淺層地表水源熱泵系統(tǒng)的混合應(yīng)用與成井技術(shù)

皮金海，胡志，敖召耀，馬莉

（湖南省瑞隆環(huán)境工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

在我國(guó)，南方地區(qū)的地表水資源豐富，存在著大量的江河湖泊。尤其是長(zhǎng)江中下游地區(qū)的地表水，其總量在全國(guó)地表水總量中占比將近70%。而且南方地表水的水面2 m以下的水溫在1天中的變化很小，是水源熱泵機(jī)組比較理想的低位熱源。

1 淺層地表水中央空調(diào)系統(tǒng)

早在2005年，圍繞合理利用淺層地表水的中央空調(diào)系統(tǒng)，被列入本公司的節(jié)能科研創(chuàng)新課題，這一課題的成功開(kāi)展先后獲得了1項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利，5項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利。為了更加直觀地展示這項(xiàng)技術(shù)，以下就以這項(xiàng)新技術(shù)所取得的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)述。

案例分析1：湖南省某市防汛指揮大樓，建造在沅江堤岸，水源離機(jī)房200m，采用河床面下沉井工藝取水每小時(shí)滿(mǎn)負(fù)荷250t水源，設(shè)計(jì)2臺(tái)100萬(wàn)大卡螺桿式水源熱泵機(jī)組進(jìn)行整個(gè)大樓的供冷、供熱，系統(tǒng)穩(wěn)定。結(jié)果表明：該湖水源熱泵的能效比及運(yùn)行穩(wěn)定性均優(yōu)于風(fēng)冷熱泵與直燃機(jī)。

案例分2：2008年，武陵源青和錦江酒店采用兩提2口7m深的沉井，引用索溪浴的地下河水解決4萬(wàn)m2酒店的冷暖空調(diào)和廢熱回收生活衛(wèi)生熱水。結(jié)果表明：對(duì)可再生資源的合理應(yīng)用，直接加分酒店的白金5星級(jí)賓館的評(píng)級(jí)。

2 地表水源熱泵的形式

地表水源熱泵分為閉式、開(kāi)式、混合的3種形式。

2.1 閉式系統(tǒng)

將換熱盤(pán)管放置在湖底或河的底部，通過(guò)盤(pán)管內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)與水體進(jìn)行熱交換，冬季制熱時(shí)，一般采用防凍液作為循環(huán)介質(zhì)，這種系統(tǒng)的容量一般比較小。

2.2 開(kāi)式系統(tǒng)

從湖底或河的底部抽水，送入板式換熱器與循環(huán)介質(zhì)換熱；在冬季水溫較高的南方地區(qū)，也可以將水處理后直接送入熱泵機(jī)組，換熱后在離取水點(diǎn)一定距離的地點(diǎn)排放。

2.3 開(kāi)式系統(tǒng)與閉式系統(tǒng)的比較

開(kāi)式系統(tǒng)的換熱效率比閉式系統(tǒng)高，初期投資低，適合于容量更大的商用中央空調(diào)系統(tǒng)。

2.4 混合式系統(tǒng)

混合式水源熱泵系統(tǒng)是利用成井取水源和湖河水源的混合使用 ，克服了地下成井水源不足的問(wèn)題，用湖河水進(jìn)行補(bǔ)充，同時(shí)又互補(bǔ)了冬季河水源水溫低于7℃水溫下，機(jī)組不足3℃溫差的自動(dòng)保護(hù)，使系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定與節(jié)能。

案例分析：

（1）詳情描述。某縣市民之家的混合水源熱泵系統(tǒng)，設(shè)計(jì)主機(jī)4臺(tái)，總制冷量850萬(wàn)大卡，需取水量800t/h，中央機(jī)房位于主樓的地下層，與各建筑群的距離為100m左右，采用就近的澧水水源，距離機(jī)房240m，取水處在河床下深6m左右，采用混凝土澆灌沉井，可取水600t/h以上。在機(jī)房100m處，成井11口，5提6回，井深34m，單口提水井取水量為60t，井水為300t，混合水源為900t/h以上。

（2）技術(shù)分析。淺層地表水源熱泵系統(tǒng)的混合應(yīng)用上，最關(guān)鍵的技術(shù)是對(duì)成（沉）井環(huán)節(jié)的技術(shù)施工，對(duì)水質(zhì)的物理處理。

①河水沉井解析。在河水沉井環(huán)節(jié)采用一種雙層纏絲過(guò)濾器專(zhuān)利技術(shù)。結(jié)構(gòu)詳情： 一是過(guò)濾管，二是內(nèi)墊筋，三是外墊筋，四是內(nèi)濾絲，五是外濾絲，六是過(guò)濾孔，七是安裝槽，八是內(nèi)濾絲槽，九是外濾絲槽，十是擋箍。

②具體的實(shí)施方式。過(guò)濾管圓周上縱向均布有安裝槽，安裝槽內(nèi)活動(dòng)安裝有內(nèi)墊筋。安裝槽之間的過(guò)濾管管壁上設(shè)置有過(guò)濾孔，內(nèi)墊筋的外表面由上至下間隔狀設(shè)置有濾絲槽。內(nèi)濾絲通過(guò)濾絲槽纏繞在過(guò)濾管的圓周上，內(nèi)濾絲外側(cè)的過(guò)濾管圓周上間隔置有外墊筋。外墊筋的內(nèi)表面由上至下間隔設(shè)置有內(nèi)濾絲槽，外墊筋通過(guò)內(nèi)濾絲槽與內(nèi)濾絲相互卡接。具體的卡接方式：外墊筋的外表面由上至下間隔設(shè)置有外濾絲槽，外濾絲通過(guò)外濾絲槽纏繞在過(guò)濾管的圓周上，內(nèi)墊筋和外墊筋兩端過(guò)濾管上的螺紋安裝分別有擋箍。內(nèi)墊筋和外墊筋與擋箍接觸連接，使水源在井下充分過(guò)濾，從而達(dá)到機(jī)組的水質(zhì)要求。

③供水管井解析。在提水井的供水管井中，設(shè)置供水管井密封器專(zhuān)利技術(shù)。結(jié)構(gòu)詳情：一是密封蓋，二是密封環(huán)板，三是密封圈，四是裝配筒，五是裝配環(huán)槽，六是穿管孔，七是穿線孔，八是密封層，九是管井井沿。

④具體的實(shí)施方式。采用在穿管孔和穿線孔內(nèi)設(shè)置密封圈，在穿管孔和穿線孔上方分別設(shè)置密封環(huán)板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用此設(shè)計(jì)后，該密封器會(huì)對(duì)管井的出水管和電源線形成兩次密封，從而解決了現(xiàn)有密封器因密封不嚴(yán)導(dǎo)致外界的水流、空氣會(huì)沿著出水管和電源線隙流入到管井中，造成管井地下水鐵錳氧化的缺陷，從而減少對(duì)主機(jī)蒸發(fā)器和冷凝器的污染，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。

⑤潛水泵解析。河水和井水的潛水泵采用裝有過(guò)濾裝置潛水泵的專(zhuān)利技術(shù)。

⑥具體的實(shí)施方式。通過(guò)頂蓋與導(dǎo)流管的過(guò)濾器，在管井過(guò)濾器出現(xiàn)破損時(shí)，通過(guò)安裝在潛水泵體上的過(guò)濾器二次對(duì)地下水進(jìn)行過(guò)濾，并且通過(guò)導(dǎo)流管下端口內(nèi)安裝的上濾片和下濾片，再次對(duì)地下水進(jìn)行過(guò)濾，同時(shí)將過(guò)濾的沙礫通過(guò)排沙孔排出，從而有效防止地下水所含的沙礫對(duì)水泵的磨損。這樣就能有效解決現(xiàn)有管井過(guò)濾器出現(xiàn)破損后無(wú)法修復(fù)，使流沙隨地下水一起被抽上來(lái)磨損水泵，增加管井使用成本的問(wèn)題。由于蒸發(fā)器出水溫度低于4℃時(shí)機(jī)組會(huì)自動(dòng)停機(jī)，為防止蒸發(fā)器表面結(jié)冰，當(dāng)冬季河水溫度低于7℃時(shí)，而井水恒溫為18℃，此時(shí)將河水和井水同時(shí)進(jìn)入旋流除砂器，除去水中的顆粒物，將水溫升至13℃左右，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

⑦地下水過(guò)濾凈化裝置解析。在綜合利用淺層地表水的回水使用上，采用一種地下水過(guò)濾凈化裝置的專(zhuān)利技術(shù)。結(jié)構(gòu)詳情：一是導(dǎo)流管，二是過(guò)濾器，三是項(xiàng)蓋，四是安裝，五是法蘭盤(pán)，六是連接螺栓，七是潛水泵體，八是潛水泵管，九是上濾片，十是下濾片，十一是過(guò)水孔，十二是排沙孔。

⑧具體的實(shí)施方式。包括旋流除砂器、水射曝氣器、凈化器、反沖洗泵、反沖洗排污管、連接管和出水反沖洗管，凈化器的底部通過(guò)出水反沖洗管連接反沖洗泵。凈化器的項(xiàng)部通過(guò)連接管連接旋流除砂器，連接管上裝有水射曝氣器。凈化器的一側(cè)設(shè)置反沖洗排污管，其特征在于所述的凈化器由支架、凈化器殼體、篩板、過(guò)濾凈化層構(gòu)成。凈化器殼體的下部設(shè)置支架，凈化器殼體內(nèi)部設(shè)置篩板，篩板上面裝有過(guò)濾凈化層，所述的過(guò)濾凈化層為石英砂濾料層或錳砂濾料層。

3 特點(diǎn)

（1）水源熱泵屬可再生能源利用技術(shù)。水源熱泵是利用了地球水體所儲(chǔ)藏的太陽(yáng)能資源作為冷熱源，因此，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源。

（2）水源熱泵的運(yùn)行效率高、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。而良好的設(shè)計(jì)能使水源熱泵機(jī)組比電采暖要節(jié)省一半以上的用電量。據(jù)有關(guān)資料介紹，通過(guò)對(duì)水源熱泵冷熱水機(jī)組、空氣源熱泵、溴化鋰直燃機(jī)、水冷冷水機(jī)組加燃油鍋爐4種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，水源熱泵冷熱水機(jī)組的初期投資最小。水源熱泵系統(tǒng)不但可以制冷、制熱，還可提供生活熱水，實(shí)現(xiàn)1套系統(tǒng)的多功能價(jià)值。尤其對(duì)于制熱、制冷雙方面需求的建筑物，水源熱泵系統(tǒng)可以作為首選。因此，水源熱泵系統(tǒng)不僅節(jié)能環(huán)保，還降低了設(shè)備的初期投資。

（3）水源熱泵運(yùn)行的穩(wěn)定性高。在一年四季中，水體的溫度相對(duì)于空氣溫度要穩(wěn)定很多，特別是地下水，其溫度波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)小于空氣溫度的變動(dòng)，是很好的熱泵冷熱源。而在冬季，則免除了對(duì)熱泵機(jī)組進(jìn)行除霜等工作。因此，熱泵機(jī)組的運(yùn)行便捷、穩(wěn)定。

（4）水源熱泵環(huán)保顯著。水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行沒(méi)有任何污染，非常適宜建造在居民區(qū)內(nèi)，無(wú)燃燒、無(wú)排煙、無(wú)廢棄物，也無(wú)需堆放燃料以及殘留物的場(chǎng)地，更不用進(jìn)行遠(yuǎn)距離的熱量輸送。

（5）可利用水源的局限性。是否具備合適的水，成為使用水源熱泵系統(tǒng)的限制條件，而且該水源必須達(dá)到相應(yīng)的溫度、水量和清潔度指標(biāo)。

（6）水層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)限制。對(duì)于從地下取水回灌的使用，必須考慮到所用的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，確保可以在各方面較為合理的條件下進(jìn)行打井，發(fā)掘合適的水源。另外，還應(yīng)保證用水回灌得以實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

一般所說(shuō)的是在1000m以?xún)?nèi)地球表面的淺層水源，如：地下水、地表上的江河湖海，它們能夠吸收大量的太陽(yáng)進(jìn)入地球所輻射的能量，這些水源的溫度波動(dòng)往往不大。而水源熱泵機(jī)組技術(shù)是通過(guò)輸入少量的高位能源，比如：電能，來(lái)實(shí)現(xiàn)高、低位之間的溫度中和。所選定的水體分別可以作為冬天熱泵供暖機(jī)組的熱源，以及夏天制冷機(jī)組的冷源。也就是說(shuō)到了夏天，機(jī)組可以將建筑物中的熱量抽取出來(lái)，釋放到水體中。由于水源溫度相對(duì)空氣溫度來(lái)得低，所以可以快速地轉(zhuǎn)移熱量，以達(dá)到夏天機(jī)組為建筑物室內(nèi)制冷的效果。反之，到了冬天，通過(guò)水源熱泵機(jī)組從水源中抽取熱能，送到建筑物室內(nèi)，從而達(dá)到給建筑物室內(nèi)制暖的效果。另外，可以將處理的回水用于噴泉用水、綠化用水、消防用水，打造海綿城市的綠建項(xiàng)目。因此，淺層地表水源熱泵系統(tǒng)的混合應(yīng)用與成井技術(shù)，充分利用可再生能源技術(shù)，節(jié)能效率高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在南方地區(qū)可以廣泛地推廣應(yīng)用。