1、影響水源熱泵運行工效的水量水溫等因素摘要：水源是應用水源熱泵的前提。 文中闡述了影響水源熱泵運行工效的水源系 統(tǒng)的水量、水溫、水質(zhì)和供水穩(wěn)定性等因素。介紹了各類水源、取水構(gòu)筑物、水 處理技術(shù)、回灌技術(shù)，指出了水源方案設計和施工中應注意的一些問題。關鍵詞： 水源熱泵 運行工效 取水回灌清華同方人工環(huán)境設備公司今年向市場投放了節(jié)能、環(huán)保型新產(chǎn)品一GHP型水源中央空調(diào)系統(tǒng)。 國內(nèi)其它廠家也有類似產(chǎn)品面市， 如“節(jié)能冷暖機”、 “地 溫冷暖機”，“地溫空調(diào)”，“地溫熱泵”等。名稱雖然各異，但基本同屬熱泵 類產(chǎn)品。熱泵能有效利用空氣、 水體和土壤中蘊藏的低溫位熱能。 水源熱泵系統(tǒng) 是 21 世紀能源利用

2、的最優(yōu)方式之一。適合、可靠的水源是有效應用水源熱泵的 前提，推廣利用水源熱泵技術(shù)時，應注意解決好相關的水源問題。1 、水源熱泵工作原理及其系統(tǒng)構(gòu)成“熱泵”這一術(shù)語是借鑒“水泵”一詞得來。 在自然環(huán)境中，水往低處流動， 熱向低溫位傳遞。 水泵將水從低處泵送到高處利用。 而熱泵可將低溫位熱能“泵 送”（交換傳遞）到高溫位提供利用。 在我國暖通空調(diào)術(shù)語標準 （ GB50155-92） 中，對“熱泵”的解釋是“能實現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器功能轉(zhuǎn)換的制冷機”； 在新 國際制冷詞典（ NewInternationalDictionaryofRefrigeration ）中，對“熱 泵”的解釋是“以冷凝器放出的熱量

3、來供熱的制冷系統(tǒng)”。 可見，熱泵在本質(zhì)上 是與制冷機相同的，只是運行工況不同。其工作原理是，由電能驅(qū)動壓縮機，使 工質(zhì)（如R22）循環(huán)運動反復發(fā)生物理相變過程，分別在蒸發(fā)器中氣化吸熱、在 冷凝器中液化放熱， 使熱量不斷得到交換傳遞， 并通過閥門切換使機組實現(xiàn)制熱 （或制冷）功能。在此過程中，熱泵的壓縮機需要一定量的高位電能驅(qū)動，其蒸 發(fā)器吸收的是低位熱能， 但熱泵輸出的熱量是可利用的高位熱能， 在數(shù)量上是其 所消耗的高位熱能和所吸收低位熱能的總和。 熱泵輸出功率與輸入功率之比稱為 熱泵性能系數(shù)，即COPfi（CoefficientofPerformanee ）。熱泵有多種，以水作 為熱源和供熱

4、介質(zhì)的熱泵稱為水源熱泵。水源熱泵性能系數(shù)（即COPfi）高于空 氣源熱泵，系統(tǒng)運行性能穩(wěn)定。水源熱泵工程是一項系統(tǒng)工程， 一般由水源系統(tǒng)、 水源熱泵機房系統(tǒng)和末端 散熱系統(tǒng)三部分組成。其中，水源系統(tǒng)包括水源、取水構(gòu)筑物、輸水管網(wǎng)和水處 理設備等。2 、水源熱泵對水源系統(tǒng)的要求水源系統(tǒng)的水量、 水溫、水質(zhì)和供水穩(wěn)定性是影響水源熱泵系統(tǒng)運行效果的重要因素。應用水源熱泵時，對水源系統(tǒng)的原則要求是：水量充足，水溫適度， 水質(zhì)適宜，供水穩(wěn)定。具體說，水源的水量，應當充足夠用，能滿足用戶制熱負荷或制冷負荷的需要。 如水量不足， 機組的制熱量和制冷量將隨之減少， 達不到 用戶要求。水源的水溫應適度，適合機組

5、運行工況要求。例如，清華同方 GHP 型水源中央空調(diào)系統(tǒng)在制熱運行工況時，水源水溫應為12 22C；在制冷運行工況時，水源水溫應為18 30C。水源的水質(zhì)，應適宜于系統(tǒng)機組、管道和閥 門的材質(zhì)， 不至于產(chǎn)生嚴重的腐蝕損壞。 水源系統(tǒng)供水保證率要高， 供水功能具 有長期可靠性，能保證水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)長期和穩(wěn)定運行。3、水源原則上講， 凡是水量、 水溫能夠滿足用戶制熱負荷或制冷復荷的需要， 水質(zhì) 對機組設備不產(chǎn)生腐蝕損壞的任何水源都可作為水源熱泵系統(tǒng)利用的水源， 既可 以是再生水源，也可以是自然水源。3.1 再生水源是指人工利用后排放但經(jīng)過處理的城市生活污水、 工業(yè)廢水、 礦山廢水、 油 田廢

6、水和熱電廠冷卻水等水源， 有條件利用再生水源的用戶， 變廢為利， 可減少 初投資，節(jié)約水資源。但對大多數(shù)用戶來說，可供選擇的是自然界中的水源。3.2 自然界中的水源自然界中的水分布于大氣圈、地球表面和地殼巖石中，分別稱之為大氣水、 地表水和地下水。陸地上的地表水和地下水均來自于大氣降水。地表水中的海水約占自然界水總儲量的 96.5%。濱海城市有條件利用海水， 國外有應用海水作熱泵水源的實例。 我國一些沿海城市利用海水作工業(yè)冷卻水源 已有多年歷史。 近年，國內(nèi)有用海水作熱泵水源的研究， 但海水水源熱泵技術(shù)的 實用化尚待時日。陸地上的地表水，即江、河、湖、水庫水比海水和地下水礦化 度低，但含泥沙等

7、固體顆粒物、 膠質(zhì)懸浮物及藻類等有機物較多， 含砂量和渾濁 度較高，須經(jīng)必要處理方可作熱泵水源。地下水是指埋藏和運移在地表以下含水層中的的水體。 地下水分布廣泛， 水 質(zhì)比地表水好， 水溫隨氣候變化比地表水小， 是水源中央空調(diào)可以利用的較為理 想的水源。3.3 水量與水源的選擇水量是影響水源熱泵系統(tǒng)工作效果的關鍵因素， 一項工程所需水量多少由該 工程負荷與機組性能確定， 所選擇的水源水量應滿足負荷要求。 如果其他各種條 件均具備， 但水量略有不足， 其缺口可采取一定輔助彌補措施解決。 如水量缺口 較大，不能滿足負荷要求，就應考慮其他方案。就某項具體工程而言，應從實際 情況出發(fā)， 判斷是否具備可

8、利用的水源。 不同工程的場地環(huán)境和水文地質(zhì)條件千 差萬別，可利用的水源各不相同， 應因地制宜地選擇適用水源。 當有不同水源可 供選擇時，應通過技術(shù)經(jīng)濟分析比較，擇優(yōu)確定。4 、水質(zhì)自然界中的水處于無休止循環(huán)運動中， 不斷與大氣、 土壤和巖石等環(huán)境介質(zhì) 接觸、互相作用，使其具有復雜的化學成分、化學性質(zhì)和物理性質(zhì)。應用水源熱 泵時，除應關心水源水量外，還應關注水的溫度、化學成分、渾濁度、硬度、礦 化度和腐蝕性等因素。 但是，目前對水源熱泵所用水源的水質(zhì)尚無有關規(guī)定， 本 文所提數(shù)據(jù)參考了冷卻水水質(zhì)標準和某些地下水回灌水質(zhì)的有關規(guī)定。4.1 溫度地表水水溫隨季節(jié)、 緯度和高程不同而變化。 長江以北和

9、高原地區(qū)， 冬季地 表水結(jié)冰，無法利用于制熱供暖。夏季水溫一般低于30C，可用于制冷空調(diào)。地下水水溫隨自然地理環(huán)境、 地質(zhì)條件及循環(huán)深度不同而變化。 近地表處為 變溫帶， 變溫帶之下的一定深度為恒溫帶， 地下水溫不受太陽輻射影響。 不同緯 度地區(qū)的恒溫帶深度不同，水溫范圍 10 22 Co 恒溫帶向下，地下水溫隨深度 增加而升高， 升高多少取決于不同地域和不同巖性的地熱增溫率。 地殼平均地熱 增溫率為2.5 C /100m，大于這一數(shù)值為地熱異常。富含地下水的地熱異常區(qū)可 形成地熱田。據(jù)1997年統(tǒng)計數(shù)字，全國已發(fā)現(xiàn)地熱點3200多處，開發(fā)利用130 處地熱田，年開采地熱水3.45億m3目前，

10、許多地熱用戶排放棄水溫度較高（約 40C） o應用水源熱泵可使棄水中的 30C溫差得到再利用，大大提高地熱能利 用率。4.2 含砂量與渾濁度有些水源含有泥沙、 有機物與膠體懸浮物， 使水變得渾濁。 水源含砂量高對 機組和管閥會造成磨損。 含砂量和渾濁度高的水用于地下水回灌會造成含水層堵 塞。用于水源熱泵系統(tǒng)的水源，含砂量應V 1/20萬，渾濁度v 20毫克/升。如果 水源熱泵系統(tǒng)中裝有板式換熱器，水源水中固體顆粒物的粒徑應V0.5毫米。4.3 水的化學成分及其化學性質(zhì)自然界水中溶有不同離子、分子、化合物和氣體，使得水具有有酸堿度、硬度、礦化度和腐蝕性等化學性質(zhì)，對機組材質(zhì)有一定影響。酸堿度水的

11、pH值小于7時，呈酸性，反之呈堿性。水源熱泵的水源pH值應 為 6.5-8.5 。硬度水中Ca2+ Mg2總量稱為總硬度。硬度大，易生垢。水源熱泵水源水 中的CaO含量應v 200mg/L=礦化度單位容積水中所含各種離子、 分子、化合物的總量稱為總礦化度， 用 于水源熱泵系統(tǒng)的水源水礦化度應v 3g/L o腐蝕性水中Cl-、游離CO2等都具腐蝕性，溶解氧的存在加大了對金屬管道的腐蝕破壞作用。應用水源熱泵系統(tǒng)時，對腐蝕性、硬度高的水源，應在系統(tǒng)中 加裝抗腐蝕的不銹鋼換熱器或鈦板換熱器。5、取水構(gòu)筑物從水源地向水源熱泵機房供水， 需建取水構(gòu)筑物。 依據(jù)水源不同， 取水構(gòu)筑 物可分為地表水取水構(gòu)筑物

12、和地下水取水構(gòu)筑物兩類。5.1 地表水取水構(gòu)筑物按結(jié)構(gòu)形式地表水取水構(gòu)筑物可分為活動式和固定式兩種。 活動式地表水取 水構(gòu)筑物有浮船式和活動纜車式。 較常用的是固定式地表水取水構(gòu)筑物， 其種類 較多，但一般都包括進水口、導水管（或水平集水管）和集水井，地表水取水構(gòu) 筑物受水源流量、流速、水位影響較大，施工較復雜，要針對具體情況選擇施工5.2 地下水取水構(gòu)筑物地下水取水構(gòu)筑物有管井、大口井、結(jié)合井、輻射井和滲渠等類型，表 1 列出了地下水取水構(gòu)筑物的型式及適用范圍 1 。在實際工程中，應根據(jù)地下水 埋深、含水層厚度、出水量大小、技術(shù)經(jīng)濟條件不同選取不同形式。5.3 管井地下水取水構(gòu)筑物中最常見的

13、型式是管井，一般由井孔、井壁管、濾水管、 沉砂管組成。井孔用鉆機鉆成，井壁管安裝在非含水層處，用以支撐井孔孔壁， 防止坍塌，井管與孔口周圍用粘土或水泥等不透水材料封閉， 防止地面污水滲入； 濾水管安裝在含水層處， 除有井壁管作用外其主要作用是濾水擋砂； 井管最底部 為沉砂管，用以沉積水中泥沙，延長管井使用壽命。6、水源系統(tǒng)設計和施工中應注意的問題6.1 供水水源的可行性研究擬采用水源熱泵系統(tǒng)時， 應先調(diào)查工程場地的供水水源條件， 向當?shù)厮芾?部門咨詢或請專業(yè)隊伍進行必要的水文地質(zhì)調(diào)查或水文地球物理勘查， 了解是否 有適合水源熱泵利用的水源， 通過可行性研究， 確定利用地表水或是地下水的供 水

14、水源方案。6.2 地表水源工程設計與施工當選用地表水源時， 設計取水量要考慮水溫因素和需水量的保證率， 取水構(gòu) 筑物標高與洪水季節(jié)水位的關系。施工應同時考慮供水管和排水管的布置。6.3 管井工程設計和施工擬選擇地下水源和管井取水方案時， 對規(guī)模較大的工程，應根據(jù)所需水量和 地下水回灌需要，結(jié)合場地環(huán)境和水文地質(zhì)條件，按一定采灌比確定抽水井和回 灌井井數(shù)、合理布置井位和井間距。井深應大于變溫帶深度，以保證冬季水源水 溫度10C。為防止回灌井堵塞，確保水源系統(tǒng)長期穩(wěn)定供水，抽水井和回灌井 應互相切換使用，因此各個井的井深和井身結(jié)構(gòu)應相近。 井中濾水管和濾網(wǎng)應有 一定強度，能承受抽灌往復水流的壓力變

15、換。6.4 管井施工質(zhì)量必須十分重視管井質(zhì)量問題。應找專業(yè)隊伍施工，做好每一工藝環(huán)節(jié)，建成 優(yōu)質(zhì)井，才能獲得較大出水量和優(yōu)質(zhì)水。一口優(yōu)質(zhì)井可以使用二十多年。成井質(zhì) 量不好，不僅影響井的壽命，還影響到取水和回灌效果，最終影響水源熱泵正常 工作和制熱或制冷效果。甲方應參與最后階段的抽水試驗工作，認定可信和準確 的抽水試驗結(jié)果數(shù)據(jù)。管井竣工后，應由甲方、施工單位和行政主管部門或監(jiān)理 會同到現(xiàn)場，按合同規(guī)定的水量、水溫和水質(zhì)進行工程質(zhì)量驗收。表1.地下水取水構(gòu)筑物的形式及適用范圍形 式尺寸深度(m)適用范圍出水量(m3/d)地下 水類 型地下 水埋 深含水 層厚 度水文 地質(zhì) 特征管 井井徑50 10

16、00mm15 600mr井深20 1000m, 常用300m以內(nèi)潛 水, 承壓 水, 裂隙 水, 溶洞 水200仃以內(nèi)， 常用 在70m以內(nèi)1大于5m或有多 層含 水層適用 于任 何砂、 卵石、 礫石 地層 及構(gòu) 造裂 隙、巖 溶裂 隙地 帶單井出水量500-6000m3/d,最大可達2-3萬 m3/d大 口 井井徑2 10m常用4 8m井深在20m以內(nèi)，常用6 15m潛水, 承壓 水一般在10m以內(nèi)一般 為5-15m砂、卵 石、礫 石地 層，滲 透系 數(shù)最 好在 20m/d 以上單井出水量500-1 萬 m3/d,最大為2-3萬m3/d輻集水井直徑4 6m,輻集水井井深潛埋深一般補給單井為射

17、 井射管直徑50-300mm常 用 75 150mm3 12m水, 承壓 水12m以 內(nèi)， 輻射 管距 降水 層應 大于1m大于2m良好 的中 粗砂、 礫石 層，但 不可 含有 飄礫50005 萬 m3/d,最大為3.1 萬 m3/d滲 直徑為450 1500mm, 渠 常用為600 1000mm埋深10m以內(nèi)，常用46m潛 水, 河床 滲透 水一般埋深8m以內(nèi)一般 為46m補給 良好 的中 粗砂、 礫石、 卵石 層一般為10 30m3/d.m,最大為50-100m3/d.m7、水質(zhì)處理與節(jié)水技術(shù)7.1 水處理技術(shù)如果水源的水質(zhì)不適宜水源熱泵機組使用時，可以采取相應的技術(shù)措施進行 水質(zhì)處理，使

18、其符合機組要求。在水源系統(tǒng)中經(jīng)常采用的水處理技術(shù)有以下幾種：除砂器與沉淀池當水源水中含砂量較高時， 可在水源水管路系統(tǒng)中加裝旋流 除砂器，降低水中含砂量，避免機組和管閥遭受磨損和堵塞。 國產(chǎn)旋流除砂器占 地面積較小，有不同規(guī)格，可按標準處理流量選配除砂器型號和臺數(shù)。如果工程 場地面積較大，也可修建沉淀池除砂。沉淀池費用比除砂器低，但占地面積大。凈水過濾器有些水源，渾濁度較大，用于回灌時容易造成管井濾水管和含水 層堵塞，影響供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命。 對渾濁度大的水源，可以安裝凈水 器進行過濾。電子水處理儀在水源中央空調(diào)系統(tǒng)運行過程中，冷凝器中的循環(huán)水溫度較 高，特別是在冬季制熱工況下，水溫常

19、常在 50C以上，水中的鈣、鎂離子容易 析出結(jié)垢，影響換熱效果。通常在冷凝器循環(huán)水管路中安裝電子水處理儀，防止管路結(jié)垢。板式換熱器有些水源礦化度較高，對金屬的腐蝕性較強，如直接進入機組會 因腐蝕作用減少機組使用壽命。如果通過水處理的辦法減少礦化度，費用很大。 通常采用加裝板式換熱器中間換熱的方式， 把水源水與機組隔離開，使機組徹底 避免了水源水可能產(chǎn)生的腐蝕作用。當水源水的礦化度小于350mg/L時,水源系統(tǒng)可以不加換熱器，采用直供連接。當水源水礦化度為350-500mg/L時，可以安 裝不銹鋼板式換熱器。當水源水礦化度500mg/L時，應安裝抗腐蝕性強的鈦合 金板式換熱器。也可安裝容積式換熱

20、器，費用比板式換熱器少，但占地面積大。除鐵設備水源中央空調(diào)系統(tǒng)也可以用來供應生活熱水。但有時水源水中含鐵較 多，雖然對制熱沒有影響， 洗浴時對人體健康也不會造成損害， 但溶于水中的鐵 容易生成氫氧化鐵沉淀在衛(wèi)生潔具上， 形成有礙視覺感官的褐色污漬。 當水中含 鐵量0.3mg/L時，應在水系統(tǒng)中安裝除鐵處理設備。7.2 節(jié)水節(jié)電技術(shù)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的水資源費和井泵運行費往往是工程系統(tǒng)運行費的最大 開支，為合理有效利用水源， 減少水源浪費和節(jié)約電費， 在系統(tǒng)設計中應考慮采 用節(jié)水和節(jié)電技術(shù)措施?；焖鳛楣?jié)約水源水用量， 可在系統(tǒng)中安裝混水設備， 一般采用容積式混水 器，也可采用射流式混水器。前者體

21、積大費用低，后者體積小費用高。變頻調(diào)速器為節(jié)約水源水量和電量， 可以安裝變頻調(diào)速器控制水源水泵， 取 得減少耗水量和耗電量的效果。8、地下水人工補給（俗稱回灌） 28.1 人工回灌及其目的所謂地下水人工補給 （即回灌） ，就是將被水源熱泵機組交換熱量后排出的 水再注入地下含水層中去。 這樣做可以補充地下水源， 調(diào)節(jié)水位，維持儲量平衡； 可以回灌儲能， 提供冷熱源， 如冬灌夏用， 夏灌冬用； 可以保持含水層水頭壓力， 防止地面沉降。所以，為保護地下水資源，確保水源熱泵系統(tǒng)長期可靠地運行， 水源熱泵系統(tǒng)工程中一般應采取回灌措施。8.2 回灌水的水質(zhì)目前，尚無回灌水水質(zhì)的國家標準，各地區(qū)和各部門制定

22、的標準不盡相同。 應注意的原則是： 回灌水質(zhì)要好于或等于原地下水水質(zhì)， 回灌后不會引起區(qū)域性 地下水水質(zhì)污染。實際上，水源水經(jīng)過熱泵機組后，只是交換了熱量，水質(zhì)幾乎 沒發(fā)生變化，回灌不會引起地下水污染。8.3 回灌類型根據(jù)工程場地的實際情況， 可采用地面滲入補給， 誘導補給和注入補給。 注 入式回灌一般利用管井進行， 常采用無壓 （自流） 、負壓（真空）和加壓（正壓） 回灌等方法。無壓自流回灌適于含水層滲透性好， 井中有回灌水位和靜止水位差。 真空負壓回灌適于地下水位埋藏深（靜水位埋深在 10 米以下），含水層滲透性 好。加壓回灌適用于地下水位高，透水性差的地層。對于抽灌兩用井，為防止井 間互

23、相干擾，應控制合理井距。8.4 回灌量回灌量大小與水文地質(zhì)條件、 成井工藝、 回灌方法等因素有關， 其中水文地 質(zhì)條件是影響回灌量的主要因素。 一般說， 出水量大的井回灌量也大。 在基巖裂 隙含水層和巖溶含水層中回灌， 在一個回灌年度內(nèi)， 回灌水位和單位回灌量變化 都不大; 在礫卵石含水層中，單位回灌量一般為單位出水量的 80%以上。在粗砂 含水層中，回灌量是出水量的 50-70%。細砂含水層中，單位回灌量是單位出水 量的 30-50%。采灌比是確定抽灌井數(shù)的主要依據(jù)。8.5 回揚為預防和處理管井堵塞主要采用回揚的方法， 所謂回揚即在回灌井中開泵抽 排水中堵塞物。每口回灌井回揚次數(shù)和回揚持續(xù)時

24、間主要由含水層顆粒大小和滲 透性而定。在巖溶裂隙含水層進行管井回灌，長期不回揚，回灌能力仍能維持； 在松散粗大顆粒含水層進行管井回灌，回揚時間約一周 12 次；在中、細顆粒 含水層里進行管井回灌，回揚間隔時間應進一縮短，每天應 12 次。在回灌過 程中，掌握適當回揚次數(shù)和時間， 才能獲得好的回灌效果， 如果怕回揚多占時間， 少回揚甚至不回揚， 結(jié)果管井和含水層受堵， 反而得不償失。 回揚持續(xù)時間以渾 水出完，見到清水為止。對細顆粒含水層來說，回揚尤為重要。實驗證實：在幾 次回灌之間進行回揚與連續(xù)回灌不進行回揚相比， 前者能恢復回灌水位， 保證回 灌井正常工作。9、應用水源熱泵的限制條件水源熱泵

25、中央空調(diào)系統(tǒng)是一種高效、 節(jié)能、環(huán)保型產(chǎn)品， 但并不是在任何條 件下都可以應用。其制約條件是電源和水源。目前，我國電力供應較充足，容易 解決。而水源則是其主要限制條件， 沒有適合可靠的水源， 就不能使用水源熱泵。 例如有些工程規(guī)模大， 制冷或制熱負荷大， 所需水源水量很多， 雖然工程場地有 一定面積，也可以鉆井，但因水資源量不足，難以完全滿足工程負荷需要。有些 工程所在場地下面雖然有地下水， 但是由于該工程地處繁華市區(qū)， 場地面積狹小， 無處布井取水，場地環(huán)境條件限制了水源熱泵系統(tǒng)的應用。10、水源熱泵應用工程實例10.1 工程概況為治理北京大氣污染， 北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院承擔完成了地熱加水源

26、熱泵供 暖示范工程項目。該工程平面示意圖見圖 1，冬季供暖的辦公樓和家屬樓共 6 幢， 建筑面積約 3 萬平方米，磚混結(jié)構(gòu)，原暖通設計為燃煤鍋爐供暖， 末端為單管串 聯(lián)上送下回系統(tǒng)，鑄鐵四柱813型暖氣片。示范工程熱源為地熱井，水溫 68C, 水量125m3/h,兩眼45m淺層第四系水井，水溫16C，單井出水量50m3/h,井間 距 100m。北2圖1地熱熱泵供曖工程平面圖梅超1幵勻Ffl熾 2 5萬川cxr忖換-一水瀝14030 a供主括雄水圖2地熱加水源熱泵供暖工藝流程示意圖點擊此處查看全部新聞圖片該工程因地熱鉆探施工周期限制，供暖試驗分兩期進行。工程流程示意圖見 圖2。一期工程從1999年12月5日至2000年3月8日，以16C地下水為熱源, 利用水源熱泵對五層綜合辦公樓進行供暖試驗。該樓建筑面積4078m2建筑高度18m三七墻，單層玻璃