1.引言
經(jīng)過十余年的推廣、應(yīng)用和發(fā)展，熱泵技術(shù)以其節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)在中國很多地區(qū)和建筑領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。熱泵工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，一般由熱源/熱匯系統(tǒng)、熱泵機(jī)房系統(tǒng)和末端用戶系統(tǒng)三部分組成。根據(jù)ASHRAE的分類方法，水源熱泵可以分為土壤耦合熱泵、地下水源熱泵和地表水源熱泵三類。其中，水源系統(tǒng)又包括水源、取水構(gòu)筑物、輸水管網(wǎng)和水處理設(shè)備等。目前，常用的熱泵系統(tǒng)能量來源包括地表水源、廢熱水源、井水水源、土壤埋管。地表水源包括江、河、湖、海水源，廢熱水源包括工業(yè)廢水、生活污水及中水、礦井坑道水源等，井水水源是指深度一般在400米以上的淺表層井水，土壤埋管是指水平埋管或深度一般在200米以上的垂直埋管式交換器。本文就如何從以上各種熱源/熱匯中有效地提取能量（以下簡(jiǎn)稱采能），在以往研究的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步探討。
2. 地下水采能
2.1基本介紹
無論是深井水、地?zé)崴际橇己玫牡推肺粺嵩?。因地層的隔熱和蓄熱作用，地下水的溫度變化較小。如我國華北地區(qū)的深井水溫為14℃~18℃，上海地區(qū)的水溫為20℃~21℃。穩(wěn)定的溫度對(duì)水源熱泵的運(yùn)行很有利。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(huán)境中重新恢復(fù)溫度，將地層中取之不竭的低位能量不斷輸出。因此，建立在此基礎(chǔ)上的“深井回灌”方法得到較廣泛的應(yīng)用和推廣。
水井采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(jī)站，經(jīng)過水源熱泵換熱器進(jìn)行取能，滿足主機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，然后再經(jīng)過管道輸送到回水井，回灌到地下。
在地下水取水構(gòu)筑物中最常見的型式是管井。一般由出井孔、井壁管、濾水管、沉砂管組成，圖1為水井井身結(jié)構(gòu)的示意圖。井孔用鉆機(jī)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，用以沉積水泥沙，延長管井使用壽命。管井施工要求如下。
⑴了解建筑物周邊是否有空余場(chǎng)地可以用來打井，當(dāng)?shù)卣欠裨试S開鑿水源熱泵水井，有哪些規(guī)定和辦理程序；
⑵通過水利部門和地質(zhì)勘探部門了解地下水狀況、水井工藝要求、打井成本、水質(zhì)、水量、水溫等詳細(xì)資料；
⑶水井一般采用鉆機(jī)施工，根據(jù)地層結(jié)構(gòu)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；
⑷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(shí)，濾料一般采用直徑2毫米至20毫米不等的優(yōu)質(zhì)石英砂等材料，上部用粘土球填實(shí)（基巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)一般只需下骨架管，無需下井管）。
⑸井口制作安裝井口裝置，閥門井池，安裝閥門、管道等設(shè)施，裝置一般固定在澆注的混凝土基礎(chǔ)上，井池上方地面上安裝一個(gè)鑄鐵井蓋，不影響地面景觀與用途。
.gif)
圖1 管井井身結(jié)構(gòu)示意圖
⑴根據(jù)項(xiàng)目所在地水文地質(zhì)的實(shí)際情況確定適宜的水井深度，開鑿試驗(yàn)井，再根據(jù)試驗(yàn)井的單井出水量、項(xiàng)目設(shè)計(jì)總需水量確定出水井?dāng)?shù)量。為保證井水的循環(huán)再生利用效果，根據(jù)試驗(yàn)井的含水層狀況，出水井要配置適當(dāng)數(shù)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。所謂回灌（地下水人工補(bǔ)給）是為保證水源中央空調(diào)系統(tǒng)長期安全運(yùn)行，需要穩(wěn)定的地下水源供給。為此，通常借助某種工程措施，將地面水注入地下含水層中去，這樣做可以補(bǔ)充地下水源，調(diào)節(jié)水位，維持儲(chǔ)量平衡；可以回灌儲(chǔ)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，為了保護(hù)地下水資源，確保水源中央空調(diào)系統(tǒng)長期可靠地運(yùn)行，水源中央空調(diào)系統(tǒng)工程中，一般應(yīng)采取回灌措施。
⑶嚴(yán)格把握水井施工質(zhì)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(dá)到項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，保證含砂量小于十萬分之一。
⑷井水管網(wǎng)采用雙管制，便于水井的功能替換，自動(dòng)洗井等。
⑸如果當(dāng)?shù)氐叵滤畬佥^強(qiáng)酸堿腐蝕性，要增加換熱裝置，地下水不直接進(jìn)主機(jī)和機(jī)房管線。
3.地表水采能
3.1海水采能
（1）基本介紹
該采能方式特別適合濱海城市、旅游觀光點(diǎn)、濱海酒店、海島邊防站等項(xiàng)目。海水采能可以直接抽取海水，同時(shí)采用海水性水源熱泵機(jī)組進(jìn)行換熱。
（2）技術(shù)方案
為確保熱泵機(jī)組的使用壽命，保證機(jī)組的穩(wěn)定正常運(yùn)行，一般采用開式間接利用方式，即采用換熱器將海水與熱泵機(jī)組隔離開，利用循環(huán)水泵將海水通過輸送管道送至換熱器中，使其與熱泵回水在換熱器中實(shí)現(xiàn)能量交換，從而將海水的冷熱量傳遞給水環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)介質(zhì)，再通過循環(huán)介質(zhì)將冷熱量在熱泵的蒸發(fā)器（或冷凝器）中傳遞給末端空調(diào)系統(tǒng)，而放出冷熱量的海水則通過排水管道輸送回海面。這種方式具有供熱制冷效率高，供水溫度穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，且由于與海水直接接觸的設(shè)備只有換熱器，若選擇耐腐蝕的板式換熱器，則可以方便的進(jìn)行清洗或更換。
該系統(tǒng)的主要設(shè)備包括海水循環(huán)泵、板式換熱器、二次網(wǎng)循環(huán)水泵、熱泵機(jī)組、電子水處理儀、補(bǔ)給水泵和補(bǔ)水箱等。同時(shí)配備一套自動(dòng)控制裝置，檢測(cè)安裝于管道上的溫度傳感器測(cè)出的供回水溫度，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后在控制器中與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過控制器控制一二次網(wǎng)循環(huán)水泵的變頻器，調(diào)節(jié)水泵輸入功率，達(dá)到節(jié)能的目的，同時(shí)便于運(yùn)行管理。
對(duì)于利用海水作為熱泵系統(tǒng)冷熱源這一問題，人們比較關(guān)心的技術(shù)問題主要是海水對(duì)設(shè)備和管道的腐蝕和海生物附著造成的管道和設(shè)備的堵塞等問題，因此要在以下四方面采取特殊措施。
2）換熱器采用鈦板可拆式板式換熱器，旨在防腐防生物附著。
3）海水循環(huán)泵采用專用的耐腐蝕管道泵。
4）海水取水和排水管采用UPVC管材。
3.2江河湖水采能
（1）基本介紹
1）岸邊取水方式
如圖2所示，可以在岸邊合適位置選址打井，使水通過滲透進(jìn)入井中，再下潛水泵取水；或者將水泵房建在岸邊，水經(jīng)過過濾格柵進(jìn)入泵房?jī)?nèi)水池，再由水泵抽?。灰部梢詮陌哆呄虻虄?nèi)建造水泥棧橋，在棧橋端部設(shè)平臺(tái)架設(shè)潛水泵，伸進(jìn)江河湖中合適深度取水。
因?yàn)榭拷贪兜乃碌匦我话愣急容^平緩，要想達(dá)到一定深度，往往需要將取水口設(shè)置遠(yuǎn)離岸邊，這就要求有相配套的取水工程施工。如圖3所示，在岸邊合適位置選址，打一口井徑為500-1000mm，井深為30—50米的滲透水井，如水不能通過滲透進(jìn)入井中，可在井底部水平向湖底方向開挖導(dǎo)流洞將足夠流量的水引入井中，再用潛水泵取用；或者在保證湖（江河）水深度的水面上設(shè)浮箱，內(nèi)設(shè)水泵，將吸水管伸進(jìn)一定深度的湖（江河）內(nèi)取水；也可以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(qiáng)度塑料管道貼湖（江河）底輸送到岸上。
江、河、湖水取能方式需要根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的具體情況對(duì)取水方案進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。水溫在30℃以下，用于夏季供冷是非常經(jīng)濟(jì)的，如能選取較低水溫（7—12℃）的深度取水，不必開動(dòng)水源熱泵主機(jī)，直接進(jìn)行供冷，可大量節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。我國偏南且冬季不結(jié)冰地區(qū)，如水源有一定的深度保證，冬季水溫能持續(xù)保證在4℃以上，也適合于從中提取能量供暖、供熱水。該采能方式的技術(shù)要點(diǎn)是取水工藝，要根據(jù)當(dāng)?shù)亟雍诓煌畬拥乃疁匾约霸诓煌竟?jié)時(shí)的變化程度，取用合適深度水層的水源；取水口位置應(yīng)保證水質(zhì)潔凈，安裝過濾裝置；充分考慮到枯水、豐水季節(jié)時(shí)水位的變化，考慮風(fēng)浪的影響，航道的影響；工程要安裝可靠，檢修方便。
3.3廢熱水采能
生活廢水指洗衣房、浴池等溫度較高的可利用熱源；工業(yè)廢水形式多樣，數(shù)量大、溫度高。但兩者同樣存在這樣的困難：如何儲(chǔ)存足夠的水量以應(yīng)付熱負(fù)荷的變化；如何保持換熱器表面的清潔，保持良好的換熱效果。為此，要建立蓄熱裝置，收集廢水，充分的利用廢熱，并且換熱器傳熱管中要設(shè)置自動(dòng)清洗刷以及換熱器應(yīng)定期清洗。
（1）污水/中水水源采能
1）基本介紹
中水是指生活污水處理后，達(dá)到規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可在一定范圍內(nèi)重復(fù)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(qū)需實(shí)際了解）。這些中水一般通過直埋直徑600～1000mm 的混凝土管道輸送到城內(nèi)河道、水景湖等處，所以在輸送過程中溫度受外界環(huán)境影響不大。一個(gè)中等規(guī)模的城市污水處理廠日處理生活污水可達(dá)10萬噸[6]，所以，管道沿途的建筑物可以利用中水源熱泵系統(tǒng)對(duì)該水源中的能量加以利用，實(shí)現(xiàn)夏季供冷、冬季供暖、生活熱水全年保障的“三聯(lián)供”。
如圖4所示，中水的取用一般是在建筑物附近對(duì)中水管道進(jìn)行開口，在管道上對(duì)接一個(gè)取水口，在取水口下游對(duì)接一個(gè)入水口，將中水引入主機(jī)站通過水源熱泵利用之后再排回中水管道。
圖4 中水利用示意圖
2）技術(shù)要點(diǎn)
①中水水質(zhì)潔凈，可以直接進(jìn)入主機(jī)進(jìn)行換熱，工藝簡(jiǎn)單、方便。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)中水的實(shí)際溫度，通過熱平衡計(jì)算得到的中水需用流量，并進(jìn)行阻力計(jì)算，選擇合理直徑的管道以及對(duì)水泵進(jìn)行選型；
②因?yàn)橹兴艿酪话銥榛炷凉艿溃∷艿酪话阌娩摴?，所以，在中水管道上開口以及實(shí)現(xiàn)兩種材質(zhì)管道的無泄漏對(duì)接是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。一般采用相應(yīng)口徑的鋼制承插管件，該管件與混凝土管連接時(shí)，采用石棉水泥、膨脹水泥等措施對(duì)邊縫進(jìn)行密封；
③污水處理廠一般每年都有一個(gè)停產(chǎn)檢修階段，對(duì)中水管道的施工要在這個(gè)時(shí)期抓緊進(jìn)行；
④在機(jī)房?jī)?nèi)中水回水管路上，安裝一臺(tái)合適的增壓循環(huán)泵，主要是為了補(bǔ)充所取用的中水在機(jī)房?jī)?nèi)管路上的壓力損失，以便于回到中水主管路時(shí)能順利匯入；
⑤污水、中水水源熱泵系統(tǒng)必須確保穩(wěn)定、連續(xù)的充足水源供應(yīng)，不能因上游管道的堵塞或污水處理廠的臨時(shí)停運(yùn)而造成水源的間斷供應(yīng)，從而造成系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。
（2）工業(yè)廢水采能
1）基本介紹
在很多工業(yè)生產(chǎn)過程中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蒸氣兩種，如圖5所示，對(duì)這部分能量的回收取用可以通過板式換熱器、熱管等技術(shù)，把熱量換取到二次能源水[7]中，再使用水源熱泵加以提取利用。
圖5 工業(yè)廢水采能示意圖
②水溫在5℃以上的各種水源均可有效利用，根據(jù)熱水溫度、熱水成分、特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的取能工藝技術(shù)方案。
③采用熱管等科學(xué)合理的技術(shù)手段，將多種形式的生產(chǎn)廢熱回收并用水作為介質(zhì)輸出，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、供暖雙功能。
④提取熱能后的工業(yè)尾水水溫可降至4--8℃[7]，可循環(huán)用于工業(yè)冷卻，達(dá)到節(jié)約用水的目的。
（3）地?zé)嵛菜∧芊绞?/span>
1）基本介紹
地?zé)崴侵杆疃仍?000米以下、溫度在40℃～90℃的溫泉水。地?zé)崴Ｓ脕碇苯庸┡?，尾水排走時(shí)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(shù)提取利用其中的熱能，根據(jù)供暖系統(tǒng)的需要制取出水溫在45～80℃[7]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(shù)要點(diǎn)
①根據(jù)尾水的溫度、流量及可提取溫差準(zhǔn)確計(jì)算通過尾水所能提取的能量，由此，再結(jié)合建筑物的需熱量，計(jì)算出可以供應(yīng)的建筑物面積。
②采能工藝可參照?qǐng)D5工業(yè)廢水采能示意圖，尾水可循環(huán)利用直至最終排出的水溫降至3℃。
3.4結(jié)論
水源熱泵系統(tǒng)是一種高效、節(jié)能、環(huán)保型產(chǎn)品。但其制約條件是水源，沒有適合可靠的水源，就不能使用水源熱泵。而有了水源，如何從水源中采能，又是技術(shù)成敗的關(guān)鍵。本文根據(jù)大量的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)水源熱泵系統(tǒng)常用的幾種采能方式，指出其各自技術(shù)特點(diǎn)和注意事項(xiàng)。
（1）地下水采能的主要方式是采用管井技術(shù)，同時(shí)要采取回灌措施，合理地安排抽水井和回灌井的間距；
（2）地表水采能要根據(jù)地表水水源的不同采取不同的取水方式，海水采能要增加防腐特殊工藝；
（3）廢熱水的水質(zhì)復(fù)雜，要進(jìn)行熱量二次轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)間接采能。
[1] Geothermal Energy[A]. In: ASHRAE Handbook 1999 HVAC Applications[M]. ASHRAE,Atlanta,GA,1999.
[2]徐偉等譯.《地源熱泵工程技術(shù)指南》[美] [S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005,77-78.
[3]宋祖詔 張思俊 詹美禮.《取水工程》[M].北京: 中國水利水電出版社,2002,57-78.
[4]T.T.Chow,W.H.Au,et al.Applying district-cooling technology in Hong Kong[M].Applied Energy 79, 2004,275-289.
[5]陳曉,彭建國,張國強(qiáng)等.地表水在供冷供熱中應(yīng)用的現(xiàn)狀及分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2006,25(2):25-27.
[6]趙凱,劉穎超.污水能源熱泵技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用[J].住宅科技,2003(5):35-47.
[7]高月芬.水源熱泵系統(tǒng)在污水處理廠的應(yīng)用[J].供熱制冷,2003(4):17-19.
Email: direjia@126.com（投稿），direjia@163.com（合作）,
直線電話：18515158288（同微信）
