摘要　　本文介紹了北京工業(yè)大學(xué)進(jìn)行深井地?zé)峁┡痉豆こ添?xiàng)目和地?zé)崮芴菁?jí)利用技術(shù)研究?jī)蓚€(gè)項(xiàng)目的中試工程綜合情況。文中介紹了為本校經(jīng)管學(xué)院樓中2000平米辦公區(qū)地?zé)峁┡嬷评洌┲性嚬こ滔到y(tǒng)概況，利用深井地?zé)釙r(shí)熱泵的選擇及熱泵的COP值，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的考慮因素，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，地?zé)崂瞄_(kāi)式系統(tǒng)的運(yùn)行總效率η，地?zé)崂寐师沃g的關(guān)系等。

關(guān)鍵詞　　深井地?zé)?梯級(jí)利用 水源熱泵 建筑物采暖

一、概述
　　
　　深井地?zé)崴谑澜缟系膹V泛應(yīng)用有很長(zhǎng)的歷史。美國(guó)西部的深井地?zé)釁^(qū)，井深300-400米左右，即可開(kāi)鑿出80-90℃的地?zé)崴瑥牡叵颅h(huán)境保護(hù)的角度來(lái)考慮，美國(guó)各州有不同的政策，但總的不主張使用開(kāi)式系統(tǒng)，如果使用，嚴(yán)格要求同層回灌。法國(guó)的低焓能含水層熱水熱不溫在50℃以上，井深由幾百米至1000-2000米不等，其應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了梯級(jí)利用，并且嚴(yán)格實(shí)行"對(duì)井"制，即一個(gè)生產(chǎn)井，一個(gè)回灌井。巴黎盆地的地下水位，20年來(lái)，基本上維持水位不降，是很了不起的成就。波蘭持下含水層熱儲(chǔ)的水溫為30-130℃之間，并采用了多種利用技術(shù)。我國(guó)地?zé)崴┡休^長(zhǎng)歷史的應(yīng)必天津和塘沽地區(qū)，但其尾水溫度較高，近幾年來(lái)，天津采用先進(jìn)技術(shù)，嚴(yán)格實(shí)行"對(duì)井"制，使地下水位逐漸回升。
　　北京是世界上為數(shù)不多的，有深井地?zé)崴Y源的首都之一。過(guò)去30年來(lái)，共開(kāi)鑿了深井地?zé)崴?00口左右，130多口井在正常使用。由于多數(shù)地?zé)峋疁卦?0-60℃之間，限于合理利用的溫泉?jiǎng)e墅。很少的幾例用于地?zé)嶂苯庸┡?999年，在北京城南發(fā)現(xiàn)深度3800米處的88℃的地?zé)崴Ｉ贽k2008年奧運(yùn)會(huì)以來(lái)，北京有關(guān)部門(mén)進(jìn)行了全面的物探，發(fā)現(xiàn)了三大塊地?zé)崽铮疁剡_(dá)70-80℃，井深達(dá)3500米左右。北京的深井地?zé)崴幻磕晗陆?米，從可持續(xù)發(fā)展的角度，考慮深井地?zé)崴睦眉夹g(shù)和回灌技術(shù)至關(guān)重要。
　　
二、中試工程的建筑物及負(fù)荷特點(diǎn)
　　
　　1．建筑特點(diǎn)：該樓為原有建筑物。辦公和實(shí)驗(yàn)室部分為2000平方米的五層建筑，周圍有與之相連的兩層教室共10000平米。中間有20米高的玻璃拱頂中廳，周圍八個(gè)外門(mén)，供疏散用。由于"煙窗效應(yīng)"，冬季室外的冷風(fēng)通過(guò)常開(kāi)的東大門(mén)大量灌入室內(nèi)，致使大廳溫度6℃左右，周圍五層房間的內(nèi)墻變成了散熱的外墻。加上各辦公室單層的大玻璃窗有冷風(fēng)滲透，還限于施工時(shí)的經(jīng)濟(jì)狀況，外墻保溫作了簡(jiǎn)化處理，致使冬季室溫在13℃左右。
　　2．負(fù)荷特點(diǎn)：經(jīng)計(jì)算冬季采暖設(shè)計(jì)負(fù)荷約為120W/m²。由于是辦公樓，每日工作時(shí)間為8：00-20：00。夜間及周末或節(jié)假日，室溫只需維持10℃。熱負(fù)荷比冷熱負(fù)荷小。
　　
三、中試工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案考慮
　　
　　1．回灌水溫度和回灌水量的考慮：本校地?zé)峄毓嗑?000米，比生產(chǎn)井深400米。對(duì)于允許的回灌量，回灌溫度，對(duì)熱儲(chǔ)的影響，需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間實(shí)驗(yàn)認(rèn)定。因此，一方面要盡量使用地?zé)崴臒崮埽S持到一定的尾水溫度比如20℃以下峰值負(fù)荷時(shí)，可以嘗試短時(shí)間到10℃左右，觀察其長(zhǎng)期影響。另一方面，在非峰值負(fù)荷時(shí)，也要減少抽取地下的熱水量，不使大量熱水在較高溫度下回灌，比如：盡量避免25℃以上的水溫回灌。
　　
　　2．對(duì)地?zé)崴寐师蔚目紤]：回灌溫度直接影響到地?zé)崮艿睦寐省Ｒ驗(yàn)榈責(zé)崮艿哪芰浚壳笆且赖責(zé)崴疁囟冉抵廉?dāng)?shù)厝晔彝馄骄鶞囟茸鳛榛鶞?zhǔn)計(jì)算的。深層地?zé)崴某槌霾粌H消耗潛水泵的能量，蘊(yùn)藏著被污染的可能，還涉及未知的回灌井的工作狀況。
　　
　　3．對(duì)地?zé)崴苯永眉?jí)的考慮：本校共有地?zé)嵘a(chǎn)井兩口，生產(chǎn)井的水溫均在52℃左右，兩口井的出水量均大于或等于70m³/hr。52℃左右的地?zé)崴?jīng)過(guò)板式換熱器后，循環(huán)水可達(dá)50℃左右，直接利用級(jí)采用的是風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組，其消耗的功
率，僅為循環(huán)水泵的功率。
　　
　　4．對(duì)峰值負(fù)荷的考慮：由于北京的多數(shù)建筑，制冷負(fù)荷大于采暖負(fù)荷，可以以部分熱泵兼作為峰值熱負(fù)荷。區(qū)域鍋爐房提供的熱源，也可以做峰值熱源用。
　　
　　5．對(duì)使用熱泵的考慮：選擇水源側(cè)能耐受進(jìn)口水溫（ESWT）為30-35℃地?zé)崴臒岜茫怪哂休^高的熱力循環(huán)COP值。按照ARI-320標(biāo)準(zhǔn)，水源熱泵供熱工況下，水源側(cè)進(jìn)口水溫控為21℃，按照ARI-325標(biāo)準(zhǔn)為10℃及21℃。因此，一般廠家不提供能耐受ESWT為30-35℃的熱泵。選擇了美國(guó)ClimateMaster Inc的GSW-120型水-水熱泵。廠家建議使用中ESWT不超過(guò)35℃。后來(lái)運(yùn)行證明性能良好，特性曲線由研究提供見(jiàn)圖1，2，3，4。
　 　　　　　　　　　　　
　　 　　　　　　　　　　　　　　　　圖1　熱泵COP與水源側(cè)出水溫LSWT（℃ ）
　　 　　　　　　　　　　
　 　　　　　　　　　　 　　　　　　圖2　熱泵COP與負(fù)荷側(cè)出水溫LSWT（℃ ）
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　圖3 深井地?zé)崴磦?cè)進(jìn)水溫與制熱量關(guān)系（水源側(cè)進(jìn)水溫=32.2℃，負(fù)荷側(cè)流率1.69L/S）
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4　熱泵不源側(cè)水量與水溫降關(guān)系

四、中試工程使用的系統(tǒng)及儀表
　　
　　綜合以上考慮，本中試系統(tǒng)如圖5所示。測(cè)試使用的儀器的不確定度：見(jiàn)表一
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　1-生產(chǎn)井2-回灌井3-水處理設(shè)備4-板式換熱器
　　　　　　　　　　5，6-地?zé)嶂苯永脴O7-地?zé)嶙鳛檩o助熱源的間接利用級(jí)8-終端采暖和制冷設(shè)備
　　　　　　　　　T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7，T8，T9，T1，T11，T12，T13，T32，T39--溫度傳感器
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5 中試工程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及儀器
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　直接測(cè)試參數(shù)和計(jì)算參數(shù)的不確定度　　表一 基本參數(shù) 計(jì)算參數(shù) 水溫 水溫差 空氣溫度 水流量 輸入電功率 制熱量 熱力循環(huán)特性系數(shù) 總效率 T ΔT T W N Q COP η （℃） （℃） （℃） （m3/hr） (KW) (KW) 1 1 ±1% ±2% ±2% ±2% ±2% ±3.8% ±3.8% ±3.8%

五、運(yùn)行效果及系統(tǒng)評(píng)價(jià)
　　
　　1．運(yùn)行效果：地?zé)崴?jīng)過(guò)板換熱后，直接供暖及熱泵間接供暖的建筑物，冬暖夏涼。大廳16℃左右，溫度梯度合理。室溫由用戶自行控制，部分由計(jì)算機(jī)網(wǎng)張控制，一般在22℃左右。凡是有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制的房間，室溫都比較合理，在夜間不供暖時(shí)室溫降至12℃-16℃左右。動(dòng)態(tài)測(cè)試一個(gè)半冬季，用戶滿意。
　　
　　2．系統(tǒng)評(píng)價(jià)：
　　主要計(jì)算公式：
　　　　　　　　　COP=Q₁/N₁　　　　　　　　　　　　　 　 　（1）
　　　　　　　　　η=∑Q/∑N 　　　　　　　　　　　　　　　（2）
　　　　　　　　　ξ=（T₀₁-T₀₂）/（T₀₁-T_ave）　　　　　　　（3）
　　式中：
　　　　　　　　　∑Q = Q₁ Q₂ 　　　　　　　　　　　　　　（4）
　　　　　　　　　Q₁=W₂（T₄-T₅） 　　　　　　　　　　　　　（5）
　　　　　　　　　Q₂=W₁（T₁-T₂） 　　　　　　　　　　　　　（6）
　　　　　　　　　∑N= N₁ N₂ N₃ N₄ N_{5> N6} 　　　　　　（7）
　　
　　式中符號(hào)：

　　COP--熱泵熱力循環(huán)特性系數(shù) 　　T01--地?zé)崃黧w供水溫度（℃ ） 　　N1--熱泵輸入功率（KW） 　　T02--地?zé)崃黧w回灌水溫度（℃ ） 　　N2--潛水泵輸入功率（KW） 　　T1--熱泵水源側(cè)進(jìn)水溫度（℃ ） 　　N3--地?zé)崴艿辣幂斎牍β剩↘W） 　　T2--熱泵水源側(cè)出水溫度（℃ ） 　　N4--水源側(cè)循環(huán)水泵輸入功率（KW） 　　T4--負(fù)荷側(cè)回水溫度（℃ ） 　　N5--級(jí)負(fù)荷水泵輸入功率（KW） 　　T5--負(fù)荷側(cè)出水溫度（℃ ） 　　N6--級(jí)負(fù)荷水泵輸入功率（KW） 　　Tave--年平均空氣干球溫度（℃ ） 　　Q1--熱泵制熱量（KW） 　　W0--地?zé)崃黧w的流量（Kg/S） 　　Q2--直接利用級(jí)的散熱量（KW） 　　W1--水源側(cè)水流量（Kg/S） 　　∑Q--系統(tǒng)散熱量總和（KW） 　　W2--負(fù)荷側(cè)水流量（Kg/S） 　　∑N--系統(tǒng)輸入電功率的總和（KW） 　　ξ--地?zé)崃黧w熱能利用率 　　η--地?zé)峁┡到y(tǒng)的總效率 　

　　3 系統(tǒng)總效率η：實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示
　　地?zé)崴菜疁囟萒₀₂（℃ ）越低，系統(tǒng)總效率η越低。熱泵的COP也越低。
　　負(fù)荷側(cè)供水溫度越低，系統(tǒng)總效率η及熱泵的熱力循環(huán)總效率COP也虎高
　　
　　4 地?zé)崴疅崮芾寐师危簩?shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。不采用過(guò)大的ξ值，總效率η會(huì)有所提高。
　　　　　　
　　　　　　　　　　　圖6　不同運(yùn)行條件下總效率η與地?zé)崴毓鄿囟萒02（℃ ）之間的關(guān)系
　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　圖7　不同條件下地?zé)崴睦孟禂?shù)ξ及系統(tǒng)總效率η
　　
六 結(jié)論
　　
　　1．系統(tǒng)總效率η與地?zé)崴寐师慰梢宰鳛榈責(zé)峁┡到y(tǒng)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)之一。本系統(tǒng)的值可達(dá)5～9。相應(yīng)ξ可達(dá)0.9～0.7。
　　2．深井地?zé)崴藷幔V，水三種成分，除冬季供暖外，另外三季皆可用來(lái)供生活熱水和其他綜合利用。因此與其他源熱系統(tǒng)沒(méi)有直接可比性。