用戶空調的同時使用率就越低，其負荷的參差性就越大，中央空調系統滿負荷運行的時間就越短，其優越性和節能性就越顯著。按以上6、7月份的運行數據折算，6月份的中央空調系統每天滿負荷運行時間為5.24小時，7月份的每天滿負荷運行時間也僅為6.68小時，遠低于戶式中央空調系統和分體式空調器的滿負荷運行時間。

香榭里花園中央空調系統設計時，風機盤管采用了電動二通閥的變流量系統，熱泵機組主機供回水總管上設壓差旁通控制。因住宅小區空調同時使用率較低，其節能效果應是非常顯著的，遺憾的是其主在后期因為控制整個投資成本，而砍掉了電動二通閥的節能控制系統，否則此中央空調系統節能效果應更優于現在的實際運行情況。另外，從實際運行情況來看，空調水泵的能耗占到系統總能耗的32%以上，因為住宅的同時使用率較低，空調負荷的變動性較大，通過空調水泵的聯控和變頻改造以適應空調負荷的變化，降低空調水泵的運行費用，其節能效果也將是較為可觀的。

由此可見，在住宅小區中采用水源熱泵中央空調系統在有可長期利用的地下水源的條件下是確實值得大力推廣的，其節能環保效益是顯而易見的，在解決了投融資及物業管理的問題后，其給住戶帶來的舒適的中央空調系統和合理的運行費用及給開發商帶來的良好經濟效益和超卓的樓盤形象，都將會是不言而喻的。

參考文獻

1．陳焰華等，武漢地區水源熱泵系統應用前景分析，暖通空調新技術，第4輯，2002

2．陳焰華等，住宅建筑的中央空調系統設計，建筑熱能通風空調，2002，2

3．武漢地質工程勘察院，武漢市地稅局漢口香榭里花園小區地溫（水源）中央空調地下水開采與回灌設計，2001

4．徐偉等譯，地源熱泵工程技術指南，北京：中國建筑工業出版社，2001