水/地源熱泵的常用取能方式

經過十余年的推廣、應用和發展，水/地源熱泵技術在中國很多地區和建筑領域都積累了大量的經驗，得到了日益廣泛的應用。采用這種技術

　　的關鍵環節在于科學的取能方式，如果保證了取能系統的設計合理、正確施工，那么整個工程可以說就成功了一大半。目前水/地源熱泵技術的能量來源主要有四類方式—井水水源、地表水源、廢熱水源、土壤埋管。井水水源常用深度300米以上的淺表層井水；地表水源包括江、河、湖、海水源；廢熱水源包括污水、中水、工業廢水、地熱尾水；土壤埋管是指深度200米以上的垂直埋管式交換器。取能的途徑有多種，正確的取能方式應該是廣開思路、不拘一格，因地制宜、因用制宜，科學合理。下面根據“新思維”水/地源熱泵技術的大量應用實踐，對上述四類取能方式作簡要介紹：

　　一、井水水源的取能方式

　　1、基本介紹

　　地球表面的淺層地下水溫度常年保持基本恒定，不受外部環境干擾。這個溫度夏季低于環境溫度，冬季高于環境溫度，非常適于水源熱泵從其中提取冷量或熱量供人們使用。尤其是，這部分地下水溫度被提取后再回灌入地下，能夠很快從地層環境中重新恢復溫度，將地層中取之不竭的低位能量不斷輸出。

　　水井取能的方式就是將淺層地下水用潛水泵自出水井中抽出，通過管道輸送到主機站，經過水源熱泵換熱器進行取能，滿足主機正常運轉，然后再經過管道輸送到回水井，回灌到地下。

　　水源熱泵項目的前期要了解建筑物周邊是否有空余場地可以用來打井；了解當地政府是否允許開鑿水源熱泵水井，有哪些規定和辦理程序；通過水利部門和地質勘探部門了解地下水狀況、水井工藝要求、打井成本、水質、水量、水溫等詳細資料。

　　空調水井一般采用鉆機施工，根據地層結構不同選擇采用回旋鉆或沖擊鉆。水井開孔直徑一般為600毫米左右；井管常采用鋼管、球墨鑄鐵管、高壓水泥管等，直徑一般在300毫米左右；井管和泥孔壁之間用濾料填實，濾料一般采用直徑2毫米至20毫米不等的石英砂等材料，上部用粘土球填實（基巖地質結構一般只需下骨架管，無需下井管）。井口制作閥門井池，安裝閥門、管道等設施，井池上方地面上安裝一個鑄鐵井蓋，不影響地面景觀與用途。

　　2、技術要點

　　A、采用這種方式，要根據項目所在地水文地質的實際情況確定適宜的水井深度，開鑿試驗井，再根據試驗井的單井出水量、項目設計總需水量確定出水井數量。為保證井水的循環再生利用效果，根據試驗井的含水層狀況，出水井要配置適當數量的回水井，輔以異層抽灌、加壓回灌、真空回灌、單井回灌等措施，確保井水長期可靠地回灌。

　　B、根據當地地層構造情況以及地下水的流動特性，合理選擇井間距。間距太近，可能會造成地下串水或溫度場的相互影響，使得出水水溫來不及恢復，不能長時間滿足系統運轉；間距太遠，可能造成場地不夠或回灌速度太慢等情況。具體設計也要根據試驗井的含水層狀況確定。

　　C、嚴格把握水井施工質量，絕不能等同于一般灌溉井的施工。水井施工工藝必須保證出水量、回灌量達到項目設計要求，保證含砂量小于十萬分之一。

　　D、井水管網采用雙管制，便于水井的功能替換，自動洗井等。

　　E、如果當地地下水屬較強酸堿腐蝕性，要增加換熱裝置，地下水不直接進主機和機房管線，或采用或采用海水型機組。

　　二、地表水水源的取能方式

　　（一）海水取能方式

　　1、基本介紹

　　該取能方式特別適合濱海城市、旅游觀光點、濱海酒店、海島邊防站等項目。海水取能方式的原理和井水取能方式的原理相同，只是這里用海水代替了井水。這種方式需要直接抽取海水，采用海水性水源熱泵機組進行換熱。

　　2、技術要點

　　A、海水同時具有化學腐蝕性和生物腐蝕性。海水的抽取、輸送都要采取防腐蝕水泵、管道（一般可采用合適塑料管）。

　　B、充分進行海水處理。不僅要進行除砂處理，還要進行防垢處理、生物滅殺處理等。

　　C、根據現場情況合理設計取水安裝方案。要便于安裝、檢修，要保證取水口處的海水深度，要考慮到海浪的沖擊，要考慮到潮位變化。

　　D、掌握準確的海水冬夏溫度變化的數據，計算正確的海水需用量。

　　E、我國海岸線綿長，不同地區的水溫、岸邊情況區別較大，需個別特殊設計。根據海水在冬夏季節實際溫度，充分考慮主機的相應工況表現，正確選配機組設備。

　　1、基本介紹

　　江河湖水取能方式的原理和井水取能方式的原理相同，只是這里用江河湖水代替了井水。這種方式需要直接抽取江河湖水，取用水的方案稱為取水工程，分為岸邊取水和湖（江河）床取水兩種方式；可采用普通水源熱泵機組進行換熱。

　　2、技術要點該取能方式的技術要點是取水工藝。所取用的水源必須保證：A、根據當地江河湖水在不同水層的水溫以及在不同季節時的變化程度，取用合適深度水層的水源。

　　B、取水口位置應保證水質潔凈，安裝過濾裝置。

　　C、充分考慮到枯水、豐水季節時水位的變化，考慮風浪的影響，航道的影響。

　　D、保證安裝可靠，檢修方便。

　　因為靠近堤岸的水下地形一般都比較平緩，要想達到一定深度，往往需要將取水口設置遠離岸邊，這就要求有相配套的取水工程施工，主要的兩種辦法介紹如下：

　　【岸邊取水方式】

　　1）在岸邊合適位置選址打井，使水通過滲透進入井中，再下潛水泵取水。

　　2）將水泵房建在岸邊，水經過過濾格柵進入泵房內水池，再由水泵抽取。

　　3）從岸邊向堤內建造水泥棧橋，在棧橋端部設平臺架設潛水泵，伸進江河湖中合適深度取水。

　　1）在岸邊合適位置選址打較大口徑深井（30—50米），如水不能通過滲透進入井中，可在井底部水平向湖底方向開挖導流洞將足夠流量的水引入井中，再用潛水泵取用。

　　2）在保證湖（江河）水深度的水面上設浮箱，內設水泵，將吸水管伸進一定深度的湖（江河）內取水。

　　3）將潛水泵放在合適的取水籠中，直接沉到合適深度的水底，通過高強度塑料管道貼湖（江河）底輸送到岸上。（詳見《取水工程》一書）

　　江、河、湖水取能方式需要根據項目現場的具體情況對取水方案進行精心設計。水溫在30℃以下的水源，用于夏季供冷是非常經濟的，如能選取較低水溫（7—12℃）的深度取水，不必開動水源熱泵主機，直接進行供冷，可大量節省運行費用。我國偏南且冬季不結冰地區，如水源有一定的深度保證，冬季水溫能持續保證在4℃以上，也適合于從中提取能量供暖、供熱水。

　　三、地埋管取能方式

　　1、基本介紹地埋管取能方式是利用深埋在地下的閉式循環水管路系統與地層巖土進行換熱，換熱后的循環水將能量傳給水源熱泵主機，實現能量供給。通常也稱這個系統為：“閉式地源熱泵系統”或“地耦合地源熱泵系統”； 埋在地下的封閉循環管路稱為“地熱換熱器”，它的形式有兩種：水平埋管、豎直埋管。水平埋管是在地面挖出1-2米深的溝，每個溝內埋設2、4或者6根塑料管，并連形成封閉網狀系統；豎直埋管是在地層中鉆直徑為0.1—0.15米的鉆孔，鉆深30—150米，在每個孔中設置一組或兩組U型塑料管并用灌漿材料灌實，再整個連成封閉網狀系統。

　　2、技術要點

　　A、科學合理計算建筑物需要的能量，減少富余量，避免造成過于龐大的地埋管施工量。

　　B、充分對當地地層進行了解，如有條件要對地層巖土的傳熱系數、熱擴散系數進行測量，科學計算或估算所需地熱換熱器的管長。

　　C、平埋時應根據當地凍土層厚度確保合理的埋管深度，以免受地面溫度的影響；豎直埋管時每孔間距要大于3--4米，水平連接總管的埋深也要保證在當地凍土層厚度以下。

　　D、閉式系統進行聯網連接時，要注意同程原理。

　　E、施工設計時合理設計檢修點，便于將來故障排查。

　　F、注意施工過程中的回填工藝質量，過程中保證少三次試壓。

　　地埋管取能方式適用于缺乏水源的項目，雖然前期投資相對較大，但建成后一勞永逸，系統可以正常使用50年左右。采用地埋管取能方式，前期需要注意計算建筑物周邊是否具有足夠的埋管場地。如果冬夏冷熱負荷量差距較大，還需考慮采用冷卻塔或備用熱源進行負荷調節。

　　四、廢熱水源取能方式

　　（一）污水/中水水源的取能方式

　　1、基本介紹污水水源熱泵是通過提取城市原生污水中的溫差，將污水中低品質的恒溫能量“汲取”出來，實現夏季供冷、冬季供暖、生活熱水全年保障的“三聯供”，創造性的化污為“寶”，變成可利用的再生能源，是節能減排的一個新途徑。污水水源中含有固態雜質，需要加裝污水全自動除污設備進行處理，由于水質具有一定的腐蝕性，污水不直接進主機，要增加換熱裝置，或采用防腐型污水水源熱泵機組。

　　中水是指生活污水處理后，達到規定的水質標準，可在一定范圍內重復使用的非飲用水。中水水溫一般夏季在27--32℃左右，冬季在7—12℃左右（北方寒冷地區需實際了解）。這些中水一般通過直埋大口徑混凝土管道輸送到城內河道、水景湖等處，所以在輸送過程中溫度受外界環境影響不大。一個中等規模的城市污水處理廠日處理生活污水可達10萬噸，所以，管道沿途的建筑物可以利用中水源熱泵系統對該水源中的量加以利用，實現夏季供冷、冬季供暖、生活熱水全年保障的“三聯供”。中水的取用一般是經過市政管理部門同意或合作，在建筑物附近對中水管道進行開口，在管道上對接一個取水口，在取水口下游對接一個入水口，以便將一定量的中水引入主機站通過水源熱泵加以利用，再排回中水管道。

　　2、技術要點

　　A、中水水質潔凈，可以直接進入主機進行換熱，工藝簡單、方便。根據中水的實際溫度設計計算合適的中水取用量，安裝相應合理口徑的管道及水泵。

　　B、因為中水管道一般為混凝土管道，取水管道一般用鋼管，所以，在中水管道上開口以及實現兩種材質管道的無泄漏對接是一個關鍵技術。一般采用相應口徑的鋼制承插管件，該管件與混凝土管連接時，采用石棉水泥、膨脹水泥等措施對邊縫進行密封。

　　C、污水處理廠一般每年都有一個停產檢修階段，對中水管道的施工要在這個時期抓緊進行。

　　D、在機房內中水回水管路上，安裝一臺合適的增壓循環泵，主要是為了補充所取用的中水在機房內管路上的壓力損失，以便于回到中水主管路時能順利匯入。

　　污水、中水水源熱泵系統必須確保穩定、連續的充足水源供應，不能因上游管道的堵塞或污水處理廠的臨時停運而造成水源的間斷供應，從而造成系統不能正常運行。

　　（二）工業尾水取能方式

　　1、基本介紹

　　在很多工業生產過程中會產生大量的熱能，在保證生產工藝需要后，很多熱量需要快速排出或直接排放。比如：化工廠的冷凝工段、鋼鐵廠的冷卻工段、熱電廠的冷卻工段、焦化廠的燒制工段等都有大量的余熱排出。這些余熱排出的形式一般有熱水和熱氣兩種形式，對這部分能量的回收取用可以通過板換、熱管等技術，把熱量換取到二次能源水中，再使用水源熱泵技術加以提取利用。采用這種技術既可以達到廢熱利用，節約能源的目的，又可以與生產工藝緊密結合，實現工藝目的，降低生產成本。

　　2、技術要點

　　A、要仔細研究工廠生產工藝流程，有機結合原有管道系統，必須做到不影響正常生產，有利于正常生產。

　　B、水溫在5℃以上的各種水源均可有效利用，根據熱水溫度、熱水成分、特點，設計合理的取能工藝技術方案。

　　C、采用熱管等科學合理的技術手段，將多種形式的生產廢熱回收并用水作為介質輸出，達到節能降耗的目的，實現生產、供暖雙功能。

　　D、提取熱能后的工業尾水水溫可降至4--8℃，可循環用于工業冷卻，達到節約用水的目的。

　　（三）地熱尾水取能方式

　　1、基本介紹

　　地熱水是指水井深度在1000米以下、溫度在40℃--90℃的溫泉水。地熱水常用來直接供暖，尾水排走時水溫仍然在30--35℃左右。為了有效利用低溫尾水，使用水源熱泵技術提取利用其中的熱能，根據供暖系統的需要制取出水溫在45—80℃的取暖用水，在原有水量條件下，供暖面積可大大增加。

　　2、技術要點A、根據尾水的溫度、流量及可提取溫差準確計算通過尾水所能提取的能量，由此，再結合建筑物的需熱量，計算出可以供應的建筑物面積。

　　B、工藝原理圖可參照工業廢水取能工藝圖。尾水可循環利用直至終排出的水溫降至3℃。

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