北京外研社国际会议中心的浅层地热能利用

  摘要北京外研社国际会议中心的水源热泵利用浅层地热能工程经过两年的可行性论证筹划、水派钻井施工和设备安装调试后于2004年夏投人运行，经过3夏2冬的实践，制冷和供暇效果良好，提供了夏凉冬暇的舒适环境，又配合地热井的温泉休闲娱乐保健服务，经济效益巨大。浅层地热能和常规地热能的开发利用为之带来了意想不到的惊喜。
 
  1序言
 
  北京外语教学与研究出版社(简称“外研社”)为响应北京市政府治理大气污染、还北京一片蓝天的号召，拟在其国际会议中心安装新型无污染、节能、高效的水源热泵空调系统，利用就地的浅层地热能资源，解决所有建筑物冬季供暖和夏季空调制冷。该中心位于北京市大兴区芦城镇西北，占地89581. 1耐，总建筑面积101550耐，属于大型工程项目。
 
  项目自2002年春开始可行性研究，2003年中开始建设，至2004年6月完工。项目至今运行了3夏2冬，不但供暖、制冷效果良好，而且由此带来巨大的经济效益和环境效益。
 
  2历史的回顾
 
  国际会议中心原是北京外研社在大兴区芦城镇西北的一处书库，后来建起了外研社的培训基地，建了两栋培训教学楼，以及相关的教师公寓和职工、学员宿舍等建筑。当地的大环境是远郊区地广人稀的背景，培训基地搞了绿化，教学和生活环境条件不错，但如何创造更高的经济价值，尚不理想。
 
  随着大兴县提升为大兴区，大兴区在芦城设开发区，北京市的五环路修通经过，培训基地的邻近建起了天普太阳能公司等新项目，外研社策划了提高档次，将培训基地更名建设国际会议中心，开拓经营。外研社请著名设计师设计新建了会堂及其附属部分，包括保龄、桑拿、健身设施和游泳池等，也改造装饰了旧有建筑，构成整体的协调。除了这些外观的形象外，提高内在质量档次的具体工程就是利用浅层地热能的水源热泵工程和锦上添花的地热井工程。
 
  3利用浅层地热能的水源热泵工程
 
  利用浅层地热能的水源热泵工程的构成包括提供浅层地热能源的抽水井和回灌井，即地下部分，和地上部分的水源热泵机组及配套管网和控制系统。
 
3.1可行性研究
 
  根据供暖和制冷负荷要求，该项目的水源热泵需要不少于每天3600 m3供水量。在项目地点能否获得这些水量?抽出的这些水量能否全部回灌回去工程的环境影响如何?如何布井如何成井这些都是热泵工程规范要求由专业勘查队伍来完成的工作。
 
  外研社培训基地于2002年4月委托北京地热工程研究所进行该可行性研究，经过近两个月的工作，可行性论证的结论是:在当地永定河下游一级阶地上，含水层厚度不大，总厚度仅20 m，地下水埋深已达20 m以下，其上部已疏干，所幸含水层颗粒较粗，以砂砾石为主，含中粗砂层。因此，在正常情况下有2眼供水井即能达到要求的需水量，但为留有充分余地，建议钻3眼生产井;回灌井的灌量衰减经试验最大为25%，按30%考虑，布置6眼回灌井为佳。工区附近没有供水水源地，水源热泵利用当地地下水同层异井抽、灌，不会产生不良环境影响。布井可利用培训基地占地分散布置，井距可保持在100 m左右。
 
  3.2抽灌地热打井工程施工
 
  钻井施工于2003年7月16日进场，至2004年1月12日完成全部任务。为确保工程今后长期可持续运行，多考虑了一眼回灌备用井，共钻10眼井(图1)。井深40一42 m,主要利用水位以下含水的砂砾石层或卵砾层，至30余m含水层终结后，留出8m左右沉淀管空间成井。钻井口径娜00 mm，下人科26 mm井套管(上段8一12m)和滤水管(下段)，未用浅部细中砂层。钻井工程精心施工，严格填砾，认真洗井，达到水清砂净，含砂量小于1/20万，全部为优质井。
 
  当地地下水位埋深在21 m左右，抽水试验单井出水量基本在85一90 m3/h，单位涌水量绝大部分在7一24 m3/h·m，出水水温1490。抽水试验结束前取水样进行了饮用水质检验，属重碳酸钙镁水型，pH值7.5，总溶解固体0.91一0.97岁L，含偏硅酸20.5一21.8mg/ L，除总硬度485一490 mg/L(CaC03)超过饮用水标准(450 mg/L CaCO3)外其余全部符合标准，不结垢，无腐蚀性。
 
  3.3水派热泵系统安装
 
  水源热泵系统使用意大利克莱门托(CLIMAVENETA)的热泵产品，共4套机组，分置在两个操作室中，分别控制宾馆部分和康乐部分两套系统。热泵机组的型号规格如表1所列。
 
  3.4操作运行。
 
  水源热泵系统的操作运行在开启热泵机组的同时，要开动抽水井往机组送水，也要导出循环水至回灌井去回灌。在冬季供暖模式时，进人机组的地下水供出热量，温度降低后去回灌。在夏季制冷模式时，进人机组的地下水吸收热量，温度升高后去回灌。为避免回灌水在地下形成局部的冷团或热团，也为了避免回灌井长时间使用会造成堵塞，回灌井需要定期进行回扬抽水，结合这些因素综合考虑，外研社对水源热泵工程的10眼井实行轮流开闭，生产井和回灌井轮换使用。原考虑开3眼抽水井、用5一6眼回灌井可满足全部用水和回灌，但实际工程因拆分了2个热泵机房，分头运行，因此水量不能统一调配，需各自独立工作。所以实际操作情况是:初寒和末寒的供暖两处机房各开1眼抽水井，各开2眼回灌井就可以了;到严寒期则基本是各开动2眼抽水井和3眼回灌井，抽、灌井基本上1周至2周轮换一次。
 
  外研社的水源热泵系统已运行3夏2冬，每年运行约240天:冬季供暖在10月底或11月初开始，至次年3月底结束，历时约150天，比北京正常供暖期前后各延长半个月;夏季制冷在6月初开始，至8月底结束，历时约90天。
 
  3.5效果和变化
 
  据运行班报表等监测资料，因为进人水源热泵的水源充足，而且1眼生产井基本上联动2眼回灌井，回灌比较顺畅，因此系统运行相当稳定，热泵效益明显，冬夏的室温都能在21℃左右，冬季温暖舒适，夏季清凉爽快。这样舒服的环境硬件和软件条件，燕来了国际会议中心的顾客盈门。
 
  作为水源热泵，应该考虑的还有能否可持续运行的问题，其实质是当地的地温能否定期恢复。根据温度监测资料，在一年的冬季供暖开始之初(11月)，当地的地温是1490，抽人水源热泵机组的地下水被提取热量后温度降低5 - 79C，热泵的出口温度比进口温度提升2一39C，达到46℃左右，通过风机盘管向建筑物供暖;在随后的第2, 3, 4, 5个月，抽人水源热泵机组的地下水温度基本上每月降低19C，即逐月大致是139C, 129C,119C、109C，被提取热量后温度降低幅度相应逐渐减小，从5一7℃逐变为3一59C，但热泵出口温度基本不变。至休息2个月后开始夏季制冷，地温恢复至略低于1290，抽人水源热泵机组吸取热量后温度提升2 -6C，而其制造的热泵出口温度能比进口温度降低3-49C，降为6℃左右，通过风机盘管向建筑物供冷;在随后的第2, 3个月，抽入水源热泵机组的地下水温度基本上每月升高2cC，即逐月分别为1490 , 16C，但热泵机组出口温度基本保持不变。地下水温度在休息2个月至开始供暖时正好恢复为原有的14℃温度，如此完成一年的周期性变化，达到了浅层地热能的可持续开发目标。
 
  4锦上添花钻成地热井
 
  跟随京津地区近些年的“温泉热”，利用地热水操作温泉休闲、保健、娱乐、旅游、会议的经营久盛不衰，外研社在执行水源热泵项目任务时，作为锦上添花，也考虑了增加地热井开发项目。2003年夏，外研社委托北京地热工程研究所增加进行地热井钻井的可行性研究，7月可行性研究报告完成，认为在外研社具备钻成地热井的条件。外研社当机立断，立即组织地热钻井施工，井队9月26日进场，施工至次年2月6日竣工，完成了“兴热一6”井的钻井，设计钻探2600 m，实际钻井按设计钻穿了第四系、第三系、寒武系及蓟县系的铁岭组和洪水庄组总厚1747.5 m的渡盖层(虽其中包含部分含水层)，分段下人了套管并实行水泥固井，最终裸眼钻人蓟县系雾迷山组的硅质白云岩热储层，于2601. 88 m终孔成井，成井抽水的出水温度51 T，出水量1979.42 m3/do这眼地热井的温度不算高，用于供暖有困难，且已有了水源热泵供暖，因此外研社利用此井建造了温泉游泳池、桑拿和健身中心，配合水源热泵工程提供的冬夏四季舒适环境，提供休闲娱乐保健服务，使国际会议中心虽然地处五环路以外的较偏僻位置，却不断吸引着各路人群络绎前来，当然也带来了源源财路。
 
  5结论
 
  北京外研社国际会议中心的水源热泵工程取得了令开发者意想不到的惊喜。
 
  (1)经过3夏2冬的实践，利用浅层地热能的制冷和供暖效果良好，提供了夏凉冬暖的舒适环境。
 
  (2)配合建成地热井所提供的温泉休闲娱乐保健服务，进一步提升品位，常年顾客盈门，带来巨大经济效益。
 
  (3)监测资料表明，地下温度可以在年度运行中周而复始，达到可持续利用的要求。