潘小平
（北京地熱工程研究所）
摘要 北京外研社國際會議中心的水源熱泵利用淺層地熱能工程經過兩年的可行性論證籌劃、水源鉆井施工和設備安裝調試後於2004年夏投入運行，經過3夏2冬的實踐，制冷和供暖效果良好，提供了夏涼冬暖的舒適環境，又配合地熱井的溫泉休閑娛樂保健服務，經濟效益巨大。淺層地熱能和常規地熱能的開發利用為之帶來了意想不到的驚喜。
1 序言
北京外語教學與研究出版社（簡稱“外研社”）為響應北京市政府治理大氣汙染、還北京壹片藍天的號召，擬在其國際會議中心安裝新型無汙染、節能、高效的水源熱泵空調系統，利用就地的淺層地熱能資源，解決所有建築物冬季供暖和夏季空調制冷。該中心位於北京市大興區蘆城鎮西北，占地89581.1m2，總建築面積101550m2，屬於大型工程項目。項目自2002年春開始可行性研究，2003年中開始建設，至2004年6月完工。項目至今運行了3夏2冬，不但供暖、制冷效果良好，而且由此帶來巨大的經濟效益和環境效益。
2 歷史的回顧
國際會議中心原是北京外研社在大興區蘆城鎮西北的壹處書庫，後來建起了外研社的培訓基地，建了兩棟培訓教學樓，以及相關的教師公寓和職工、學員宿舍等建築。當地的大環境是遠郊區地廣人稀的背景，培訓基地搞了綠化，教學和生活環境條件不錯，但如何創造更高的經濟價值，尚不理想。
隨著大興縣提升為大興區，大興區在蘆城設開發區，北京市的五環路修通經過，培訓基地的鄰近建起了天普太陽能公司等新項目，外研社策劃了提高檔次，將培訓基地更名建設國際會議中心，開拓經營。外研社請著名設計師設計新建了會堂及其附屬部分，包括保齡、桑拿、健身設施和遊泳池等，也改造裝飾了舊有建築，構成整體的協調。除了這些外觀的形象外，提高內在質量檔次的具體工程就是利用淺層地熱能的水源熱泵工程和錦上添花的地熱井工程。
3 利用淺層地熱能的水源熱泵工程
利用淺層地熱能的水源熱泵工程的構成包括提供淺層地熱能源的抽水井和回灌井，即地下部分，和地上部分的水源熱泵機組及配套管網和控制系統。
3.1 可行性研究
根據供暖和制冷負荷要求，該項目的水源熱泵需要不少於每天3600m3供水量。在項目地點能否獲得這些水量？抽出的這些水量能否全部回灌回去？工程的環境影響如何？如何布井？如何成井？這些都是熱泵工程規範要求由專業勘查隊伍來完成的工作。
外研社培訓基地於2002年4月委托北京地熱工程研究所進行該可行性研究，經過近兩個月的工作，可行性論證的結論是：在當地永定河下遊壹級階地上，含水層厚度不大，總厚度僅20m，地下水埋深已達20m以下，其上部已疏幹，所幸含水層顆粒較粗，以砂礫石為主，含中粗砂層。因此，在正常情況下有2眼供水井即能達到要求的需水量，但為留有充分余地，建議鉆3眼生產井；回灌井的灌量衰減經試驗最大為25%，按30%考慮，布置6眼回灌井為佳。工區附近沒有供水水源地，水源熱泵利用當地地下水同層異井抽、灌，不會產生不良環境影響。布井可利用培訓基地占地分散布置，井距可保持在100m左右。
3.2 抽灌井工程施工
鉆井施工於2003年7月16日進場，至2004年1月12日完成全部任務。為確保工程今後長期可持續運行，多考慮了壹眼回灌備用井，***鉆10眼井（圖1）。井深40～42m，主要利用水位以下含水的砂礫石層或卵礫層，至30余m含水層終結後，留出8m左右沈澱管空間成井。鉆井口徑?800mm，下入?426mm井套管（上段8～12m）和濾水管（下段），未用淺部細中砂層。鉆井工程精心施工，嚴格填礫，認真洗井，達到水清砂凈，含砂量小於1/20萬，全部為優質井。
圖1 水源熱泵系統抽水、回灌線路示意圖
當地地下水位埋深在21m左右，抽水試驗單井出水量基本在85～90m3/h，單位湧水量絕大部分在7～24m3/h·m，出水水溫14℃。抽水試驗結束前取水樣進行了飲用水質檢驗，屬重碳酸鈣鎂水型，pH值7.5，總溶解固體0.91～0.97 g/L，含偏矽酸20.5～21.8mg/L，除總硬度485～490mg/L（CaCO3）超過飲用水標準（450mg/L CaCO3）外其余全部符合標準，不結垢，無腐蝕性。
3.3 水源熱泵系統安裝
水源熱泵系統使用意大利克萊門托（CLIMAVENETA）的熱泵產品，***4套機組，分置在兩個操作室中，分別控制賓館部分和康樂部分兩套系統。熱泵機組的型號規格如表1所列。
表1 克萊門托熱泵機組的型號規格（運行工質R22）
3.4 操作運行
水源熱泵系統的操作運行在開啟熱泵機組的同時，要開動抽水井往機組送水，也要導出循環水至回灌井去回灌。在冬季供暖模式時，進入機組的地下水供出熱量，溫度降低後去回灌。在夏季制冷模式時，進入機組的地下水吸收熱量，溫度升高後去回灌。為避免回灌水在地下形成局部的冷團或熱團，也為了避免回灌井長時間使用會造成堵塞，回灌井需要定期進行回揚抽水，結合這些因素綜合考慮，外研社對水源熱泵工程的10眼井實行輪流開閉，生產井和回灌井輪換使用。原考慮開3眼抽水井、用5～6眼回灌井可滿足全部用水和回灌，但實際工程因拆分了2個熱泵機房，分頭運行，因此水量不能統壹調配，需各自獨立工作。所以實際操作情況是：初寒和末寒的供暖兩處機房各開1眼抽水井，各開2眼回灌井就可以了；到嚴寒期則基本是各開動2眼抽水井和3眼回灌井，抽、灌井基本上1周至2周輪換壹次。
外研社的水源熱泵系統已運行3夏2冬，每年運行約240天：冬季供暖在10月底或11月初開始，至次年3月底結束，歷時約150天，比北京正常供暖期前後各延長半個月；夏季制冷在6月初開始，至8月底結束，歷時約90天。
3.5 效果和變化
據運行班報表等監測資料，因為進入水源熱泵的水源充足，而且1眼生產井基本上聯動2眼回灌井，回灌比較順暢，因此系統運行相當穩定，熱泵效益明顯，冬夏的室溫都能在21℃左右，冬季溫暖舒適，夏季清涼爽快。這樣舒服的環境硬件和軟件條件，贏來了國際會議中心的顧客盈門。
作為水源熱泵，應該考慮的還有能否可持續運行的問題，其實質是當地的地溫能否定期恢復。根據溫度監測資料，在壹年的冬季供暖開始之初（11月），當地的地溫是14℃，抽入水源熱泵機組的地下水被提取熱量後溫度降低5～7℃，熱泵的出口溫度比進口溫度提升2～3℃，達到46℃左右，通過風機盤管向建築物供暖；在隨後的第2、3、4、5個月，抽入水源熱泵機組的地下水溫度基本上每月降低1℃，即逐月大致是13℃、12℃、11℃、10℃，被提取熱量後溫度降低幅度相應逐漸減小，從5～7℃逐變為3～5℃，但熱泵出口溫度基本不變。至休息2個月後開始夏季制冷，地溫恢復至略低於12℃，抽入水源熱泵機組吸取熱量後溫度提升2～6℃，而其制造的熱泵出口溫度能比進口溫度降低3～4℃，降為6℃左右，通過風機盤管向建築物供冷；在隨後的第2、3個月，抽入水源熱泵機組的地下水溫度基本上每月升高2℃，即逐月分別為14℃、16℃，但熱泵機組出口溫度基本保持不變。地下水溫度在休息2個月至開始供暖時正好恢復為原有的14℃溫度，如此完成壹年的周期性變化，達到了淺層地熱能的可持續開發目標。
4 錦上添花鉆成地熱井
跟隨京津地區近些年的“溫泉熱”，利用地熱水操作溫泉休閑、保健、娛樂、旅遊、會議的經營久盛不衰，外研社在執行水源熱泵項目任務時，作為錦上添花，也考慮了增加地熱井開發項目。2003年夏，外研社委托北京地熱工程研究所增加進行地熱井鉆井的可行性研究，7月可行性研究報告完成，認為在外研社具備鉆成地熱井的條件。外研社當機立斷，立即組織地熱井施工，井隊9月26 日進場，施工至次年2月6 日竣工，完成了“興熱－6”井的鉆井，設計鉆探2600m，實際鉆井按設計鉆穿了第四系、第三系、寒武系及薊縣系的鐵嶺組和洪水莊組總厚1747.5m的覆蓋層（雖其中包含部分含水層），分段下入了套管並實行水泥固井，最終裸眼鉆入薊縣系霧迷山組的矽質白雲巖熱儲層，於2601.88m終孔成井，成井抽水的出水溫度51℃，出水量1979.42m3/d。
這眼地熱井的溫度不算高，用於供暖有困難，且已有了水源熱泵供暖，因此外研社利用此井建造了溫泉遊泳池、桑拿和健身中心，配合水源熱泵工程提供的冬夏四季舒適環境，提供休閑娛樂保健服務，使國際會議中心雖然地處五環路以外的較偏僻位置，卻不斷吸引著各路人群絡繹前來，當然也帶來了源源財路。
5 結論
北京外研社國際會議中心的水源熱泵工程取得了令開發者意想不到的驚喜。
（1）經過3夏2冬的實踐，利用淺層地熱能的制冷和供暖效果良好，提供了夏涼冬暖的舒適環境。
（2）配合建成地熱井所提供的溫泉休閑娛樂保健服務，進壹步提升品位，常年顧客盈門，帶來巨大經濟效益。
（3）監測資料表明，地下溫度可以在年度運行中周而復始，達到可持續利用的要求。