清華同方人工環境設備公司今年向市場推出了壹款節能環保的新產品——GHP水源中央空調系統。國內其他廠商市場上也有類似的產品，比如節能冷暖機、地熱冷暖機、地熱空調、地熱熱泵等等。雖然名稱不同，但基本都屬於熱泵產品。熱泵可以有效利用空氣、水和土壤中蘊含的低溫勢能。水源熱泵系統是21世紀最好的能源利用方式之壹。合適可靠的水源是水源熱泵有效應用的前提。推廣利用水源熱泵技術時，應註意解決相關水源問題。
1，水源熱泵的工作原理及系統組成
熱泵這個術語來源於水泵這個詞。在自然環境中，水向下流動，熱量傳遞到低溫。水泵把水從低處抽到高處使用。熱泵可以將低溫的熱能抽送(交換和傳遞)到高溫以供利用。在暖通空調術語標準(GB50155-92)中，對熱泵的解釋是能夠實現蒸發器和冷凝器功能轉換的制冷機。在《新國際制冷詞典》中，對熱泵的解釋是利用冷凝器釋放的熱量供熱的制冷系統。可以看出，熱泵和冰箱本質上是壹樣的，只是運行條件不同。其工作原理是通過電能驅動壓縮機，使工質(如R22)反復發生物理相變過程，在蒸發器中通過氣化吸熱，在冷凝器中通過液化放熱，使熱量不斷交換和傳遞，通過閥門切換實現機組的制熱(或制冷)功能。在這個過程中，熱泵的壓縮機需要壹定的高位電能來驅動，其蒸發器吸收低位熱能，但熱泵輸出的熱量是可利用的高位熱能，是消耗的高位熱能和吸收的低位熱能之和。熱泵的輸出功率與輸入功率之比稱為熱泵的性能系數，即性能系數(COP)。熱泵的種類很多，以水為熱源和加熱介質的熱泵稱為水源熱泵。水源熱泵的性能系數(COP)高於空氣源熱泵，系統運行穩定。
水源熱泵工程是壹個系統工程，壹般由水源系統、水源熱泵機房系統和末端冷卻系統三部分組成。其中，水源系統包括水源、取水構築物、水管網和水處理設備。
2.水源熱泵對水源系統的要求
水源系統的水量、水溫、水質和供水穩定性是影響水源熱泵系統運行效果的重要因素。應用水源熱泵時，對水源系統的原則要求是:水量充足、水溫適中、水質適宜、供水穩定。具體來說，水源中的水量應足以滿足用戶對加熱負荷或冷卻負荷的需要。如果水量不足，機組的制熱制冷能力就會降低，達不到用戶的要求。水源的水溫應適中，適合機組的運行條件。如清華同方GHP水源中央空調系統在制熱運行工況時，水源水溫應為12-22℃；在制冷運行條件下，水源水的水溫應為18-30℃。水源的水質應與系統單元、管道和閥門的材質相適應，以免造成嚴重的腐蝕破壞。水源系統的供水保證率應較高，供水功能具有長期可靠性，能保證水源熱泵中央空調系統長期穩定運行。
3.水源
原則上，凡水量和水溫能滿足用戶供熱負荷或制冷重裝需要，且水質不對機組設備造成腐蝕破壞的水源，均可作為水源熱泵系統的水源，水源既可以是再生水源，也可以是天然水源。
3.1再生水源
指經過處理的城市生活汙水、工業廢水、礦山廢水、油田廢水和熱電廠冷卻水等。，人工利用後排放。有條件使用可再生水源的用戶，可以變廢為寶，減少初期投資，節約水資源。但對於大多數用戶來說，替代選擇是天然水。
3.2自然界的水源
自然界中的水分布在大氣、地表和地殼巖石中，分別稱為大氣水、地表水和地下水。陸地上的地表水和地下水都來自大氣降水。
地表水的海水約占天然水總儲量的96.5%。沿海城市有條件利用海水，國外也有利用海水作為熱泵水源的例子。中國壹些沿海城市多年來壹直使用海水作為工業冷卻水源。近年來，我國已經開始使用海水作為熱泵的水源，但是海水源熱泵技術的實際應用還需要時間。陸地上的地表水，即河流、湖泊、水庫水，鹽度比海水、地下水低，但含有較多的泥沙、膠體懸浮物、藻類等固體顆粒，含砂量和濁度較高，只需經過必要的處理即可作為熱泵水源。
地下水是指埋藏在地表以下含水層中並在其中運移的水體。地下水分布廣泛，水質優於地表水，水溫隨氣候變化小於地表水，是中央空調的理想水源。
3.3水量和水源的選擇
水量是影響水源熱泵系統工作效果的關鍵因素。工程所需水量由工程負荷和機組性能決定，選擇的水源量應滿足負荷要求。如果其他條件都滿足，但水量稍有不足，可以通過壹些輔助補救措施來解決缺口。如果水隙過大，無法滿足負荷要求，則應考慮其他方案。就具體項目而言，需要從實際情況來判斷是否有可利用的水源。不同工程的場地環境和水文地質條件差異很大，可利用的水源也不同，應因地制宜選擇合適的水源。當有不同水源可供選擇時，應通過技術經濟分析比較確定。
4.水質
自然界中的水處於無止境的循環之中，不斷與大氣、土壤、巖石等環境介質接觸和相互作用，使其具有復雜的化學成分、化學性質和物理性質。在應用水源熱泵時，不僅要註意水源的數量，還要註意水的溫度、化學成分、濁度、硬度、鹽度和腐蝕性。但是，目前對於水源熱泵使用的水源水質還沒有相關的規定。本文提供的數據參考了冷卻水質量標準和壹些有關地下水回灌質量的規定。
4.1溫度
表層水溫隨季節、緯度和海拔而變化。在長江以北和高原地區，冬季地表水結冰，無法用於供暖。夏季水溫壹般低於30℃，可用於制冷和空調。
地下水溫度隨自然地理環境、地質條件和循環深度而變化。近地表是溫帶，溫帶以下壹定深度是恒溫區，所以地下水溫度不受太陽輻射影響。不同緯度恒溫帶深度不同，水溫從10到22℃不等。隨著恒溫帶下移，地下水溫度隨深度增加而升高，升高幅度取決於不同地區、不同巖性的地熱升溫速率。地殼平均地熱加熱速率為2.5℃/100m，地熱異常大於該值。富含地下水的地熱異常可以形成地熱田。據1997統計，全國已發現3200多個熱點，開發利用地熱田130個，年開采地熱水3.45億m3。目前很多地熱用戶排放的廢水溫度都比較高(40℃左右)。水源熱泵的應用可以再利用廢棄水中30℃的溫差，大大提高地熱能的利用率。
4.2含砂量和濁度
有的水源含有泥沙、有機物、膠體懸浮物，使水渾濁。水源的高含沙量會對機組和管道閥門造成磨損。含沙量和濁度高的水用於地下水回灌時會造成含水層堵塞。水源熱泵系統所用水源的含沙量應< 1/20萬，濁度應< 20mg/L..如果在水源熱泵系統中安裝板式換熱器，水源中固體顆粒的粒徑應小於0.5毫米。
4.3水的化學成分和化學性質
天然水中溶解著不同的離子、分子、化合物和氣體，使水具有pH值、硬度、鹽度、腐蝕性等化學性質，對機組的材質有壹定的影響。
pH值水的PH值小於7時呈酸性，不小於7時呈堿性。水源熱泵的水源pH值應為6.5-8.5。
硬度水中Ca2+和Mg2+的總量稱為總硬度。堅硬，易於擴展。水源熱泵水源水中的CaO含量應小於200 mg/L。
礦化度單位體積的水中所含的各種離子、分子和化合物的總量稱為總礦化度，水源熱泵系統所用水源水的礦化度應小於3g/L..
腐蝕性水中的Cl-和遊離CO2具有腐蝕性，溶解氧的存在增加了對金屬管道的腐蝕破壞。當應用水源熱泵系統時，對於腐蝕性和硬水源，應在系統中安裝耐腐蝕的不銹鋼換熱器或鈦板換熱器。
5.取水構築物
需要建造取水構築物以從水源向水源熱泵室供水。根據水源的不同，取水構築物可分為地表水取水構築物和地下水取水構築物。
5.1地表水取水構築物
根據結構形式，地表取水構築物可分為移動式和固定式。移動式水面取水構築物包括浮船式和移動式纜車式。常用的地表固定取水構築物有多種類型，但壹般包括進水口、渡槽(或水平集水管)和集水井。地表水取水構築物受水流、流速和水位影響較大，施工復雜，應根據具體情況選擇施工方案。
5.2地下水取水構築物
地下水取水構築物包括管井、大口井、組合井、輻射井和滲渠。表1列出了地下水取水構築物的類型和適用範圍[1]。在實際工程中，應根據不同的地下水埋深、含水層厚度、出水量和技術經濟條件選擇不同的形式。
5.3管井
最常見的地下水取水結構類型是管井，它壹般由鉆孔、側壁管、過濾管和沈砂管組成。用鉆機鉆孔，在非含水層處安裝井壁管，支撐井壁，防止坍塌。鉆孔管和孔口用粘土或水泥等防滲材料密封，以防止地表汙水滲入。濾管安裝在含水層中，除了井壁管的作用外，主要作用是濾水擋砂；井管底部是沈砂池，用來沈澱水中的泥沙，延長井管的使用壽命。6、水系統設計和施工中應註意的問題。
6.1供水水源可行性研究
當擬采用水源熱泵系統時，應先調查項目所在地的水源條件，並咨詢當地水務管理部門或邀請專業隊伍進行必要的水文地質調查或水文地質勘探，查明是否有適合水源熱泵的水源，通過可行性研究確定采用地表水或地下水的水源方案。
6.2地表水水源工程的設計和建設
選擇地表水源時，設計取水口應考慮水溫因素、需水量保證率、取水構築物標高與汛期水位的關系。施工時應同時考慮給水管和排水管的布置。
6.3管井工程設計和施工
地下水源和管井取水方案選擇時，應根據壹定的采灌比確定抽水井和回灌井的數量，大型工程應根據所需水量和地下水回灌需要，結合場地環境和水文地質條件，合理安排井位和井距。井的深度應大於變溫帶的深度，以保證冬季水源水溫> 65438±00℃。為了防止回灌井堵塞，保證水源系統長期穩定供水，抽水井和回灌井要相互切換，所以每口井的井深和井身結構要相似。井裏的濾管和濾網應具有壹定的強度，能承受抽水和灌溉往復流的壓力變化。
6.4管井施工質量
我們必須高度重視管井的質量。要找專業隊伍施工，做好每壹個工藝環節，打好優質井，才能獲得大出水量和優質水。壹口優質的井，可以用二十多年。井的質量差不僅影響井的壽命，還會影響取水和回灌的效果，最終影響水源熱泵的正常工作和供熱或制冷效果。甲方應參與抽水試驗的最後階段，並確定可靠和準確的抽水試驗結果數據。管井竣工後，甲方、建設單位、管理部門或監理單位應共同到現場，根據合同規定的水量、水溫、水質進行工程質量驗收。
表1。地下水取水構築物的形式和適用範圍
形式
池村
深度(米)
合適的範圍
出水量(立方米/天)
地下水類型
地下水深度
含水層厚度
水文地質特征
管井
口徑50-1000毫米150-600毫米
井深20-1000米，壹般在300米以內。
潛水、承壓水、裂隙水、溶洞水
200m以內，壹般70m以內。
超過5米或有多個含水層。
適用於任何砂、卵石、礫石地層、構造裂隙和巖溶破碎帶。
單井出水量500-6000m3/d，最高可達20-30000 m3/d
大口徑井
鉆孔直徑為2-10m，通常為4-8m。
井深在20m以內，常用6-15m。
水下
壹般在10m以內。
壹般5-15m。
對於砂、卵石和礫石地層，滲透系數最好在20m/d以上
單井出水量為500-1萬m3/d，最大20-30000 m3/d。
輻射井
集水井直徑為4-6m，輻射管直徑為50-300mm，壹般為75-150mm。
集水井深度為3-12m。
水下
在埋深12m範圍內，輻射管與沈澱層的距離應大於1m。
壹般大於2m。
供應充足的中粗砂和礫石層，但無巨礫。
單井50-50000 m3/d，最高31000 m3/d。
滲流渠道
直徑為450-1500mm，壹般為600-1000mm。
埋深小於10m，壹般為4-6m。
潛水、河床滲透
壹般埋深小於8m。
壹般4-6m。
補給良好的中粗砂、礫石和卵石層
壹般為10-30m3/d.m，最大為50-100m3/d.m。
7、水質處理和節水技術
7.1水處理技術
如果水源的水質不適合水源熱泵機組，可以采取相應的技術措施進行處理，使水質達到機組要求。水源系統中經常使用以下水處理技術:
除砂器和沈澱池當源水中含砂量較高時，可在源水的輸水管道系統中安裝旋流除砂器，以降低水中的含砂量，防止機組和管道閥門磨損堵塞。國內旋流除砂器占地面積小，規格不壹。可根據標準處理流程選擇除砂器的型號和數量。如果項目場地面積較大，還可以修建沈澱池進行清砂。沈澱池的造價比除砂器低，但占地面積大。
凈水過濾器內有部分水源，濁度較高。用於回灌時，容易堵塞管井的濾管和含水層，影響供水系統的穩定性和使用壽命。對於高濁度的水源，可以安裝凈水器進行過濾。
水源中央空調系統中的電子水處理儀在運行過程中，冷凝器中的循環水溫度較高，特別是冬季供暖工況下，水溫往往在50℃以上，水中的鈣鎂離子容易沈澱結垢，影響換熱效果。通常在凝汽器的循環水管道中安裝電子水處理儀，防止管道結垢。
板式換熱器的部分水源含鹽量高，對金屬有強腐蝕性。如果它們直接進入機組，機組的使用壽命會因腐蝕而縮短。如果通過水處理降低鹽度，成本非常高。通常中間安裝板式換熱器，將源水與機組隔開，使機組完全避免源水可能的腐蝕。當源水含鹽量小於350mg/L時，水源系統可直接連接，無需換熱器。當源水含鹽量為350-500毫克/升時，可安裝不銹鋼板式換熱器。當源水含鹽量大於500 mg/L時，應安裝耐腐蝕性強的鈦合金板式換熱器。也可以安裝容積式換熱器，比板式換熱器成本低，但占地面積大。
除鐵設備、水源和中央空調系統也可用於供應生活熱水。但有時水源水中含鐵較多，對加熱沒有影響，洗澡時不會對人體健康造成危害。但溶於水的鐵容易生成氫氧化鐵，沈澱在潔具上，形成褐色汙漬，妨礙視覺感官。當水中含鐵量大於0.3 mg/L時，應在水系統中安裝除鐵處理設備。
7.2節水節電技術
水源熱泵空調系統的水資源費和井泵運行費往往是工程系統運行費的最大支出。為了合理有效地利用水資源，減少水資源浪費，節約電費，系統設計中應考慮節水、節電的技術措施。
混水器為了節省水源水量，可以在系統中安裝混水設備。壹般可以使用容積式混水器或噴射混水器。前者體積大，成本低，後者體積小，成本高。
為了節約源水的水量和電量，可安裝變頻調速器控制源水泵，以減少用水量和耗電量。
8、人工地下水回灌(俗稱回灌)[2]
8.1人工補給及其目的
所謂地下水人工回灌(即回灌)，就是將水源熱泵機組換熱後排出的水重新註入地下水含水層。這樣做可以補充地下水源，調節水位，維持儲量平衡；可以補充儲能，提供冷熱源，如冬灌夏灌、夏灌冬灌；它可以維持含水層的水頭壓力，防止地面沈降。因此，為保護地下水資源，保證水源熱泵系統長期可靠運行，水源熱泵系統工程中壹般應采取回灌措施。
8.2回註水水質
目前回註水水質沒有國家標準，各地區、各部門制定的標準也不盡相同。應註意的原則是回註水水質優於或等於原地下水水質，回註後不會造成區域性地下水汙染。實際上，源水只是經過熱泵機組後進行熱交換，水質幾乎沒有變化，回灌不會造成地下水汙染。
8.3充值類型
根據工程場地的實際情況，可采用地面滲透回灌、誘導回灌和噴射回灌。註入回灌壹般通過管井進行，常采用無壓(重力流)、負壓(真空)、加壓(正壓)回灌等方法。無壓重力回灌適用於滲透性較好的含水層，回灌水位與井中靜水位存在差異。真空負壓回灌適用於地下水位埋深(靜水位埋深在10米以下)，含水層滲透性好。加壓回灌適用於地下水位高、滲透性差的地層。對於抽灌井，為了防止井間相互幹擾，應控制合理的井距。
8.4補給量
回灌量與水文地質條件、成井技術和回灌方式有關，其中水文地質條件是影響回灌量的主要因素。壹般來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補給時，補給水位和單位補給量在壹個補給年內變化不大；在礫石含水層中，單位補給量壹般占單位出水量的80%以上。在粗砂含水層中，補給量為出水量的50-70%。在細砂含水層中，單位補給量為單位出水量的30-50%。產灌比是確定抽灌井數量的主要依據。
8.5惠陽
為了預防和處理管井堵塞，主要采用所謂的揚升法，即將堵塞物抽入回灌井的排水中。每口回灌井的上升次數和持續時間主要取決於含水層的顆粒大小和滲透性。在巖溶裂隙含水層中回灌管井，長期不回灌，仍能保持回灌能力；管井回註在松散粗粒含水層中進行，回註時間約為每周1-2次；在中細顆粒含水層中進行回註時，回註間隔應縮短至1-2次/天。在回註過程中，只有掌握合適的回註次數和時間，才能獲得良好的回註效果。如果怕回註占用時間多，回註少，甚至不回註，管井和含水層就堵了，但得不償失。用渾濁的水來結束後漲的持續時間，直到看到清澈的水。對於細粒含水層，隆起尤為重要。實驗證明，與不回註的連續回註相比，多次回註之間的回註可以恢復回註水水位，保證回註井的正常運行。
9、水源熱泵的應用限制
水源熱泵中央空調系統是壹種高效、節能、環保的產品，但並不是任何情況下都可以應用。它的制約因素是供電和水源。目前中國電力供應充足，容易解決。水源是主要的限制條件。沒有合適可靠的水源，水源熱泵就無法使用。例如，壹些項目規模大，冷或熱負荷重，需要大量的水資源。工程場地雖有壹定面積，也可鉆探，但由於水資源不足，難以完全滿足工程負荷的需要。雖然有些項目所在的場地下有地下水，但由於項目位於繁華市區，沒有地方布置水井取水，水源熱泵系統的應用受到場地環境條件的限制。
10，水源熱泵應用工程實例
10.1項目概況
為了控制北京的大氣汙染，北京地質調查技術研究院承擔完成了地熱加水源熱泵供暖示範工程。本工程平面示意圖見圖1。冬季有暖氣的辦公樓和家屬樓共6棟，建築面積約3萬平方米，磚混結構。原暖通設計為燃煤鍋爐供暖，末端為單管串聯上送下回系統，鑄鐵四柱813散熱器。示範工程熱源為地熱井，水溫68℃，水量1.25 m3/h，兩口第四系淺井，水溫1.6℃，單井出水量50 m3/h，井距100m。
圖1地熱熱泵供暖工程平面圖
圖2地水源熱泵供熱過程示意圖。
由於地熱鉆井施工工期的限制，本工程加熱試驗分兩期進行。工程流程示意圖見圖2。壹期工程於1999年2月5日至2000年3月8日，以16℃的地下水為熱源，采用水源熱泵對五層綜合辦公樓進行供暖試驗。該建築建築面積4078m2，建築高度18m，三七墻，單層玻璃窗。供暖前，對已運行14年的供暖管道進行了化學清洗，更換了部分生銹的暖氣片。為了比較夏季的制熱效果和制冷情況，辦公樓壹、二層安裝了風機盤管。1井抽取的16℃的地下水，泵入熱泵機組的蒸發器吸熱，再由2井抽回地下，保護地下水源。熱泵輸出的52℃熱水為辦公樓供暖。
2000年3月8日(地熱井竣工)至2000年4月5日，二期工程進行了地熱加水源熱泵供熱運行試驗。地熱井中68℃的地熱水為壹棟25000平方米的建築提供壹次供暖。地熱水經板式換熱器降溫至13℃後，部分作為廢水排放，板式換熱器冷端循環水經熱泵轉換輸出52℃熱水，為辦公樓供暖。2000年夏季，利用1、2號抽灌井和水源熱泵機組對辦公樓進行制冷空調。
10.2主要技術參數
熱泵主機:清華同方人工環境設備公司生產的GHP水源中央空調系統，1臺，標稱制熱量360kW，制冷量275 kW，裝機功率64 kW，制熱工況下冷凝器出口/回水溫度52℃/42℃，制冷工況下蒸發器出口/回水溫度7℃/12℃，制熱/制冷工況由水管閥門切換。板式換熱器:br 0.24ⅶⅶ型1臺，12 m2，300 kW，40-13/10-15℃，不銹鋼材質。冷水潛水泵:2臺QJ50-50/6，流量50m3/h，揚程50m，功率7.5kW；南院供熱循環泵:ISG 80-160型，3臺，流量50 m3/h，揚程32 m，功率7.5 kw..冷水循環泵:兩臺DFB80-32B，流量42 m3/h，揚程24m，功率5.5kW
10.3的操作效果
冬季供暖，水源熱泵連續運行126天，性能穩定。回水溫度(52/42℃)控制壓縮機的啟停，平均耗電40度/小時。當冷水井用水量為18 m3/h，室外溫度為-10℃時，大部分房間的室溫為18℃。夏季水源熱泵連續運行120天，壓縮機的啟停由冷凍水回水溫度(12℃)控制。室外溫度33-40℃，室內溫度22-26℃。
參考資料:
[1]供水水文地質手冊，地質出版社，1976。
[2]汪光燾主編，城市節水技術與管理，1994。
更多工程/服務/采購招標信息，提高中標率，可點擊官網客服底部免費咨詢:/#/？source=bdzd