头一次听说空调井这个名词,没经验.

就是水源热泵、地温空调方面的

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地下水水源热泵的水源问题研究
>　　薛玉伟1，李新国1，赵　军1，朱　强1，黄金秋2
（1．天津大学机械学院热能工程系，天津　300072；
2．鞍山钢铁集团房产物业公司设计研究所，辽宁　鞍山　114002）
　

　　摘　要：地下水是应用地下水水源热泵的前提。文章简单阐述了地下水温度、流量和水质对水源热泵运行效率的影响。介绍了水处理技术和回灌技术，探讨了工程中应注意“热短路”问题。
　　关键词：地下水水源热泵；地下水参数；回灌

1　地下水参数
　　地下水水源热泵是直接以地下水为热源（热汇）的热泵系统。地下水井深度一般小于等于400 m，一年四季地下水水温比较恒定，一般为12～24℃，为水源热泵机组提供较低的冷凝温度和较高的蒸发温度，使水源热泵具有较高的制冷、制热性能系数，是建筑物夏季供冷、冬季供暖的一种稳定、高效、节能、环保的冷热源设备。虽然地下水源热泵具有许多的优点，但地下水的水量、水温和水质直接影响水源热泵制热（冷）效率的高低和使用寿命。
1．1　水量问题
　　地下水流量是影响水源热泵制冷（热）效果的重要因素，水量的多少是由建筑物的冷（热）负荷、水源热泵机组效率和换热温差决定的。
　　地下水流量对热泵机组的制冷（热）量有着直接的影响。从图1可看出，制冷工况下，当冷凝器中水流量增大时，由于换热系数增大，冷凝压力降低，制冷量增加。但当水流量增大到某一数值时对换热系数影响不大，冷凝压力基本保持不变，制
冷量趋于恒定。图2的制热工况下，当蒸发器内水流量增大时，换热系数同样增大，蒸发压力增大，制热量增加。



　　地下水流量大小，间接影响水源热泵机组的COP值。如图3所示，在制冷工况下，冷凝器中水流量增加时，冷凝压力下降，使压缩机的压缩比减小，输入功率将降低，COP值增大。但当水流量增大到一定数值时，COP值增加的梯度趋缓；由图4，制热工况下，蒸发器内水流量增加时，蒸发压力也增加，导致压缩机的输入功率增加，但压缩机输入功率增加的梯度较制热量缓，则COP值增加。

注：图1、图2和图3、图4中水量，水温值为实测值，
另外实测值还包括机组输入功率；
而制冷量、制热量和相应的COP值为计算值。

1．2　地下水温
　　地下水温度是影响水源热泵效率的主要因素。季节不同，地下水温度既是地下水水源热泵的冷凝温度又是蒸发温度。夏季，地下水作为冷却水，水温越低越好；冬季，地下水作为热泵热源，温度越高越好，但蒸发温度不能过高，否则会使压缩机排气温度过高，压缩机内润滑油可能会炭化。综合考虑，地下水温度20℃左右时，水源热泵机组的制冷和制热将处于最佳工况点。
　　地下水水温是水源热泵机组COP值的制约因素。图1、图3的制冷工况下，当冷凝器的进水温度升高时，冷凝压力增大，制冷量下降，压缩机的输入功率增大，COP值下降。图2、图4的制热工况下，当蒸发器进水温度升高时，蒸发压力增大，制热量增加，但压缩机的输入功率缓慢增加，COP值增加。但当进水温度达到一定值后，进水温度对COP值的影响不大。
1．3　地下水水质
　　地下水水质直接影响地下水源热泵机组的使用寿命和制冷（热）效率。对地下水水质的基本要求是：澄清、水质稳定、不腐蚀、不滋生微生物或生物、不结垢等。地下水对水源热泵机组的有害成分有：铁、锰、钙、镁、二氧化碳、溶解氧、氯离子、酸碱度等。
　　（1）腐蚀性：溶解氧对金属的腐蚀性随金属而异。对钢铁，溶解氧含量大则腐蚀速率增加；铜在淡水中的腐蚀速率较低，但当水中氧和二氧化碳含量高时，铜的腐蚀速率增加。水中游离二氧化碳的变化，主要影响碳酸盐结垢。但在缺氧的条件下，游离的二氧化碳会引起铜和钢的腐蚀。氯离子会加剧系统管道的局部腐蚀。
　　（2）结垢：水中以正盐和碱式盐形式存在的钙、镁离子易在换热面上析出沉积，形成水垢，严重影响换热效果，即影响地下水源热泵机组的效率。
　　地下水中的Fe2＋以胶体形式存在，Fe2＋易在换热面上凝聚沉积，促使碳酸钙析出结晶，加剧水垢形成。而且，Fe2＋遇到氧气发生氧化反应，生成Fe3＋，在碱性条件下转化为呈絮状物的氢氧化铁沉积而阻塞管道，影响机组的正常运行。
　　（3）混浊度与含砂量：地下水的混浊度高会在系统中形成沉积，阻塞管道，影响正常运行。地下水的含砂量高对机组、管道和阀门造成磨损，加快钢材等的腐蚀速度，严重影响机组使用寿命。而且混浊度和含砂量高还会造成地下水回灌时含水层的阻塞，影响地下水的回灌。
　　（4）油污：来自设备安装时的油类残余物、泵与风机润滑系统泄漏的油污，会影响换热设备的换热效果，影响缓蚀剂的使用效果，减少机组的使用寿命。
　　参照国内有关冷却水用水水质标准，结合空调系统的工作特点及地下水水化学特点，提出以下地下水水质参考标准［2］，见表1。
1．4　地下水水质判断
　　地下水水质稳定性，除可进行各种试验检测外，还可根据水质分析指标通过计算进行判断，水中碳酸钙饱和pH通常以pHS表示，可经计算求得：


式中：NS---总溶解固体常数；
　　　NT----温度常数；
　　　NH---钙硬度常数；
　　　NA---总碱度常数；
　　稳定指数可简写为RSI，RSI＝2PHS-PHO，稳定指数标准[2]见表2。
式中：PHO---系统运行时地下水的实际PH值；
　　　PHS---水中碳酸钙饱和PH。

1.5　水处理
　　由于各地区地下水水质各不相同，应实测当地地下水水质，将不符合标准的地下水进行相应的水处理，物理方法有：
　　（1）除砂。地下水要经过水过滤器和除砂设备后再进入机组，目前多用漩流除砂器，也可用预沉淀池，前者初投资较高，后者较低。
　　（2）除铁。我国的地下水的含铁量一般都超过允许值，故在使用前要进行除铁。除铁的方法一直是供水工程的研究课题。曾采用曝气氧化法，但效果不够理想；现多使用除铁设备进行除铁，初投资和管理费用增加了，但效果很好。
　　（3）软化。目前，供暖空调行业多采用软化水设备除去地下水中的钙、镁离子，将水软化，达到用水标准。
　　（4）地下水也可用化学方法进行处理，俗称加药，加入缓蚀阻垢剂等化学试剂，这些化学试剂为高分子聚合物，对管道系统及机组没有其它不良影响，但加药的费用较高。
2　回　灌
　　地下水资源是有限的。对于开采的地下水应要求回灌，即将抽出的地下水，经地下水源热泵机组换热后再注入到地下，且必须是等量回灌，即抽出的水量应与回灌的水量相等，并同层回灌，以防止地面沉降和地下水源污染；同时，还可以回灌储能，达到冬季回灌蓄冷为夏季空调用，夏季回灌蓄热为冬季供暖所用。
2．1　回灌类型
　　根据实际工程的地质情况，可以采用不同的人工回灌类型：地面渗水补给、诱导补给和注水补给。注水补给是通过管井将水注入地下含水层。一般有真空回灌、无压自流回灌和加压回灌。真空回灌适用于地下水埋层较深，含水层渗透性好的情况；无压自流回灌应用于井中存在回灌水位和静水位之差，且含水层渗透性好的情况；在含水层渗透性较差，地下水位又高的水文地质条件下，则必须采用加压回灌。
2．2　防止地下水水质污染
　　为了防止地下水资源受到污染，要严格控制人工回灌水质。目前，还没有完善的国家回灌水水质标准。各地区水资源管理部门所提出的要求也各不相同。不过要坚守一个准则：回灌水的水质条件要等于甚至高于原地下水水质条件。另外，要求同层回灌，回灌井处的地质结构要有良好的覆盖层和止水层，防止回灌后各个含水层相互贯通，引起水质污染。
　　地下水源热泵主要是利用地下水的冷（热）量。而且水系统是封闭循环，对地下水水质几乎没有影响。但由于换热设备自身的要求，一般要将地下水处理后进入地下水源热泵机组。若用物理方法处理地下水，对地下水水质影响不大；而用化学方法处理地下水，则需在回灌前进行水质检测，符合标准后再回灌。
2．3　回灌井的结构与布设
　　回灌井同抽水井一样，也是由井管、滤水管、沉砂管组成。但由于回灌井要承受两个方面的水流作用和两种水质的影响。故要注意回灌井过滤网的强度和耐腐蚀能力。
　　由于水文地质条件、成井工艺、回灌方法和回灌操作程序不同。在渗透性好的含水层中，回灌井应布设在采井的上游，可以起直接补给的作用；在渗透性较差的含水层中，回灌井可均匀分布，井距密集些，达到补给效果。
　　合理的井间距对地下水源热泵非常重要，间距不能太小，否则会使抽水井与回灌井之间发生“热短路”。目前，实际工程应用不够广泛，经验值还不够精确。对渗透性较好的松散砂石层，两井间距应在100 m左右，且回灌井宜在抽水井的下游；对渗透性较差的黏土层，两井间距一般在50 m左右，不宜小于50 m。
2．4　回灌中的问题及处理
　　回灌井在回灌过程中会出现堵塞、水质变坏、出砂或回灌能力衰减等问题。为了避免在回灌中出现诸多问题，比较好的防治措施是回扬，回扬是在回灌井中开泵抽排水中堵塞物。回扬次数与回扬持续时间主要由回灌水水质、含水层结构和渗透性大小决定。
　　国家地下水资源管理中心和各城市供水节水办公室一致强调要同层回灌，为此回灌井与抽水井同深，且井的结构基本相同。一个工程中的抽水井和回灌井定期交替使用如图5。


　　当阀门A、D打开，阀门B、C关闭时，井1为抽水井，井2为回灌井；反之，井1为回灌井，井2为抽水井。阀门A、B、C、D可以为电动阀门，设置自动控制来完成阀门的交替开关；也可为手动阀门，由维护人员定期开关阀门，完成抽水井和回灌井的交替使用。
3　工程应用实例
3．1　工程概况
　　天津某地下水地源热泵工程空调面积一期1．2万m2，已运行一年多，二期1．6万m2，目前正在建设中。3口地下水井，1口生产，2口回灌，井深400 m。
3．2　成井抽水试验结果
　　井口水温23．8℃；出水量93 t／h；静水位91m；动水位109 m；单位出水量5．1 t／（h•m）；含砂量＜1／20000。
3．3　地下水水质

3．4　水处理方法
　　本工程采用漩流除砂器进行除砂，使含砂量达到标准。用软化水设备和电子处理仪对地下水进行处理，使地下水质达到使用标准。
4　结　论
　　（1）对地下水水源热泵系统，地下水源是热泵的冷热源，利用地下水的能量来完成建筑物的供暖与空调。
　　

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