江水源熱泵項目取水方式及適用條件研究

馬惠芬 張奎 桂樹強 唐玉陽 顏俊

摘要：取水方式的合理性設(shè)計是江水源熱泵項目應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，需要綜合考慮不同制約因素及不同取水方式的適用條件。通過總結(jié)常用取水方式的特點、優(yōu)缺點以及適用條件，結(jié)合相關(guān)工程實例，提出了江水源熱泵項目取水設(shè)計原則、特點并介紹了相關(guān)法規(guī)要求，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：江水源熱泵;取水方式;適用條件;設(shè)計原則

中圖法分類號：TU833文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.05.010

區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)是集中制取冷水、熱水或蒸汽供給建筑群內(nèi)用戶的系統(tǒng)，如淺層地?zé)崮?、中深層地?zé)崮堋⒗錈犭娙?lián)供和電廠余熱等系統(tǒng)。淺層地?zé)崮苁侵附?、河、湖、海及地表以?00m以內(nèi)、溫度低于25°C的巖土體和地下水中的熱能，經(jīng)熱泵系統(tǒng)采集后用于建筑供冷供熱。江水源熱泵系統(tǒng)是一種以江水作為冷熱源的供冷供熱系統(tǒng)，具有高效節(jié)能、運行穩(wěn)定和環(huán)境效益顯著等特點。江水源熱泵要求取水點水量充足穩(wěn)定、水溫與水質(zhì)合適。江水水沙條件復(fù)雜、水位變幅較大，是制約江水源熱泵技術(shù)推廣應(yīng)用的重要因素口’。本文分析了現(xiàn)有取水方式的優(yōu)缺點，提出了江水源熱泵取水方式的設(shè)計原則。

1常用取水方式及優(yōu)缺點

1.1常用取水方式

（1）岸邊式取水。其進水間與泵房分為合建式和分建式兩種基本形式（見圖1～2）。

（2）河床式取水。按照進水管形式分為自流管、虹吸管和水泵直接取水等形式（見圖3～5）。

（3）纜車式取水。由建造于岸坡上的纜車從江河湖庫取水的方式進行取水。通過卷揚機絞動鋼絲繩牽引設(shè)有水泵機組的泵車，使其沿斜坡軌道隨水位漲落而上下移動取水（見圖6）。

（4）浮船式取水。纜車也可由浮船取代，即將浮船上的水泵出水管與岸邊輸水管道連通（見圖7），浮船隨水位變化升降，保證泵房表層取水。

（5）滲濾取水。主要由地面泵站、集水導(dǎo)井、江底隧道、匯水硐室、滲濾孔群、反沖系統(tǒng)和水量控制系統(tǒng)等構(gòu)筑物組成（見圖8）。集水豎井抽水后產(chǎn)生水位降深，江水位與豎井問的水位差導(dǎo)致江水下滲，穿過濾床表層濾膜、砂卵石層和特制過濾器后進入?yún)R水硐室和井巷，可將有機污物和雜質(zhì)過濾凈化，濾床表層的過濾物又被流動的江水沖刷更新。

1.2不同取水方式的優(yōu)缺點

取水方式的選擇是否恰當，直接影響取水的水質(zhì)、水量、安全性、可靠性，投資、運行管理以及河流的綜合利用，各取水方式的優(yōu)缺點如下。

（1）岸邊合建式取水。布置緊湊，占地面積小，水泵吸水管路短，運行管理方便，但土建結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工較困難。

（2）岸邊分建式取水。土建結(jié)構(gòu)簡單、施工較容易，但操作管理不便，吸水管路較長，增加了水頭損失，運行安全性劣于合建式。

（3）自流管取水。自流管淹沒在水中，河水靠重力自流;與虹吸管相比，自流管一般不會發(fā)生因漏氣導(dǎo)致取水中斷或水量減小的情況，因此取水比較可靠，但敷設(shè)自流管時，開挖土石方量較大。

（4）虹吸管取水。與自流管相比，該法提高了埋管高程，可減少水下土石方量，縮短工期，節(jié)約投資;但虹吸管對管材及施工質(zhì)量要求較高、運行管理要求嚴格，且為了保證嚴密不漏氣，需要抽真空設(shè)備。因此，其可靠性低于自流管。

（5）水泵直接取水。可以利用水泵吸水高度減少泵房深度，且無需集水問，故結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，造價較低。

（6）纜車式取水。纜車移動較浮船更為便捷，纜車受風(fēng)浪影響小、更加穩(wěn)定，但纜車取水的水下工程量和基建投資高于浮船取水。

（7）浮船式取水。該法投資少、建設(shè)快、易于施工，適應(yīng)性和靈活性強，能經(jīng)常獲取含沙量少的表層水。但河流水位漲落時，需要移動船位，階梯式連接時需拆換接頭，可能導(dǎo)致短時停止供水，不利于人員操作管理，且易受水流、風(fēng)浪、航運影響，供水的安全可靠性較差。

（8）滲濾取水。初期取水水質(zhì)較好，運行較簡單，對環(huán)境影響小，但施工較為復(fù)雜，投資較高，濾床及過濾器易堵塞，因此取水風(fēng)險較大。

2不同取水方式的適用條件

根據(jù)取水量和水質(zhì)要求，結(jié)合河床地形、河床沖淤、水位變幅、冰凍和航運等情況以及施工條件，在保證取水安全可靠的前提下，通過技術(shù)經(jīng)濟比較確定取水方式。

（1）岸邊式取水適用于岸坡較陡、主流近岸、岸邊有足夠水深、水質(zhì)和地質(zhì)條件較好、水位變幅不大等情況。其中，合建式適用于岸坡較陡、岸邊水流較深、地質(zhì)條件較好、水位變幅和流速較大、取水量大、安全性要求高等情況;分建式適用于河岸地質(zhì)條件較差、對河道斷面及航道影響較大等情況。

（2）河床式取水適用于河床穩(wěn)定、河岸較平坦、枯水期主流遠離岸邊、岸邊水深不足或水質(zhì)較差、河心有足夠水深和良好水質(zhì)等情況。其中，自流管取水適用于取水量較大、河道寬闊、河心離岸較遠等情況。虹吸管取水適用于河灘寬闊、河岸較高、河床為堅硬巖石、埋設(shè)自流管需開挖大量土石方、管道需要穿越防洪堤等情況;水泵直接取水適用于河道水質(zhì)良好、漂浮物少、取水量小、水泵吸水頭部較大等情況。

（3）纜車式取水適用于河岸工程地質(zhì)條件較好、岸坡有適宜的傾角（10°-28°）、水位變幅較大（10-35m）、河流漂浮物少等情況。

（4）浮船式取水適用于以下情況：河床較穩(wěn)定，岸邊有適宜傾角;河流水位變化幅度在10-35m，水位變化速度小于2 m/h;枯水期水深大于1.5m或不小于兩倍的囤船深度;河道水流平穩(wěn)、漂浮物少、風(fēng)浪較小、停泊條件良好。

（5）滲濾取水適用于河流中含天然砂卵石層、河道底部可設(shè)置滲濾設(shè)施等情況。

3取水設(shè)計原則、特點及法規(guī)要求

3.1設(shè)計原則

江水源熱泵項目取水方式與常規(guī)江水取水方式類似，但又有其獨特性。江水源熱泵項目以水為換熱載體，冬天取熱、夏天排熱，換熱后的江水再排至江中。取水方式和取水口位置的選擇應(yīng)考慮下列設(shè)計原則。

（1）取水點應(yīng)選擇水質(zhì)較好的地帶;

（2）取水頭部有足夠的水深及良好的工程地質(zhì)條件;

（3）取水頭部和取水管道不受泥沙、漂浮物等影響;

（4）取水點盡量靠近主要用水地點;

（5）取水構(gòu)筑物不妨礙行洪和通航，并符合河道整治規(guī)劃的要求;

（6）取水所處斷面的河床沖淤多年平衡，河岸穩(wěn)定;

（7）取水構(gòu)筑物需避開河流上的人工構(gòu)筑物或天然障礙物。

3.2江水源熱泵取水特點

（1）取水量波動變化。江水源熱泵項目取水量具有間歇性、波動性等特點。供冷季取水量大，采暖季取水量小，逐時取水量受大氣溫度的影響而產(chǎn)生變化，過渡季節(jié)一般不取水。

（2）取退水總量恒定。江水源熱泵取上來的水經(jīng)換熱后再退回原水體中，僅利用水體的熱能，原水體的總水量基本無變化。

（3）取水水溫適宜。水源熱泵機組正常運行時要求水源的最佳溫度為15°C-25°C，夏季供冷時需較低溫度的水源，冬季采暖時需較高溫度的水源，適宜的水溫條件才能確保機組正常運行并使機組長時問處于高效運行區(qū)間。

（4）水處理方式多樣化。江水源熱泵取水時盡可能選擇水質(zhì)較好的水源，當江水水質(zhì)滿足熱泵機組換熱器進水要求時，可直接進入機組;當江水中的泥沙含量、濁度等不能滿足熱泵機組換熱器正常運行時，應(yīng)設(shè)置相關(guān)水處理措施，如格柵過濾、物理沉淀、旋流除砂、全自動反沖洗等。

3.3制約因素

（1）飲用水水源保護要求。按照HJ338-2018《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，河流型飲用水水源一級保護區(qū)水域長度一般為取水口上游1000m、下游100m;二級保護區(qū)水域長度為從一級保護區(qū)上游側(cè)延伸2 000m，下游側(cè)延伸200m的距離?！吨腥A人民共和國水污染防治法》第六十五條規(guī)定，“禁止在飲用水水源一級保護區(qū)內(nèi)新建、改建、擴建與供水設(shè)施和水源保護無關(guān)的建設(shè)項目;已建成的與供水設(shè)施和水源保護無關(guān)的建設(shè)項目，由縣級以上人民政府責(zé)令拆除或者關(guān)閉。江水源熱泵取水口不能建在飲用水源保護范圍內(nèi)”。

（2）自然保護區(qū)要求。根據(jù)《中華人民共和國自然保護區(qū)條例》，在自然保護區(qū)范圍內(nèi)不得從事相關(guān)開采活動。江水源熱泵取水口必須滿足該規(guī)定。

（3）航道要求。江水源熱泵項目取水方式需滿足航道要求。河床式取水不能影響航道安全，不能造成斷航、礙航等后果。

（4）岸線規(guī)劃要求。取水口的選取須滿足岸線資源規(guī)劃和功能分區(qū)要求，協(xié)調(diào)好與用水區(qū)域、碼頭區(qū)域、配套支持區(qū)域的關(guān)系。

（5）順應(yīng)河勢變化趨勢。河勢會受到降雨量、洪水等因素的影響而發(fā)生經(jīng)常性變化，江水源熱泵取水方式需根據(jù)河勢演變分析的結(jié)果，選擇不淤、沖刷穩(wěn)定的河段布置。

（6）滿足河道行洪要求。取水構(gòu)筑物應(yīng)嚴格遵循不影響河道安全行洪的原則。

（7）盡量不影響第三方涉水的合法權(quán)益。取水構(gòu)筑物不能侵占橋梁、隧道、鐵路等設(shè)施的安全保護范圍，不影響附近碼頭、輪渡的安全運行。

4應(yīng)用實例

南京鼓樓軟件園江水源熱泵項目取水口位于夾江中，附近岸邊用地緊張，水體含泥沙量小、浮游生物較少、水質(zhì)硬度低，采用河床式取水方式。武當山丹江口水庫水源熱泵項目為空調(diào)冷卻水系統(tǒng)取水，為保證取水的可靠性、減少投資、方便施工，采用浮船式取水方式。重慶某酒店為節(jié)省土地和節(jié)能，采用滲濾取水方式。重慶江北城CBD江水源熱泵1期項目采用天然河床滲濾+人工河床滲濾+直取水的聯(lián)合取水方式。

5結(jié)語

本文闡述了岸邊式、河床式、纜車式、浮船式和滲濾等5種取水方法的原理及其優(yōu)缺點，提出江水源熱泵項目取水方式的主要設(shè)計原則和限制性因素，可為類似工程提供參考。