水源熱泵摘要：水源是應用水源熱泵的前提。文中闡述了影響水源熱泵運行工效的水源系統(tǒng)的水量、水溫、水質和供水穩(wěn)定性等因素。介紹了各類水源、取水構筑物、水處理技術、回灌技術，指出了水源方案設計和施工中應注意的一些問題。

關鍵詞：水源熱泵運行工效取水回灌

清華同方人工環(huán)境設備公司今年向市場投放了節(jié)能、環(huán)保型新產品-GHP型水源中央空調系統(tǒng)。國內其它廠家也有類似產品面市，如"節(jié)能冷暖機"、"地溫冷暖機"，"地溫空調"，"地溫熱泵"等。名稱雖然各異，但基本同屬熱泵類產品。熱泵能有效利用空氣、水體和土壤中蘊藏的低溫位熱能。水源熱泵系統(tǒng)是21世紀能源利用的**方式之一。適合、可靠的水源是有效應用水源熱泵的前提，推廣利用水源熱泵技術時，應注意解決好相關的水源問題。

1、水源熱泵工作原理及其系統(tǒng)構成

"熱泵"這一術語是借鑒"水泵"一詞得來。在自然環(huán)境中，水往低處流動，熱向低溫位傳遞。水泵將水從低處泵送到高處利用。而熱泵可將低溫位熱能"泵送"（交換傳遞）到高溫位提供利用。在我國《暖通空調術語標準（GB50155-92）》中，對"熱泵"的解釋是"能實現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器功能轉換的制冷機"；在《新國際制冷詞典（NewInternationalDictionaryofRefrigeration）》中，對"熱泵"的解釋是"以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統(tǒng)"?？梢?，熱泵在本質上是與制冷機相同的，只是運行工況不同。其工作原理是，由電能驅動壓縮機，使工質（如R22）循環(huán)運動反復發(fā)生物理相變過程，分別在蒸發(fā)器中氣化吸熱、在冷凝器中液化放熱，使熱量不斷得到交換傳遞，并通過閥門切換使機組實現(xiàn)制熱（或制冷）功能。在此過程中，熱泵的壓縮機需要一定量的高位電能驅動，其蒸發(fā)器吸收的是低位熱能，但熱泵輸出的熱量是可利用的高位熱能，在數(shù)量上是其所消耗的高位熱能和所吸收低位熱能的總和。熱泵輸出功率與輸入功率之比稱為熱泵性能系數(shù)，即COP值（CoefficientofPerformance）。熱泵有多種，以水作為熱源和供熱介質的熱泵稱為水源熱泵。水源熱泵性能系數(shù)（即COP值）高于空氣源熱泵，系統(tǒng)運行性能穩(wěn)定。

水源熱泵工程是一項系統(tǒng)工程，一般由水源系統(tǒng)、水源熱泵機房系統(tǒng)和末端散熱系統(tǒng)三部分組成。其中，水源系統(tǒng)包括水源、取水構筑物、輸水管網(wǎng)和水處理設備等。

2、水源熱泵對水源系統(tǒng)的要求

水源系統(tǒng)的水量、水溫、水質和供水穩(wěn)定性是影響水源熱泵系統(tǒng)運行效果的重要因素。應用水源熱泵時，對水源系統(tǒng)的原則要求是：水量充足，水溫適度，水質適宜，供水穩(wěn)定。具體說，水源的水量，應當充足夠用，能滿足用戶制熱負荷或制冷負荷的需要。如水量不足，機組的制熱量和制冷量將隨之減少，達不到用戶要求。水源的水溫應適度，適合機組運行工況要求。例如，清華同方GHP型水源中央空調系統(tǒng)在制熱運行工況時，水源水溫應為12-22℃；在制冷運行工況時，水源水溫應為18-30℃。水源的水質，應適宜于系統(tǒng)機組、管道和閥門的材質，不至于產生嚴重的腐蝕損壞。水源系統(tǒng)供水保證率要高，供水功能具有長期可靠性，能保證水源熱泵中央空調系統(tǒng)長期和穩(wěn)定運行。

3、水源

原則上講，凡是水量、水溫能夠滿足用戶制熱負荷或制冷復荷的需要，水質對機組設備不產生腐蝕損壞的任何水源都可作為水源熱泵系統(tǒng)利用的水源，既可以是再生水源，也可以是自然水源。

3.1再生水源

是指人工利用后排放但經(jīng)過處理的城市生活污水、工業(yè)廢水、礦山廢水、油田廢水和熱電廠冷卻水等水源，有條件利用再生水源的用戶，變廢為利，可減少初投資，節(jié)約水資源。但對大多數(shù)用戶來說，可供選擇的是自然界中的水源。

3.2自然界中的水源

自然界中的水分布于大氣圈、地球表面和地殼巖石中，分別稱之為大氣水、地表水和地下水。陸地上的地表水和地下水均來自于大氣降水。

地表水中的海水約占自然界水總儲量的96.5%。濱海城市有條件利用海水，國外有應用海水作熱泵水源的實例。我國一些沿海城市利用海水作工業(yè)冷卻水源已有多年歷史。近年，國內有用海水作熱泵水源的研究，但海水水源熱泵技術的實用化尚待時日。陸地上的地表水，即江、河、湖、水庫水比海水和地下水礦化度低，但含泥沙等固體顆粒物、膠質懸浮物及藻類等有機物較多，含砂量和渾濁度較高，須經(jīng)必要處理方可作熱泵水源。

地下水是指埋藏和運移在地表以下含水層中的的水體。地下水分布廣泛，水質比地表水好，水溫隨氣候變化比地表水小，是水源中央空調可以利用的較為理想的水源。

3.3水量與水源的選擇

水量是影響水源熱泵系統(tǒng)工作效果的關鍵因素，一項工程所需水量多少由該工程負荷與機組性能確定，所選擇的水源水量應滿足負荷要求。如果其他各種條件均具備，但水量略有不足，其缺口可采取一定輔助彌補措施解決。如水量缺口較大，不能滿足負荷要求，就應考慮其他方案。就某項具體工程而言，應從實際情況出發(fā)，判斷是否具備可利用的水源。不同工程的場地環(huán)境和水文地質條件千差萬別，可利用的水源各不相同，應因地制宜地選擇適用水源。當有不同水源可供選擇時，應通過技術經(jīng)濟分析比較，擇優(yōu)確定。

4、水質

自然界中的水處于無休止循環(huán)運動中，不斷與大氣、土壤和巖石等環(huán)境介質接觸、互相作用，使其具有復雜的化學成分、化學性質和物理性質。應用水源熱泵時，除應關心水源水量外，還應關注水的溫度、化學成分、渾濁度、硬度、礦化度和腐蝕性等因素。但是，目前對水源熱泵所用水源的水質尚無有關規(guī)定，本文所提數(shù)據(jù)參考了冷卻水水質標準和某些地下水回灌水質的有關規(guī)定。

4.1溫度

地表水水溫隨季節(jié)、緯度和高程不同而變化。長江以北和高原地區(qū)，冬季地表水結冰，無法利用于制熱供暖。夏季水溫一般低于30℃，可用于制冷空調。

地下水水溫隨自然地理環(huán)境、地質條件及循環(huán)深度不同而變化。近地表處為變溫帶，變溫帶之下的一定深度為恒溫帶，地下水溫不受太陽輻射影響。不同緯度地區(qū)的恒溫帶深度不同，水溫范圍10-22℃。恒溫帶向下，地下水溫隨深度增加而升高，升高多少取決于不同地域和不同巖性的地熱增溫率。地殼平均地熱增溫率為2.5℃/100m，大于這一數(shù)值為地熱異常。富含地下水的地熱異常區(qū)可形成地熱田。據(jù)1997年統(tǒng)計數(shù)字，全國已發(fā)現(xiàn)地熱點3200多處，開發(fā)利用130處地熱田，年開采地熱水3.45億m3。目前，許多地熱用戶排放棄水溫度較高（約40℃）。應用水源熱泵可使棄水中的30℃溫差得到再利用，大大提高地熱能利用率。

4.2含砂量與渾濁度

有些水源含有泥沙、有機物與膠體懸浮物，使水變得渾濁。水源含砂量高對機組和管閥會造成磨損。含砂量和渾濁度高的水用于地下水回灌會造成含水層堵塞。用于水源熱泵系統(tǒng)的水源，含砂量應＜1/20萬，渾濁度＜20毫克/升。如果水源熱泵系統(tǒng)中裝有板式換熱器，水源水中固體顆粒物的粒徑應＜0.5毫米。

4.3水的化學成分及其化學性質

自然界水中溶有不同離子、分子、化合物和氣體，使得水具有有酸堿度、硬度、礦化度和腐蝕性等化學性質，對機組材質有一定影響。

酸堿度水的pH值小于7時，呈酸性，反之呈堿性。水源熱泵的水源pH值應為6.5-8.5。

硬度水中Ca2+、Mg2+總量稱為總硬度。硬度大，易生垢。水源熱泵水源水中的CaO含量應＜200mg/L。

礦化度單位容積水中所含各種離子、分子、化合物的總量稱為總礦化度，用于水源熱泵系統(tǒng)的水源水礦化度應＜3g/L。

腐蝕性水中Cl-、游離CO2等都具腐蝕性，溶解氧的存在加大了對金屬管道的腐蝕破壞作用。應用水源熱泵系統(tǒng)時，對腐蝕性、硬度高的水源，應在系統(tǒng)中加裝抗腐蝕的不銹鋼換熱器或鈦板換熱器。

5、取水構筑物

從水源地向水源熱泵機房供水，需建取水構筑物。依據(jù)水源不同，取水構筑物可分為地表水取水構筑物和地下水取水構筑物兩類。

5.1地表水取水構筑物

按結構形式地表水取水構筑物可分為活動式和固定式兩種。活動式地表水取水構筑物有浮船式和活動纜車式。較常用的是固定式地表水取水構筑物，其種類較多，但一般都包括進水口、導水管（或水平集水管）和集水井，地表水取水構筑物受水源流量、流速、水位影響較大，施工較復雜，要針對具體情況選擇施工方案。

5.2地下水取水構筑物

地下水取水構筑物有管井、大口井、結合井、輻射井和滲渠等類型，表1列出了地下水取水構筑物的型式及適用范圍[1]。在實際工程中，應根據(jù)地下水埋深、含水層厚度、出水量大小、技術經(jīng)濟條件不同選取不同形式。

5.3管井

地下水取水構筑物中最常見的型式是管井，一般由井孔、井壁管、濾水管、沉砂管組成。井孔用鉆機鉆成，井壁管安裝在非含水層處，用以支撐井孔孔壁，防止坍塌，井管與孔口周圍用粘土或水泥等不透水材料封閉，防止地面污水滲入；濾水管安裝在含水層處，除有井壁管作用外其主要作用是濾水擋砂；井管**部為沉砂管，用以沉積水中泥沙，延長管井使用壽命。

6、水源系統(tǒng)設計和施工中應注意的問題

6.1供水水源的可行性研究

擬采用水源熱泵系統(tǒng)時，應先調查工程場地的供水水源條件，向當?shù)厮芾聿块T咨詢或請專業(yè)隊伍進行必要的水文地質調查或水文地球物理勘查，了解是否有適合水源熱泵利用的水源，通過可行性研究，確定利用地表水或是地下水的供水水源方案。

6.2地表水源工程設計與施工

當選用地表水源時，設計取水量要考慮水溫因素和需水量的保證率，取水構筑物標高與洪水季節(jié)水位的關系。施工應同時考慮供水管和排水管的布置。

6.3管井工程設計和施工

擬選擇地下水源和管井取水方案時，對規(guī)模較大的工程，應根據(jù)所需水量和地下水回灌需要，結合場地環(huán)境和水文地質條件，按一定采灌比確定抽水井和回灌井井數(shù)、合理布置井位和井間距。井深應大于變溫帶深度，以保證冬季水源水溫度＞10℃。為防止回灌井堵塞，確保水源系統(tǒng)長期穩(wěn)定供水，抽水井和回灌井應互相切換使用，因此各個井的井深和井身結構應相近。井中濾水管和濾網(wǎng)應有一定強度，能承受抽灌往復水流的壓力變換。

6.4管井施工質量

必須十分重視管井質量問題。應找專業(yè)隊伍施工，做好每一工藝環(huán)節(jié)，建成優(yōu)質井，才能獲得較大出水量和優(yōu)質水。一口優(yōu)質井可以使用二十多年。成井質量不好，不僅影響井的壽命，還影響到取水和回灌效果，最終影響水源熱泵正常工作和制熱或制冷效果。甲方應參與最后階段的抽水試驗工作，認定可信和準確的抽水試驗結果數(shù)據(jù)。管井竣工后，應由甲方、施工單位和行政主管部門或監(jiān)理會同到現(xiàn)場，按合同規(guī)定的水量、水溫和水質進行工程質量驗收。

表1.地下水取水構筑物的形式及適用范圍

形式

尺寸

深度(m)

適用范圍

出水量(m3/d)

地下水類型

地下水埋深

含水層厚度

水文地質特征

管井

井徑50-1000mm150-600mm

井深20-1000m,常用300m以內

潛水，承壓水，裂隙水，溶洞水

200m以內,常用在70m以內

大于5m或有多層含水層

適用于任何砂、卵石、礫石地層及構造裂隙、巖溶裂隙地帶

單井出水量500-6000m3/d,最大可達2-3萬m3/d

大口井

井徑2-10m,常用4-8m

井深在20m以內,常用6-15m

潛水，承壓水

一般在10m以內

一般為5-15m

砂、卵石、礫石地層，滲透系數(shù)**在20m/d以上

單井出水量500-1萬m3/d,最大為2-3萬m3/d

輻射井

集水井直徑4-6m,輻射管直徑50-300mm，常用75-150mm

集水井井深3-12m

潛水，承壓水

埋深12m以內,輻射管距降水層應大于1m

一般大于2m

補給良好的中粗砂、礫石層，但不可含有飄礫

單井為5000-5萬m3/d,最大為3.1萬m3/d

滲渠

直徑為450-1500mm,常用為600-1000mm

埋深10m以內，常用4-6m

潛水，河床滲透水

一般埋深8m以內

一般為4-6m

補給良好的中粗砂、礫石、卵石層

一般為10-30m3/d.m,最大為50--100m3/d.m

7、水質處理與節(jié)水技術

7.1水處理技術

如果水源的水質不適宜水源熱泵機組使用時，可以采取相應的技術措施進行水質處理，使其符合機組要求。在水源系統(tǒng)中經(jīng)常采用的水處理技術有以下幾種：

除砂器與沉淀池當水源水中含砂量較高時，可在水源水管路系統(tǒng)中加裝旋流除砂器，降低水中含砂量，避免機組和管閥遭受磨損和堵塞。國產旋流除砂器占地面積較小，有不同規(guī)格，可按標準處理流量選配除砂器型號和臺數(shù)。如果工程場地面積較大，也可修建沉淀池除砂。沉淀池費用比除砂器低，但占地面積大。

凈水過濾器有些水源，渾濁度較大，用于回灌時容易造成管井濾水管和含水層堵塞，影響供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命。對渾濁度大的水源，可以安裝凈水器進行過濾。

電子水處理儀在水源中央空調系統(tǒng)運行過程中，冷凝器中的循環(huán)水溫度較高，特別是在冬季制熱工況下，水溫常常在50℃以上，水中的鈣、鎂離子容易析出結垢，影響換熱效果。通常在冷凝器循環(huán)水管路中安裝電子水處理儀，防止管路結垢。

板式換熱器有些水源礦化度較高，對金屬的腐蝕性較強，如直接進入機組會因腐蝕作用減少機組使用壽命。如果通過水處理的辦法減少礦化度，費用很大。通常采用加裝板式換熱器中間換熱的方式，把水源水與機組隔離開，使機組徹底避免了水源水可能產生的腐蝕作用。當水源水的礦化度小于350mg/L時,水源系統(tǒng)可以不加換熱器，采用直供連接。當水源水礦化度為350-500mg/L時，可以安裝不銹鋼板式換熱器。當水源水礦化度＞500mg/L時，應安裝抗腐蝕性強的鈦合金板式換熱器。也可安裝容積式換熱器，費用比板式換熱器少，但占地面積大。

除鐵設備水源中央空調系統(tǒng)也可以用來供應生活熱水。但有時水源水中含鐵較多，雖然對制熱沒有影響，洗浴時對人體健康也不會造成損害，但溶于水中的鐵容易生成氫氧化鐵沉淀在衛(wèi)生潔具上，形成有礙視覺感官的褐色污漬。當水中含鐵量＞0.3mg/L時，應在水系統(tǒng)中安裝除鐵處理設備。

7.2節(jié)水節(jié)電技術

水源熱泵空調系統(tǒng)的水資源費和井泵運行費往往是工程系統(tǒng)運行費的最大開支，為合理有效利用水源，減少水源浪費和節(jié)約電費，在系統(tǒng)設計中應考慮采用節(jié)水和節(jié)電技術措施。

混水器為節(jié)約水源水用量，可在系統(tǒng)中安裝混水設備，一般采用容積式混水器，也可采用射流式混水器。前者體積大費用低，后者體積小費用高。

變頻調速器為節(jié)約水源水量和電量，可以安裝變頻調速器控制水源水泵，取得減少耗水量和耗電量的效果。

8、地下水人工補給（俗稱回灌）[2]

8.1人工回灌及其目的

所謂地下水人工補給（即回灌），就是將被水源熱泵機組交換熱量后排出的水再注入地下含水層中去。這樣做可以補充地下水源，調節(jié)水位，維持儲量平衡；可以回灌儲能，提供冷熱源，如冬灌夏用，夏灌冬用；可以保持含水層水頭壓力，防止地面沉降。所以，為保護地下水資源，確保水源熱泵系統(tǒng)長期可靠地運行，水源熱泵系統(tǒng)工程中一般應采取回灌措施。

8.2回灌水的水質

目前，尚無回灌水水質的國家標準，各地區(qū)和各部門制定的標準不盡相同。應注意的原則是：回灌水質要好于或等于原地下水水質，回灌后不會引起區(qū)域性地下水水質污染。實際上，水源水經(jīng)過熱泵機組后，只是交換了熱量，水質幾乎沒發(fā)生變化，回灌不會引起地下水污染。

8.3回灌類型

根據(jù)工程場地的實際情況，可采用地面滲入補給，誘導補給和注入補給。注入式回灌一般利用管井進行，常采用無壓（自流）、負壓（真空）和加壓（正壓）回灌等方法。無壓自流回灌適于含水層滲透性好，井中有回灌水位和靜止水位差。真空負壓回灌適于地下水位埋藏深（靜水位埋深在10米以下），含水層滲透性好。加壓回灌適用于地下水位高，透水性差的地層。對于抽灌兩用井，為防止井間互相干擾，應控制合理井距。

8.4回灌量

回灌量大小與水文地質條件、成井工藝、回灌方法等因素有關，其中水文地質條件是影響回灌量的主要因素。一般說，出水量大的井回灌量也大。在基巖裂隙含水層和巖溶含水層中回灌，在一個回灌年度內，回灌水位和單位回灌量變化都不大;在礫卵石含水層中，單位回灌量一般為單位出水量的80%以上。在粗砂含水層中，回灌量是出水量的50-70%。細砂含水層中，單位回灌量是單位出水量的30-50%。采灌比是確定抽灌井數(shù)的主要依據(jù)。

8.5回揚

為預防和處理管井堵塞主要采用回揚的方法，所謂回揚即在回灌井中開泵抽排水中堵塞物。每口回灌井回揚次數(shù)和回揚持續(xù)時間主要由含水層顆粒大小和滲透性而定。在巖溶裂隙含水層進行管井回灌，長期不回揚，回灌能力仍能維持；在松散粗大顆粒含水層進行管井回灌，回揚時間約一周1-2次；在中、細顆粒含水層里進行管井回灌，回揚間隔時間應進一縮短，每天應1-2次。在回灌過程中，掌握適當回揚次數(shù)和時間，才能獲得好的回灌效果，如果怕回揚多占時間，少回揚甚至不回揚，結果管井和含水層受堵，反而得不償失?；負P持續(xù)時間以渾水出完，見到清水為止。對細顆粒含水層來說，回揚尤為重要。實驗證實：在幾次回灌之間進行回揚與連續(xù)回灌不進行回揚相比，前者能恢復回灌水位，保證回灌井正常工作。

9、應用水源熱泵的限制條件

水源熱泵中央空調系統(tǒng)是一種高效、節(jié)能、環(huán)保型產品，但并不是在任何條件下都可以應用。其制約條件是電源和水源。目前，我國電力供應較充足，容易解決。而水源則是其主要限制條件，沒有適合可靠的水源，就不能使用水源熱泵。例如有些工程規(guī)模大，制冷或制熱負荷大，所需水源水量很多，雖然工程場地有一定面積，也可以鉆井，但因水資源量不足，難以完全滿足工程負荷需要。有些工程所在場地下面雖然有地下水，但是由于該工程地處繁華市區(qū)，場地面積狹小，無處布井取水，場地環(huán)境條件限制了水源熱泵系統(tǒng)的應用。

10、水源熱泵應用工程實例

10.1工程概況

為治理北京大氣污染，北京市地質勘察技術院承擔完成了地熱加水源熱泵供暖示范工程項目。該工程平面示意圖見圖1，冬季供暖的辦公樓和家屬樓共6幢，建筑面積約3萬平方米，磚混結構，原暖通設計為燃煤鍋爐供暖，末端為單管串聯(lián)上送下回系統(tǒng)，鑄鐵四柱813型暖氣片。示范工程熱源為地熱井，水溫68℃，水量125m3/h,兩眼45m淺層第四系水井，水溫16℃，單井出水量50m3/h，井間距100m。

圖1地熱熱泵供暖工程平面圖

圖2地熱加水源熱泵供暖工藝流程示意圖

該工程因地熱鉆探施工周期限制，供暖試驗分兩期進行。工程流程示意圖見圖2。一期工程從1999年12月5日至2000年3月8日，以16℃地下水為熱源，利用水源熱泵對五層綜合辦公樓進行供暖試驗。該樓建筑面積4078m2，建筑高度18m，三七墻，單層玻璃窗。供暖前，對運行14年之久的暖氣管路進行了化學清洗，更換了部分銹損暖氣片。為對比供暖效果和夏季進行制冷，在一、二層辦公樓加裝了風機盤管。由1號井抽出的16℃地下水送入熱泵機組蒸發(fā)器吸熱后由2號井回灌入地下，保護地下水源。熱泵輸出的52℃熱水對辦公樓供暖。

二期工程自2000年3月8日（地熱井竣工）至4月5日，進行了地熱加水源熱泵供暖運行試驗。地熱井68℃地熱水對2.5萬m2建筑進行"一次"供暖，部分地熱水經(jīng)過板換溫度降至13℃后作為棄水排放，板換冷側端的循環(huán)水經(jīng)熱泵熱能轉換后輸出52℃熱水對辦公樓進行供暖。2000年夏季，利用1、2號抽、灌井和水源熱泵機組對辦公樓進行了制冷空調。

10.2主要技術參數(shù)

熱泵主機：清華同方人工環(huán)境設備公司生產的GHP型水源中央空調系統(tǒng)，1臺，名義制熱量360kW，制冷量275kW，裝機功率64kW，制熱工況下冷凝器出/回水溫度52℃/42℃，制冷工況下蒸發(fā)器出回水溫度7℃/12℃，制熱/制冷工況切換由水管路閥門組開關實現(xiàn)。板式換熱器：BR0.24Ⅶ型1臺，12m2，300kW，40-13/10-15℃，不銹鋼材質。冷水潛水泵：QJ50-50/6型2臺，流量50m3/h，揚程50m，功率7.5kW。南院暖氣循環(huán)泵：ISG型80-160，3臺，流量50m3/h，揚程32m，功率7.5kW。冷水循環(huán)泵：DFB80-32B型2臺，流量42m3/h，揚程24m，功率5.5kW。

10.3運行效果

冬季供暖，水源熱泵連續(xù)運行126天，性能穩(wěn)定，以供回水溫度（52/42℃）控制壓機啟停，平均每小時耗電40度，冷水井水源用量18m3/h，室外氣溫-10℃時，多數(shù)房間室溫18℃，供暖系統(tǒng)末端少數(shù)房間15-16℃，安裝了風盤的房間室溫可達20-25℃。夏季制冷，水源熱泵連續(xù)運行120天，以冷凍水回水溫度（12℃）控制壓機啟停，室外氣溫33-40℃，室內溫度22-26℃。

參考文獻：

[1]供水水文地質手冊，地質出版社，1976。

[2]汪光燾主編，城市節(jié)水技術與管理，1994

文章來自：http://www.xmfusheng.com/index.php?catid=767/