用于热泵空调的异井回灌系统理论计算与试验研究
利用热泵空调系统夏季运行需水量和回灌井渗流量的数学模型,计算回灌井半径,采用增大渗流面积的方法,获得较好回灌效果;由需水量计算匹配的潜水泵功率,使系统节能效果更佳;试验证明,在天津地区农村住户采用一抽一灌的异井回灌方式,效果良好。
1、前言
随着北方地区广大农民群众生活水平的提高,人们对住宅舒适性的要求也越来越高,如果简单照搬目前的城镇建设模式,完全依靠常规商品能源解决农村建筑的能源供应,将使我国建设能耗增加,给我国能源供应带来巨大问题。因此,针对农村现实条件,必须在煤、石油、天然气等能源面临枯竭、环境污染严重的前提下,寻找一种廉价且存储量丰富的绿色能源,以解决农村冬季供暧和夏季制冷的问题。浅层地热能具有储量大且再生迅速的特点,开采技术不高。浅层地热能的利用通常需要借助于热泵组成的地源热泵系统。地源热泵是一种高效、节能、环保的空调设备[1] 。我国的地源热泵技术起步较晚[2] ,其中异井循环水源热泵以其性能稳定而备受重视,但是只能适用于地下水较为丰富且水位埋深不大的地域,且抽取的水需要全部回灌。天津地区的地域条件较为适合,且村镇地区此种资源丰富,可作为建筑能源使用,达到节省常规能源保护环境的双重需要。
本文通过热泵空调系统异井回灌水循环的数学模型进行理论计算、设计不同建筑物所需回灌井的大小,探讨在天津农村地区应用水源热泵空调、解决取水量与回灌水量平衡的方法,在节能和减少初投资基础上, 使水源管井符合( GB50366 -2005)《地源热泵系统工程技术规范》的规定。
2、水文地质条件
本课题试验基地选在天津市静海县独流镇,位于子牙河、南运河与独流减河交汇处,属于海积冲积低平原,海拨小于5m,地势低平,由近代海侵层和河流冲积而成。浅层地下水为平原区孔隙水第I含水组,属于地表下第一含水组,水力特性为潜水[3] ,含水层底界深度一般在70m以内。降水入渗补给量是最主要的补给量,约占总补给量的80%以上。由于降水总量大部分消耗于蒸发和蒸腾,仅其中一小部分补给地表水和地下水。独流镇所在区域属于中等富水区,单井涌水量( 500～1000)m3 /d (5. 79～11. 57kg/ s) ;潜水水位埋藏深度约3m;地下水化学类型Cl·HCO3 - Na、(Na·Ca) ;矿化度2g/L;水温相对稳定,属于重度开采区( P < 0. 4, P =可开采量/开采量) 。因此,在此区域开发利用水资源,抽取水能否全部回灌,显得尤为重要。
本课题选择第一含水组(浅层地下水)作为热泵空调系统热交换循环的水源。
6、结语
一般情况下地井水源热泵空调,取水井与回灌井数量应不小于1∶2,但是钻井数量的增加,会使成本增加。根据天津地区单井涌水量以及理论计算和试验结果表明,在天津地区农村住户,利用浅层水资源,并保证抽取的地下水能够回灌到同一水层,避免地面沉降,采取一抽一灌的回灌方式是可行的。当回灌井(内)半径为200mm时,能满足建筑使用面积不超过300m2 的空调需水量回灌的需要。异井循环系统循环水温稳定,有利于系统运行性能。选择匹配的潜水泵功率,会使系统节能效果更佳。
参考文献
[1] 赵军,张春雷,王健,等. 地源热泵在实际工程中的应用与研究[ J ]. 天津:天津建设科技, 2003, (5) : 14- 16.
[2] 殷平. 地源热泵在中国. 现代空调(3) [M ]. 北京:中国建筑工业出版社, 2001.
[3] 天津市地质矿产局. 天津市地质环境图集[M ]. 北京:地质出版社, 2004.
[4] 马最良,吕悦. 地源热泵系统设计与应用[M ]. 北京:机械工业出版社, 2007.
[5] 蔡增基,龙天渝. 流体力学与泵风机[M ]. 北京:中国建筑工业出版社, 2002.
[6] 聂金哲. 村镇地下储能直接冷却技术研究[D ]. 天津:天津大学环境科学与工程学院, 2004.
[7] 陈洪江. 工程地质与地基基础[M ]. 武汉:武汉理工大学出版社, 2008.
[8] 牛权森,顾冬梅,许斌. 水源热泵取注水井设计方法初探[ J ]. 地下水, 2002, 24 (1) : 25227.
[ 9 ] 杨天行,傅泽周,刘金山,等. 地下水流向井的非稳定运动的原理及计算方法[M ]. 北京:地质出版社,1979.
