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水源热泵在商业建筑中应用相关水源的问题大连景垣建设工程项目管理有限公司 张瑞文 朱 建 大商集团 赵 磊 摘要：水源是应用水源热泵的前提。文中阐述了影响水源热泵运行工效的水源系统的水量、水温、水质和供水稳定性等因素。介绍了各类水源、取水构筑物、水处理技术、回灌技术，指出了水源方案设计和施工中应注意的一些问题。关键词： 水源热泵 运行工效 取水 回灌水源热泵系统是21世纪能源利用的最优方式之一。适合、可靠的水源是有效应用水源热泵的前提，推广利用水源热泵技术时，应注意解决好相关的水源问题。1、水源热泵工作原理及其系统构成在我国暖通空调术语标准（GB50155-92）中，对“热泵”的解释是“能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机”；在新国际制冷词典（New International Dictionary of Refrigeration）中，对“热泵”的解释是“以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统”。可见，热泵在本质上是与制冷机相同的，只是运行工况不同。其工作原理是，由电能驱动压缩机，使工质（如R22）循环运动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中气化吸热、在冷凝器中液化放热，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热（或制冷）功能。在此过程中，热泵的压缩机需要一定量的高位电能驱动，其蒸发器吸收的是低位热能，但热泵输出的热量是可利用的高位热能，在数量上是其所消耗的高位热能和所吸收低位热能的总和。热泵输出功率与输入功率之比称为热泵性能系数，即COP值（Coefficient of Performance ）。热泵有多种，以水作为热源和供热介质的热泵称为水源热泵。水源热泵性能系数（即COP值）高于空气源热泵，系统运行性能稳定。 水源热泵工程是一项系统工程，一般由水源系统、水源热泵机房系统和末端散热系统三部分组成。其中，水源系统包括水源、取水构筑物、输水管网和水处理设备等。 2、水源热泵对水源系统的要求水源系统的水量、水温、水质和供水稳定性是影响水源热泵系统运行效果的重要因素。应用水源热泵时，对水源系统的原则要求是：水量充足，水温适度，水质适宜，供水稳定。具体说，水源的水量，应当充足够用，能满足用户制热负荷或制冷负荷的需要。如水量不足，机组的制热量和制冷量将随之减少，达不到用户要求。水源的水温应适度，适合机组运行工况要求。水源的水质，应适宜于系统机组、管道和阀门的材质，不至于产生严重的腐蚀损坏。水源系统供水保证率要高，供水功能具有长期可靠性，能保证水源热泵中央空调系统长期和稳定运行。 3、水源原则上讲，凡是水量、水温能够满足用户制热负荷或制冷复荷的需要，水质对机组设备不产生腐蚀损坏的任何水源都可作为水源热泵系统利用的水源，既可以是再生水源，也可以是自然水源。 4、水质应用水源热泵时，除应关心水源水量外，还应关注水的温度、化学成分、浑浊度、硬度、矿化度和腐蚀性等因素。但是，目前对水源热泵所用水源的水质尚无有关规定，本文所提数据参考了冷却水水质标准和某些地下水回灌水质的有关规定。 4.1 温度 地表水水温 随季节、纬度和高程不同而变化。长江以北和高原地区，冬季地表水结冰，无法利用于制热供暖。夏季水温一般低于30，可用于制冷空调。 4.2 含砂量与浑浊度 有些水源含有泥沙、有机物与胶体悬浮物，使水变得浑浊。水源含砂量高对机组和管阀会造成磨损。含砂量和浑浊度高的水用于地下水回灌会造成含水层堵塞。用于水源热泵系统的水源，含砂量应1/20万，浑浊度20毫克/升。如果水源热泵系统中装有板式换热器，水源水中固体颗粒物的粒径应0.5毫米。 4.3 水的化学成分及其化学性质 自然界水中溶有不同离子、分子、化合物和气体，使得水具有有酸碱度、硬度、矿化度和腐蚀性等化学性质，对机组材质有一定影响。 酸碱度 水的pH值小于7时，呈酸性，反之呈碱性。水源热泵的水源pH值应为6.5-8.5。 5、取水构筑物依据水源不同，取水构筑物可分为地表水取水构筑物和地下水取水构筑物两类。 5.1 地表水取水构筑物 按结构形式地表水取水构筑物可分为活动式和固定式两种。活动式地表水取水构筑物有浮船式和活动缆车式。较常用的是固定式地表水取水构筑物，一般都包括进水口、导水管（或水平集水管）和集水井，地表水取水构筑物受水源流量、流速、水位影响较大，施工较复杂，要针对具体情况选择施工方案。 5.2 地下水取水构筑物地下水取水构筑物有管井、大口井、结合井、辐射井和渗渠等类型，表1列出了地下水取水构筑物的型式及适用范围1。在实际工程中，应根据地下水埋深、含水层厚度、出水量大小、技术经济条件不同选取不同形式。 5.3 管井 地下水取水构筑物中最常见的型式是管井，一般由井孔、井壁管、滤水管、沉砂管组成。井孔用钻机钻成，井壁管安装在非含水层处，用以支撑井孔孔壁，防止坍塌，井管与孔口周围用粘土或水泥等不透水材料封闭，防止地面污水渗入；滤水管安装在含水层处，除有井壁管作用外其主要作用是滤水挡砂；井管最底部为沉砂管，用以沉积水中泥沙，延长管井使用寿命。 6、水源系统设计和施工中应注意的问题6.1 供水水源的可行性研究就商业建筑而言其特点明显，建筑面积使用率高，占地面积小，多处在人口、住宅或商业建筑密集区。现代商业追求高品质、人性化趋势增强，对空调要求也变的更加严格，空调制冷负荷相应变大。在商场建设时期如考虑水源热泵制冷，需充分计算负荷和地下水含水量是否满足使用。但由于占地面积有限使取水和回水距离短，导致局部地表温度变化快，破坏其自然温度调节的能力，夏季温度升高，冬季降低，在制冷期后期使地下温度过高导致无法提取冷量，同样冬季无法提取热量。如能解决此问题水源热泵在商业用应还是很优秀的，节能和效率都远远高于其他形式空调。6.2 地表水源工程设计与施工 当选用地表水源时，设计取水量要考虑水温因素和需水量的保证率，取水构筑物标高与洪水季节水位的关系。施工应同时考虑供水管和排水管的布置。 6.3 管井工程设计和施工 拟选择地下水源和管井取水方案时，对规模较大的工程，应根据所需水量和地下水回灌需要，结合场地环境和水文地质条件，按一定采灌比确定抽水井和回灌井井数、合理布置井位和井间距。井深应大于变温带深度，以保证冬季水源水温度10。为防止回灌井堵塞，确保水源系统长期稳定供水，抽水井和回灌井应互相切换使用，因此各个井的井深和井身结构应相近。井中滤水管和滤网应有一定强度，能承受抽灌往复水流的压力变换。 6.4 管井施工质量 必须十分重视管井质量问题。应找专业队伍施工，做好每一工艺环节，建成优质井，才能获得较大出水量和优质水。表1. 地下水取水构筑物的形式及适用范围 形式尺 寸深 度(m)适 用 范 围出水量 (m3/d)地下水类型地下水埋深含水层厚度水文地质特征管井井径501000mm150600mm井深201000m,常用300m以内潜水，承压水，裂隙水，溶洞水200m以内,常用在70m以内大于5m或有多层含水层适用于任何砂、卵石、砾石地层及构造裂隙、岩溶裂隙地带单井出水量500-6000m3/d,最大可达2-3万m3/d大口井井径210m,常用48m井深在20m以内,常用615m潜水，承压水一般在10m以内一般为5-15m砂、卵石、砾石地层，渗透系数最好在20m/d以上单井出水量500-1万m3/d,最大为2-3万m3/d辐射井集水井直径46m,辐射管直径50-300mm，常用75150mm集水井井深312m潜水，承压水埋深12m以内,辐射管距降水层应大于1m一般大于2m补给良好的中粗砂、砾石层，但不可含有飘砾单井为50005万m3/d,最大为3.1万m3/d渗渠直径为4501500mm,常用为6001000mm埋深10m以内，常用46m潜水，河床渗透水一般埋深8m以内一般为46m补给良好的中粗砂、砾石、卵石层一般为1030m3/d.m,最大为50-100m3/d.m7、水质处理如果水源的水质不适宜水源热泵机组使用时，可以采取相应的技术措施进行水质处理，使其符合机组要求。8、地下水人工补给（俗称回灌）28.1 人工回灌及其目的 所谓地下水人工补给（即回灌），就是将被水源热泵机组交换热量后排出的水再注入地下含水层中去。这样做可以补充地下水源，调节水位，维持储量平衡；可以回灌储能，提供冷热源，如冬灌夏用，夏灌冬用；可以保持含水层水头压力，防止地面沉降。所以，为保护地下水资源，确保水源热泵系统长期可靠地运行，水源热泵系统工程中一般应采取回灌措施。 8.2 回灌类型 根据工程场地的实际情况，可采用地面渗入补给，诱导补给和注入补给。 注入式回灌一般利用管井进行，常采用无压（自流）、负压（真空）和加压（正压）回灌等方法。无压自流回灌适于含水层渗透性好，井中有回灌水位和静止水位差。真空负压回灌适于地下水位埋藏深（静水位埋深在10米以下），含水层渗透性好。加压回灌适用于地下水位高，透水性差的地层。对于抽灌两用井，为防止井间互相干扰，应控制合理井距。 8.3 回灌量 回灌量大小与水文地质条件、成井工艺、回灌方法等因素有关，其中水文地质条件是影响回灌量的主要因素。一般说，出水量大的井回灌量也大。在基岩裂隙含水层和岩溶含水层中回灌，在一个回灌年度内，回灌水位和单位回灌量变化都不大;在砾卵石含水层中，单位回灌量一般为单位出水量的80%以上。在粗砂含水层中，回灌量是出水量的50-70%。细砂含水层中，单位回灌量是单位出水量的30-50%。采灌比是确定抽灌井数的主要依据。 8.5 回扬 为预防和处理管井堵塞主要采用回扬的方法，所谓回扬即在回灌井中开泵抽排水中堵塞物。每口回灌井回扬次数和回扬持续时间主要由含水层颗粒大小和渗透性而定。在岩溶裂隙含水层进行管井回灌，长期不回扬，回灌能力仍能维持；在松散粗大颗粒含水层进行管井回灌，回扬时间约一周12次；在中、细颗粒含水层里进行管井回灌，回扬间隔时间应进一缩短，每天应12次。在回灌过程中，掌握适当回扬次数和时间，才能获得好的回灌效果，如果怕回扬多占时间，少回扬甚至不回扬，结果管井和含水层受堵，反而得不偿失。回扬持续时间以浑水出完，见到清水为止。对细颗粒含水层来说，回扬尤为重要。实验证实：在几次回灌之间进行回扬与连续回灌不进行回扬相比，前者能恢复回灌水位，保证回灌井正常工作。 9、应用水源热泵的限制条件水源热泵中央空调系统是一种高效、节能、环保型产品，但并不是在任何条件下都可以应用。其制约条件是电源和水源。目前，我国电力供