水/地源热泵的常用取能方式

经过十余年的推广、应用和发展，水/地源热泵技术在中国很多地区和建筑领域都积累了大量的经验，得到了日益广泛的应用。采用这种技术

　　的关键环节在于科学的取能方式，如果保证了取能系统的设计合理、正确施工，那么整个工程可以说就成功了一大半。目前水/地源热泵技术的能量来源主要有四类方式—井水水源、地表水源、废热水源、土壤埋管。井水水源常用深度300米以上的浅表层井水；地表水源包括江、河、湖、海水源；废热水源包括污水、中水、工业废水、地热尾水；土壤埋管是指深度200米以上的垂直埋管式交换器。取能的途径有多种，正确的取能方式应该是广开思路、不拘一格，因地制宜、因用制宜，科学合理。下面根据“新思维”水/地源热泵技术的大量应用实践，对上述四类取能方式作简要介绍：

　　一、井水水源的取能方式

　　1、基本介绍

　　地球表面的浅层地下水温度常年保持基本恒定，不受外部环境干扰。这个温度夏季低于环境温度，冬季高于环境温度，非常适于水源热泵从其中提取冷量或热量供人们使用。尤其是，这部分地下水温度被提取后再回灌入地下，能够很快从地层环境中重新恢复温度，将地层中取之不竭的低位能量不断输出。

　　水井取能的方式就是将浅层地下水用潜水泵自出水井中抽出，通过管道输送到主机站，经过水源热泵换热器进行取能，满足主机正常运转，然后再经过管道输送到回水井，回灌到地下。

　　水源热泵项目的前期要了解建筑物周边是否有空余场地可以用来打井；了解当地政府是否允许开凿水源热泵水井，有哪些规定和办理程序；通过水利部门和地质勘探部门了解地下水状况、水井工艺要求、打井成本、水质、水量、水温等详细资料。

　　空调水井一般采用钻机施工，根据地层结构不同选择采用回旋钻或冲击钻。水井开孔直径一般为600毫米左右；井管常采用钢管、球墨铸铁管、高压水泥管等，直径一般在300毫米左右；井管和泥孔壁之间用滤料填实，滤料一般采用直径2毫米至20毫米不等的石英砂等材料，上部用粘土球填实（基岩地质结构一般只需下骨架管，无需下井管）。井口制作阀门井池，安装阀门、管道等设施，井池上方地面上安装一个铸铁井盖，不影响地面景观与用途。

　　2、技术要点

　　A、采用这种方式，要根据项目所在地水文地质的实际情况确定适宜的水井深度，开凿试验井，再根据试验井的单井出水量、项目设计总需水量确定出水井数量。为保证井水的循环再生利用效果，根据试验井的含水层状况，出水井要配置适当数量的回水井，辅以异层抽灌、加压回灌、真空回灌、单井回灌等措施，确保井水长期可靠地回灌。

　　B、根据当地地层构造情况以及地下水的流动特性，合理选择井间距。间距太近，可能会造成地下串水或温度场的相互影响，使得出水水温来不及恢复，不能长时间满足系统运转；间距太远，可能造成场地不够或回灌速度太慢等情况。具体设计也要根据试验井的含水层状况确定。

　　C、严格把握水井施工质量，绝不能等同于一般灌溉井的施工。水井施工工艺必须保证出水量、回灌量达到项目设计要求，保证含砂量小于十万分之一。

　　D、井水管网采用双管制，便于水井的功能替换，自动洗井等。

　　E、如果当地地下水属较强酸碱腐蚀性，要增加换热装置，地下水不直接进主机和机房管线，或采用或采用海水型机组。

　　二、地表水水源的取能方式

　　（一）海水取能方式

　　1、基本介绍

　　该取能方式特别适合滨海城市、旅游观光点、滨海酒店、海岛边防站等项目。海水取能方式的原理和井水取能方式的原理相同，只是这里用海水代替了井水。这种方式需要直接抽取海水，采用海水性水源热泵机组进行换热。

　　2、技术要点

　　A、海水同时具有化学腐蚀性和生物腐蚀性。海水的抽取、输送都要采取防腐蚀水泵、管道（一般可采用合适塑料管）。

　　B、充分进行海水处理。不仅要进行除砂处理，还要进行防垢处理、生物灭杀处理等。

　　C、根据现场情况合理设计取水安装方案。要便于安装、检修，要保证取水口处的海水深度，要考虑到海浪的冲击，要考虑到潮位变化。

　　D、掌握准确的海水冬夏温度变化的数据，计算正确的海水需用量。

　　E、我国海岸线绵长，不同地区的水温、岸边情况区别较大，需个别特殊设计。根据海水在冬夏季节实际温度，充分考虑主机的相应工况表现，正确选配机组设备。

　　1、基本介绍

　　江河湖水取能方式的原理和井水取能方式的原理相同，只是这里用江河湖水代替了井水。这种方式需要直接抽取江河湖水，取用水的方案称为取水工程，分为岸边取水和湖（江河）床取水两种方式；可采用普通水源热泵机组进行换热。

　　2、技术要点该取能方式的技术要点是取水工艺。所取用的水源必须保证：A、根据当地江河湖水在不同水层的水温以及在不同季节时的变化程度，取用合适深度水层的水源。

　　B、取水口位置应保证水质洁净，安装过滤装置。

　　C、充分考虑到枯水、丰水季节时水位的变化，考虑风浪的影响，航道的影响。

　　D、保证安装可靠，检修方便。

　　因为靠近堤岸的水下地形一般都比较平缓，要想达到一定深度，往往需要将取水口设置远离岸边，这就要求有相配套的取水工程施工，主要的两种办法介绍如下：

　　【岸边取水方式】

　　1）在岸边合适位置选址打井，使水通过渗透进入井中，再下潜水泵取水。

　　2）将水泵房建在岸边，水经过过滤格栅进入泵房内水池，再由水泵抽取。

　　3）从岸边向堤内建造水泥栈桥，在栈桥端部设平台架设潜水泵，伸进江河湖中合适深度取水。

　　1）在岸边合适位置选址打较大口径深井（30—50米），如水不能通过渗透进入井中，可在井底部水平向湖底方向开挖导流洞将足够流量的水引入井中，再用潜水泵取用。

　　2）在保证湖（江河）水深度的水面上设浮箱，内设水泵，将吸水管伸进一定深度的湖（江河）内取水。

　　3）将潜水泵放在合适的取水笼中，直接沉到合适深度的水底，通过高强度塑料管道贴湖（江河）底输送到岸上。（详见《取水工程》一书）

　　江、河、湖水取能方式需要根据项目现场的具体情况对取水方案进行精心设计。水温在30℃以下的水源，用于夏季供冷是非常经济的，如能选取较低水温（7—12℃）的深度取水，不必开动水源热泵主机，直接进行供冷，可大量节省运行费用。我国偏南且冬季不结冰地区，如水源有一定的深度保证，冬季水温能持续保证在4℃以上，也适合于从中提取能量供暖、供热水。

　　三、地埋管取能方式

　　1、基本介绍地埋管取能方式是利用深埋在地下的闭式循环水管路系统与地层岩土进行换热，换热后的循环水将能量传给水源热泵主机，实现能量供给。通常也称这个系统为：“闭式地源热泵系统”或“地耦合地源热泵系统”； 埋在地下的封闭循环管路称为“地热换热器”，它的形式有两种：水平埋管、竖直埋管。水平埋管是在地面挖出1-2米深的沟，每个沟内埋设2、4或者6根塑料管，并连形成封闭网状系统；竖直埋管是在地层中钻直径为0.1—0.15米的钻孔，钻深30—150米，在每个孔中设置一组或两组U型塑料管并用灌浆材料灌实，再整个连成封闭网状系统。

　　2、技术要点

　　A、科学合理计算建筑物需要的能量，减少富余量，避免造成过于庞大的地埋管施工量。

　　B、充分对当地地层进行了解，如有条件要对地层岩土的传热系数、热扩散系数进行测量，科学计算或估算所需地热换热器的管长。

　　C、平埋时应根据当地冻土层厚度确保合理的埋管深度，以免受地面温度的影响；竖直埋管时每孔间距要大于3--4米，水平连接总管的埋深也要保证在当地冻土层厚度以下。

　　D、闭式系统进行联网连接时，要注意同程原理。

　　E、施工设计时合理设计检修点，便于将来故障排查。

　　F、注意施工过程中的回填工艺质量，过程中保证少三次试压。

　　地埋管取能方式适用于缺乏水源的项目，虽然前期投资相对较大，但建成后一劳永逸，系统可以正常使用50年左右。采用地埋管取能方式，前期需要注意计算建筑物周边是否具有足够的埋管场地。如果冬夏冷热负荷量差距较大，还需考虑采用冷却塔或备用热源进行负荷调节。

　　四、废热水源取能方式

　　（一）污水/中水水源的取能方式

　　1、基本介绍污水水源热泵是通过提取城市原生污水中的温差，将污水中低品质的恒温能量“汲取”出来，实现夏季供冷、冬季供暖、生活热水全年保障的“三联供”，创造性的化污为“宝”，变成可利用的再生能源，是节能减排的一个新途径。污水水源中含有固态杂质，需要加装污水全自动除污设备进行处理，由于水质具有一定的腐蚀性，污水不直接进主机，要增加换热装置，或采用防腐型污水水源热泵机组。

　　中水是指生活污水处理后，达到规定的水质标准，可在一定范围内重复使用的非饮用水。中水水温一般夏季在27--32℃左右，冬季在7—12℃左右（北方寒冷地区需实际了解）。这些中水一般通过直埋大口径混凝土管道输送到城内河道、水景湖等处，所以在输送过程中温度受外界环境影响不大。一个中等规模的城市污水处理厂日处理生活污水可达10万吨，所以，管道沿途的建筑物可以利用中水源热泵系统对该水源中的量加以利用，实现夏季供冷、冬季供暖、生活热水全年保障的“三联供”。中水的取用一般是经过市政管理部门同意或合作，在建筑物附近对中水管道进行开口，在管道上对接一个取水口，在取水口下游对接一个入水口，以便将一定量的中水引入主机站通过水源热泵加以利用，再排回中水管道。

　　2、技术要点

　　A、中水水质洁净，可以直接进入主机进行换热，工艺简单、方便。根据中水的实际温度设计计算合适的中水取用量，安装相应合理口径的管道及水泵。

　　B、因为中水管道一般为混凝土管道，取水管道一般用钢管，所以，在中水管道上开口以及实现两种材质管道的无泄漏对接是一个关键技术。一般采用相应口径的钢制承插管件，该管件与混凝土管连接时，采用石棉水泥、膨胀水泥等措施对边缝进行密封。

　　C、污水处理厂一般每年都有一个停产检修阶段，对中水管道的施工要在这个时期抓紧进行。

　　D、在机房内中水回水管路上，安装一台合适的增压循环泵，主要是为了补充所取用的中水在机房内管路上的压力损失，以便于回到中水主管路时能顺利汇入。

　　污水、中水水源热泵系统必须确保稳定、连续的充足水源供应，不能因上游管道的堵塞或污水处理厂的临时停运而造成水源的间断供应，从而造成系统不能正常运行。

　　（二）工业尾水取能方式

　　1、基本介绍

　　在很多工业生产过程中会产生大量的热能，在保证生产工艺需要后，很多热量需要快速排出或直接排放。比如：化工厂的冷凝工段、钢铁厂的冷却工段、热电厂的冷却工段、焦化厂的烧制工段等都有大量的余热排出。这些余热排出的形式一般有热水和热气两种形式，对这部分能量的回收取用可以通过板换、热管等技术，把热量换取到二次能源水中，再使用水源热泵技术加以提取利用。采用这种技术既可以达到废热利用，节约能源的目的，又可以与生产工艺紧密结合，实现工艺目的，降低生产成本。

　　2、技术要点

　　A、要仔细研究工厂生产工艺流程，有机结合原有管道系统，必须做到不影响正常生产，有利于正常生产。

　　B、水温在5℃以上的各种水源均可有效利用，根据热水温度、热水成分、特点，设计合理的取能工艺技术方案。

　　C、采用热管等科学合理的技术手段，将多种形式的生产废热回收并用水作为介质输出，达到节能降耗的目的，实现生产、供暖双功能。

　　D、提取热能后的工业尾水水温可降至4--8℃，可循环用于工业冷却，达到节约用水的目的。

　　（三）地热尾水取能方式

　　1、基本介绍

　　地热水是指水井深度在1000米以下、温度在40℃--90℃的温泉水。地热水常用来直接供暖，尾水排走时水温仍然在30--35℃左右。为了有效利用低温尾水，使用水源热泵技术提取利用其中的热能，根据供暖系统的需要制取出水温在45—80℃的取暖用水，在原有水量条件下，供暖面积可大大增加。

　　2、技术要点A、根据尾水的温度、流量及可提取温差准确计算通过尾水所能提取的能量，由此，再结合建筑物的需热量，计算出可以供应的建筑物面积。

　　B、工艺原理图可参照工业废水取能工艺图。尾水可循环利用直至终排出的水温降至3℃。

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