水源熱泵室外井水系統(tǒng)換熱計算方案

一、工程概況本項目位于市銅山新區(qū)，總建筑面積約50000平米。需解決夏季空調(diào)制冷，冬季供暖問題，本方案采用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。二、設計參數(shù)及空調(diào)冷熱負荷1、室外計算參數(shù)：（參見地區(qū)氣象參數(shù)）2、室內(nèi)設計參數(shù)：夏季:24~26℃相對濕度60%；冬季：18~20℃相對濕度30%。3、本工程空調(diào)總冷負荷為7700KW，空調(diào)總熱負荷為6800KW。三、空調(diào)系統(tǒng)主機設備選擇本項目空調(diào)制冷制熱選擇水源熱泵機組4臺，夏季四臺機組同時運行；冬季三臺機組運行，另外一臺為備用。水源熱泵機組參數(shù)：制冷量Q=2110Kw，輸入功率=271Kw，制冷能效比7.79；制熱量Q=2163Kw，輸入功率=416Kw，制熱能效比5.2。四、室外水源井設計根據(jù)制冷機組樣本數(shù)據(jù)，四臺機組在夏季最大負荷時，地下水需水量為750立方/小時。一般情況下夏季高溫季節(jié)最大負荷時間僅有十多天，大多數(shù)時間為70%負荷。根據(jù)以上情況，水井按70%負荷考慮，地下水抽取量確定為500立方/小時。夏季高峰時期采用消防水池作為混水池解決。抽水井、回灌井的布置及設計必須根據(jù)場地環(huán)境條件進行，要保證水源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定使用。抽水井設計結構如下：上部開孔為800mm，下500mm螺旋鋼管，此段長度15m左右；鉆到巖石層后孔徑改為500mm裸孔，此段長度30m左右，然后變徑為325mm裸孔，此段長度40m左右。設計降深為15～20m。抽水量約為80m3/h，靜止水位為地下10.5m，動水位平均約為地下28m?；毓嗑Y構如下：上部開孔為800mm，下500mm螺旋鋼管，此段長度15m左右；鉆到巖石層后孔徑改為500mm裸孔，此段長度50m左右。單井回灌量為50m3/h。根據(jù)計算分析及水源熱泵機組的選型，室外共需抽水井7眼，回灌井12眼，觀測井1眼。20眼井沿建筑外圍布置，抽水井間距不小于50m，回灌井間距不小30m，抽水井及回灌井間距為80—130m。夏季高溫最大負荷時采用消防水池作為混水池，一方面消防水池有蓄能功能，另一方面可采用超前回灌，先利用消防水池里的蓄水運轉機組，把機組出水回灌到回水井里，然后再開啟抽水泵，這樣可保證抽水井的水量大大提高。這樣只需提取地下水500噸，供回水溫差可考慮為15度，和取回水管道分別連通，來回循環(huán)250噸，機組進出水始終是750噸，取水回灌始終是500噸，這樣可以做到：地下水小流量、大溫差，進機組大流量、小溫差。而且，減少了打井數(shù)量，回灌難題也解決了。采用消防水池作為混水池，消防水池的水量不會消耗，消防水池內(nèi)的水是在循環(huán)，它有補充也有排放，處于一個動態(tài)平衡狀態(tài)，水溫達到排放溫度的時候，由溫度傳感器將溫度信號傳遞給安裝在水源熱泵井水管路上的電磁閥門，控制井水是回灌還是流回消防水池，當消防水池的水位降低的時候，液位計控制井水水泵的開啟。五、地下巖土年調(diào)解負荷能力及蓄熱能力計算

水源熱泵是以水作為傳熱介質(zhì)與大地土壤進行熱交換，不需要消耗地下水資源，不會對地下水質(zhì)產(chǎn)生污染。在自然形成的松散空隙地質(zhì)條件下，動力擾動自然水體與地下空隙地質(zhì)形成徑流循環(huán)來和地下巖石進行低品位能量交換。我公司依據(jù)本項目水文地質(zhì)資料及空調(diào)冷(熱)負荷需求，計算可利用的巖土底板面積對冷(熱)負荷的調(diào)解能力，以及有效地空隙蓄熱層容積，擾動地下空隙層地下潛水循環(huán)，根據(jù)空調(diào)冷(熱)負荷需求變化情況，調(diào)整變水流量控制系統(tǒng)，達到冷(熱)源變水流量節(jié)能運行。

5.1地下巖土水平/垂直傳熱年調(diào)解能力計算QN

本項目采用均布7口取水井，12口回灌井，底板有效面積利用率為75%，有效垂直面按20米考慮。依據(jù)國外近百年來對土壤能源密度的研究實驗測試，土壤能源密度約20～40W/M2，擬建場地勘察深度-16米以下為基巖，巖石層傳熱效果好，可取30W/M2。

①底板水平巖土傳熱QX1

傳熱面積：邊長L=300米，邊寬B=180米，周邊擴散系數(shù)1.2，利用率為50%，計算水平方向傳熱。水平方向傳熱：QX1=FX·ρ

式中：FX1=L·B·1.2·50%(M2)；

ρ=30(W/M2)。

QX1=(300×180×1.2×50%)×30=972000W(972KW)

②周邊垂直巖土傳熱QX2

傳熱面積：邊長L=300米，邊寬B=180米，有效厚度H=20米，周邊擴散系數(shù)1.2，利用率為50%，計算垂直方向傳熱。垂直方向傳熱：QX2=FX·ρ

式中：FX2=(L+B)·2·H·1.2·50%(M2)；

ρ=30(W/M2)。

QX2=[(300+180)×2×20×1.2×50%]×30=345600W(345.6KW)

③地下巖土夏季調(diào)解負荷能力QN底板水平巖土及周邊垂直巖土傳熱夏季對地下巖土蓄能/釋能的調(diào)解能力為：

因供冷負荷大于供熱負荷，按夏季運行時間120天考慮QN=(QX1+QX2)·24·120

QN=(972+345.6)×24×120=3794688KW

5.2地下巖土有效容積蓄能量計算QV

按試驗井數(shù)據(jù)可知，本項目場區(qū)內(nèi)可利用有效容積蓄能層賦存于-10～75米的巖層中，可利用地下巖石層容積蓄能作為大樓供冷供熱的可再生低位熱能。底板長度約300米，寬度約180米，有效巖層厚度約20米，擴散系數(shù)1.2，有效容積利用率50%。采用擾動地下水體循環(huán)與巖石層進行熱交換，經(jīng)一個周期性的蓄熱/釋熱循環(huán)擬定地下巖土溫度為：

夏季蓄熱最高巖土溫度t1=25℃；冬季釋熱最低巖土溫度t2=10℃。

計算理想狀態(tài)下地下巖石層容積蓄熱量。

容積蓄熱量公式：

QV=VV·C·Δt·50%/4.19

式中：

VV=L·B·H·1.2(M3)；C=2400(kJ/℃·M3)；

Δt=15℃；

4.19(J)=1.0(cal)。

QV=300×180×20×1.2×50%×2400×15/4.19=5567541767cal（6458348KW）

5.3地下巖土承受冷負荷系數(shù)計算δ1

空隙層巖土底板面積、蓄熱容積大小反映地下巖土綜合承載負荷能力，是否滿足周期性的蓄熱/釋熱循環(huán)，直接影響系統(tǒng)的經(jīng)濟運行性能。

承受冷負荷系數(shù)：δ1=（QN+QV）/Q+·ψ

式中：QN=3794688KW地下巖土年調(diào)解負荷能力；QV=6458348KW地下巖土有效容積蓄熱量；

Q+=7700×8×30×4.0×0.6×0.9=3991