摘要 水源熱泵技術(shù)是淺層地能（熱）開發(fā)領(lǐng)域的一次重要的創(chuàng)新，在節(jié)能環(huán)保方面具有突出的綜合優(yōu)勢，對供冷暖能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和補充具有重要意義，該技術(shù)應(yīng)用于水利泵站工程中有更好的發(fā)展優(yōu)勢。雨污水的循環(huán)利用，起到節(jié)約資金，減少污染，在一定程度上減少對自來水的使用，緩解北京市的水資源危機。隨著能源和水資源的日趨緊張，水源熱泵技術(shù)和雨污水利用技術(shù)的應(yīng)用會更加引起政府和用戶的關(guān)注。
關(guān)鍵詞 水源熱泵 雨污水利用 水資源
中圖分類號TV213.9 文獻標志碼B 文章編號1673-4637（2011）03-0042-04
1 工程概況
崗山泵站，工程位于北京市順義區(qū)李橋鎮(zhèn)，李天路與機場東路的交匯處，北面以小中河為界，西側(cè)為機場東路，南側(cè)距李天路約300 m，是向華能北京熱電廠和一熱電廠提供鍋爐和熱網(wǎng)補充用水的專項供水工程。廠區(qū)總占地2.7 萬m2，總建筑面積4 760.94 m2，其中生產(chǎn)用房建筑面積1 473.90 m2，辦公及附屬用房建筑面積3 287.04 m2。整個工程采用水源熱泵系統(tǒng)，對廠區(qū)內(nèi)建筑集中冬季供暖、夏季供冷、日常提供生活熱水，該技術(shù)是首次在水利泵站工程上應(yīng)用。結(jié)合工程的特點，本工程還采用了雨洪利用技術(shù)和污水生態(tài)處理技術(shù)，達到了雨污水循環(huán)利用的目的，以點帶面，使污水處理化整為零，就地解決，減輕城市污水處理的壓力，節(jié)省了水資源，成為水利工程建設(shè)的典范。
2 水源熱泵技術(shù)在工程上的應(yīng)用
2.1 水源熱泵系統(tǒng)的工作原理及系統(tǒng)組成
水源熱泵系統(tǒng)的工作原理是采集自然界中可再生的低品位能量—淺層地能（水），利用熱泵技術(shù)將低品位能量提升為高品位能量，再適度地釋放到使用環(huán)境中。淺層地能（熱）（Geothermal Energy）是地表淺層（土壤、地下水或河流、湖泊）吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低品位熱能。地下30 m至數(shù)百米深的地殼受到太陽和地核雙重影響，形成了一個溫度在13 ℃～23 ℃之間的相對恒溫層。深度的土壤溫度基本不受四季變化的影響，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，正是利用這一溫度差來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，達到需求的目的。淺層地能（熱）具有可再生、儲量巨大、分布廣泛、溫度恒定、易于采集等特點。
水源熱泵系統(tǒng)主要由3 個獨立循環(huán)系統(tǒng)組成：能量采集系統(tǒng)、能量提升系統(tǒng)和能量釋放系統(tǒng)。能量采集系統(tǒng)是水源熱泵系統(tǒng)的重要組成部分，它是能量提升系統(tǒng)能否安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟運行的根本保證。主要包括潛水泵、換熱器等設(shè)備；能量提升系統(tǒng)的主要設(shè)備是地能熱泵、換熱器、循環(huán)泵、分水器、集水器等地能熱泵機組，是水源熱泵系統(tǒng)的核心部分，所有冷熱源能量的收集和交換都將在本系統(tǒng)內(nèi)完成；能量釋放系統(tǒng)是將收集到的冷熱源能量供給所需要場所的末端系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用暖通空調(diào)行業(yè)的成熟技術(shù)和設(shè)備，包括風(fēng)機盤管、空調(diào)機組、暖氣片、地板輻射采暖裝置、生活熱水供應(yīng)成套設(shè)備等。夏季制冷、冬季采暖工況示意見圖1 和圖2。
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圖1 夏季制冷工況示意圖
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圖2 冬季采暖工況示意圖
2.2 水源熱泵系統(tǒng)的類型
水源熱泵系統(tǒng)按照低位能量采集的方式不同，又可分為3 種類型：單井抽灌式、雙井抽灌式和地表水蓄能式。
地表水蓄能式是靠采集江河湖海等地表水中的低品位能量，來實現(xiàn)該技術(shù)能量的轉(zhuǎn)換。本工程是一個輸水工程，有充足的地表水源，水源熱泵系統(tǒng)低位能量采集的水源是輸水管道中的水，由于是地下管道輸水，其水溫基本等同于地下水溫，滿足本系統(tǒng)能量采集的要求，節(jié)省地下熱源井的投資。
2.3 水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計
2.3.1冷熱負荷確定
根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范標準，通過計算，廠區(qū)建筑冬季采暖熱負荷405.5 kW，建筑夏季供冷負荷為406.3 kW?？紤]其日常提供生活熱水，生活熱水主要供應(yīng)至宿舍樓內(nèi)衛(wèi)生間，按水溫48℃選取指標，估算生活熱水供應(yīng)量為6 m3/h，生活熱水負荷為244.2 kW，又考慮到生活熱水定期集中使用，可采用儲水方式。生活熱水日常負荷按20%計算，為48.4 kW。綜上可得建筑總熱負荷為453.9 kW。各建筑熱冷負荷見表1 和表2。
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表1 建筑熱負荷計算表
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表2 建筑冷負荷計算表
2.3.2水源熱泵系統(tǒng)
能量提升系統(tǒng)：依據(jù)冷熱負荷及環(huán)境系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)，選用1 臺HT380A 和1 臺HT100A 能量提升器機組。單臺HT380A 標準工況時的制熱量為348 kW，制冷量為325 kW，制熱輸入電功率為92 kW，制冷輸入電功率為58.5 kW。單臺HT100A 標準工況時的制熱量為106.2 kW，制冷量為90.3 kW，制熱輸入電功率為27.5 kW，制冷輸入電功率為16.6 kW。系統(tǒng)總制熱量為454.2 kW，總制冷量為415.3 kW，滿足建筑冷熱負荷需求。
能量采集系統(tǒng)：根據(jù)本工程特點，采用泵站調(diào)節(jié)池中的輸水水源（水質(zhì)純凈、水溫保持在14℃～18℃）作為低位能量采集系統(tǒng)，節(jié)省打地下井的投資，在調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)潛水排污泵1 臺（水量為70 m3/h，揚程為22m），機房內(nèi)設(shè)板式換熱器1 臺，潛水泵至冷熱源機房長度約為20 m，管道采用直埋敷設(shè)，管道直徑為DN100 mm。
末端系統(tǒng)：即為能量釋放系統(tǒng)，根據(jù)每棟建筑的功能不同，冷熱源末端采用了風(fēng)機盤管和暖氣片形式相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)，滿足各個房間的冷熱源的需求。
系統(tǒng)水處理及系統(tǒng)定壓補水：水處理采用全自動軟水器向軟水箱內(nèi)補充軟化水，用補水泵和定壓罐閉式定壓補水并容納膨脹水的方案，二次系統(tǒng)和末端系統(tǒng)共設(shè)1 套定壓補水設(shè)備。
2.3.3機房位置及面積
根據(jù)工程的特點，熱泵機房設(shè)置在主廠房檢修平臺下部的地下空間內(nèi)，充分利用了空間，節(jié)省了機房土建的投資，機房總面積約70 m2。
2.3.4系統(tǒng)減震措施設(shè)計
為防止設(shè)備震動噪聲，熱泵和水泵下部設(shè)10 mm厚的柔性減振墊，并在機組混凝土基礎(chǔ)上加減震器，水管出入口、水泵進出口設(shè)橡膠軟接頭。
2.3.5自控系統(tǒng)與配置
安裝單獨的配電控制柜，用于對整個系統(tǒng)提供動力用電和運行控制。系統(tǒng)的主要循環(huán)設(shè)備，包括潛水泵、二次循環(huán)泵、末端循環(huán)泵，為手動控制，補水泵為電接點壓力表控制自動運行。系統(tǒng)運行有手動/自動2 種狀態(tài)。系統(tǒng)在自動狀態(tài)下，開啟總電源后，冷熱源控制系統(tǒng)將根據(jù)負荷情況能夠自動在多種工況之間調(diào)節(jié)，保證整個系統(tǒng)處于效率最佳的運行狀態(tài)。
2.4 工程投資及運行
工程總投資115 萬元，建筑投資約240 元/m2，本系統(tǒng)初始投資比同樣滿足供暖、冷和生活熱水條件的其他系統(tǒng)組合（電鍋爐＋空調(diào)系統(tǒng)、燃氣＋空調(diào)系統(tǒng)、燃油＋空調(diào)系統(tǒng)）所需投資低20 %～30 %。水源熱泵消耗1 kW 的能量，用戶可以得到4 kW 以上的熱量或冷量。而鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70%～90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用，水源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省1 / 2 以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省2 / 5以上的能量。利用該技術(shù)替代燃煤和燃油，既節(jié)能又環(huán)保，是建設(shè)節(jié)能型社會的需要，運行費用遠低于中央空調(diào)系統(tǒng)。本工程建成并投入使用，總體運行情況良好，沒有出現(xiàn)水源及系統(tǒng)故障問題，業(yè)主較為滿意。
2.5 水源熱泵系統(tǒng)在水利泵站工程上的應(yīng)用優(yōu)勢
泵站作為水利工程中的輸水工程，有充分的水體資源，因此，在泵站廠區(qū)內(nèi)采用水源熱泵系統(tǒng)來實現(xiàn)泵站建筑冬季取暖，夏季空調(diào)制冷有較好的水源優(yōu)勢，將充分利用泵站內(nèi)輸送的地表水體實現(xiàn)水源熱泵系統(tǒng)中的能量采集，不受水文地質(zhì)條件的限制，同時節(jié)省工程投資。一般泵站前都有容量較大前池來調(diào)節(jié)水量，滿足輸水泵啟動的要求，利用這一水源對水源熱泵系統(tǒng)工作有充分的保障，對輸水水體也無影響，而且本泵站工程是采用地下管道輸水，對于水的溫度一年四季都基本恒溫，等同于地下水源，滿足水源熱泵系統(tǒng)的需要。這樣的設(shè)計既達到一種經(jīng)濟效益，也節(jié)省能源，減少了環(huán)境污染，該技術(shù)應(yīng)用于水利工程中與其他建筑工程相比有更好的發(fā)展優(yōu)勢。
3 雨污水利用技術(shù)在工程上的應(yīng)用
3.1 廠區(qū)雨洪利用
在本工程中應(yīng)用了雨洪利用設(shè)計，按2 a一遇降雨零排放的標準，采用了透水路面系統(tǒng)、生態(tài)卵石散水、滲濾溝、下凹式綠地、可調(diào)試退水口的設(shè)計。道路均采用透水磚面層和無砂混凝土墊層，既達到了透水的目的，又滿足了路面行車的強度要求；廠區(qū)綠地采用下凹式綠地的形式，低于周邊道路100 mm，達到蓄水的目的，減少對綠地的灌溉；建筑周圍的散水采用生態(tài)卵石材料，散水外側(cè)用透水緣石擋邊，使之與周邊的綠地和滲濾溝連通；沿廠區(qū)主要道路及主要綠地下面鋪設(shè)雨洪利用滲濾溝，最大限度地通過透水磚及下墊面的過濾氧化作用達到截流、凈化雨水的作用，滲濾溝的末端通向廠區(qū)北面的景觀湖，在滲濾溝和景觀湖接口處設(shè)可調(diào)試退水口，根據(jù)收集雨水的情況來控制水流，最終滲透的雨水除了補充地下水外，流入景觀湖，作為景觀用水和綠化用水。并在周邊布設(shè)雨量計、水質(zhì)觀測點，進行降雨量觀測、下滲量觀測、收集量觀測、水質(zhì)水位觀測等，形成一套完整的雨洪利用系統(tǒng)。雨洪利用工藝流程見圖3。
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圖3 雨洪利用工藝流程圖
3.2 廠區(qū)生活污水處理及利用
泵站廠區(qū)生活污水的生態(tài)處理，采用生物處理技術(shù)和高效潛流式濕地水質(zhì)凈化技術(shù)相結(jié)合的方式。生活污水由化糞池流入沉淀集水，經(jīng)泵打入生物處理罐，經(jīng)過一級處理后流入景觀湖前面的濕地進行二級處理，最后流入景觀湖，作為景觀用水和綠地灌溉用水?？紤]其地面景觀的效果，整套污水處理設(shè)備埋入地下，經(jīng)過一級處理后的污水已無臭味，為了保證水質(zhì)再進行濕地凈化，在廠區(qū)內(nèi)形成一個濕地景觀，便于生物、動物的棲息。根據(jù)現(xiàn)狀地勢情況，濕地地面高程高于景觀湖水面約2 m，處理后的清水流入景觀湖時又形成一個瀑布景觀，豐富了廠區(qū)內(nèi)的園林景觀效果。出水質(zhì)達到《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》（GB/T 18921—2002）觀賞性景觀環(huán)境用水標準。生活污水處理及利用工藝流程圖4。
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圖4 生活污水處理及利用工藝流程
3.3 廠區(qū)雨污水利用的環(huán)境效益
雨洪利用工程與園林綠化工程相結(jié)合，構(gòu)造雨洪綠化景觀，為廠區(qū)創(chuàng)建一個優(yōu)美的環(huán)境；采用雨洪利用技術(shù)后，減少地面積水與外排徑流，方便行人，減少污染物隨雨水到處蔓延，同時減少對自來水的使用，以逐步緩解北京的防洪和水資源短缺的矛盾，帶動企業(yè)廠區(qū)生態(tài)建設(shè)的意識，使區(qū)域環(huán)境得到改善。
生活污水就地處理利用減輕了對市政污水管網(wǎng)的壓力和污水處理廠的負擔，減少了周圍環(huán)境的污染源，節(jié)省了對市政建設(shè)的投資。同時達到了水資源循環(huán)利用的目的，以點帶面，使污水處理化整為零，就地解決，節(jié)約資源，促進生態(tài)環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實現(xiàn)本區(qū)域內(nèi)的水資源可持續(xù)利用。
3.4 廠區(qū)雨污水利用經(jīng)濟分析
通過廠區(qū)內(nèi)的雨洪利用, 實現(xiàn)2 a一遇降雨零排放，年綜合利用雨水1.26 萬m3。在一定程度上，可減少市政管線的投資。通過雨水置換自來水，減少自來水費用。依據(jù)最新發(fā)布的《關(guān)于加強建設(shè)工程用地內(nèi)雨水資源利用的暫行規(guī)定》及北京市人民政府1994 年9 月26 日第〔1994〕21 號政府令發(fā)布的《北京市征收防洪工程建設(shè)維護管理費暫行規(guī)定》，采取雨洪利用措施，可申請減免部分防洪費，并且節(jié)約水資源。廠區(qū)雨洪利用經(jīng)濟分析見表3。
表3 雨洪利用經(jīng)濟分析
生活污水就地處理利用，實現(xiàn)了生活污水零排放，全部收集利用，年綜合利用污水7 300 m3，達到了水資源循環(huán)利用的目的，對水資源的成本節(jié)約十分可觀。廠區(qū)污水利用經(jīng)濟分析見表4。
表4 生活污水生態(tài)凈化及利用經(jīng)濟分析
4 結(jié)論
水源熱泵技術(shù)利用了空調(diào)制冷機的原理，以水為介質(zhì)，源源不斷地將地下淺層地能吸收起來，變成可利用的高品位能量，替代燃煤，實現(xiàn)節(jié)能、降耗、增效、環(huán)保的目標。該技術(shù)利用了綠色的可再生能源，降低了投資和運行成本，有利于國家、有利于環(huán)境、有利于投資者和使用者，是建設(shè)節(jié)能型社會的需要。該技術(shù)是淺層地能（熱）開發(fā)領(lǐng)域的一次重要的創(chuàng)新，在節(jié)能、環(huán)保方面具有突出的綜合優(yōu)勢，對供暖能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和補充具有重要意義，開辟了利用可再生能源的新時代，是21 世紀取代傳統(tǒng)供暖、冷方式的有力競爭者，在我國將擁有極其廣闊的應(yīng)用前景。
雨污水的循環(huán)利用，起到節(jié)約資金，減少污染，在一定程度上減少對自來水的使用，緩解北京市的水資源危機。通過在本項目上的成功應(yīng)用可在類似地區(qū)進行示范推廣。
參考文獻
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作者簡介：趙生成（1978—），男，工程師。
（責編：zy）
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