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(shì)，對(duì)供冷暖能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和補(bǔ)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(shì)。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(duì)自來水的使用，緩解北京市的水資源危機(jī)。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(huì)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(hào)TV213.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼B 文章編號(hào)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(jī)場(chǎng)東路的交匯處，北面以小中河為界，西側(cè)為機(jī)場(chǎng)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(bǔ)充用水的專項(xiàng)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(gè)工程采用水源熱泵系統(tǒng)，對(duì)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(diǎn)，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(dá)到了雨污水循環(huán)利用的目的，以點(diǎn)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?zé)崮芏N(yùn)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(gè)溫度在13 ℃～23 ℃之間的相對(duì)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(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，達(dá)到需求的目的。淺層地能（熱）具有可再生、儲(chǔ)量巨大、分布廣泛、溫度恒定、易于采集等特點(diǎn)。
水源熱泵系統(tǒng)主要由3 個(gè)獨(dú)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(jì)運(yùn)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(jī)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(chǎng)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(jī)盤管、空調(diào)機(jī)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：?jiǎn)尉楣嗍?、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(shí)現(xiàn)該技術(shù)能量的轉(zhuǎn)換。本工程是一個(gè)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(jì)
2.3.1冷熱負(fù)荷確定
根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，通過計(jì)算，廠區(qū)建筑冬季采暖熱負(fù)荷405.5 kW，建筑夏季供冷負(fù)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(biāo)，估算生活熱水供應(yīng)量為6 m3/h，生活熱水負(fù)荷為244.2 kW，又考慮到生活熱水定期集中使用，可采用儲(chǔ)水方式。生活熱水日常負(fù)荷按20%計(jì)算，為48.4 kW。綜上可得建筑總熱負(fù)荷為453.9 kW。各建筑熱冷負(fù)荷見表1 和表2。
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表1 建筑熱負(fù)荷計(jì)算表
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表2 建筑冷負(fù)荷計(jì)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(fù)荷及環(huán)境系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)，選用1 臺(tái)HT380A 和1 臺(tái)HT100A 能量提升器機(jī)組。單臺(tái)HT380A 標(biāo)準(zhǔn)工況時(shí)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(tái)HT100A 標(biāo)準(zhǔn)工況時(shí)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(fù)荷需求。
能量采集系統(tǒng)：根據(jù)本工程特點(diǎn)，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(tái)（水量為70 m3/h，揚(yáng)程為22m），機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)板式換熱器1 臺(tái)，潛水泵至冷熱源機(jī)房長(zhǎng)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(jī)盤管和暖氣片形式相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)，滿足各個(gè)房間的冷熱源的需求。
系統(tǒng)水處理及系統(tǒng)定壓補(bǔ)水：水處理采用全自動(dòng)軟水器向軟水箱內(nèi)補(bǔ)充軟化水，用補(bǔ)水泵和定壓罐閉式定壓補(bǔ)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(bǔ)水設(shè)備。
2.3.3機(jī)房位置及面積
根據(jù)工程的特點(diǎn)，熱泵機(jī)房設(shè)置在主廠房檢修平臺(tái)下部的地下空間內(nèi)，充分利用了空間，節(jié)省了機(jī)房土建的投資，機(jī)房總面積約70 m2。
2.3.4系統(tǒng)減震措施設(shè)計(jì)
為防止設(shè)備震動(dòng)噪聲，熱泵和水泵下部設(shè)10 mm厚的柔性減振墊，并在機(jī)組混凝土基礎(chǔ)上加減震器，水管出入口、水泵進(jìn)出口設(shè)橡膠軟接頭。
2.3.5自控系統(tǒng)與配置
安裝單獨(dú)的配電控制柜，用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力用電和運(yùn)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(dòng)控制，補(bǔ)水泵為電接點(diǎn)壓力表控制自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行有手動(dòng)/自動(dòng)2 種狀態(tài)。系統(tǒng)在自動(dòng)狀態(tài)下，開啟總電源后，冷熱源控制系統(tǒng)將根據(jù)負(fù)荷情況能夠自動(dòng)在多種工況之間調(diào)節(jié)，保證整個(gè)系統(tǒng)處于效率最佳的運(yùn)行狀態(tài)。
2.4 工程投資及運(yùn)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?xì)猓照{(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(huì)的需要，運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于中央空調(diào)系統(tǒng)。本工程建成并投入使用，總體運(yùn)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(shì)
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(shí)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(shì)，將充分利用泵站內(nèi)輸送的地表水體實(shí)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(shí)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(dòng)的要求，利用這一水源對(duì)水源熱泵系統(tǒng)工作有充分的保障，對(duì)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(duì)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(jì)既達(dá)到一種經(jīng)濟(jì)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(shì)。
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(jì)，按2 a一遇降雨零排放的標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)。道路均采用透水磚面層和無砂混凝土墊層，既達(dá)到了透水的目的，又滿足了路面行車的強(qiáng)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(dá)到蓄水的目的，減少對(duì)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(dá)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(bǔ)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(jì)、水質(zhì)觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行降雨量觀測(cè)、下滲量觀測(cè)、收集量觀測(cè)、水質(zhì)水位觀測(cè)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(jí)處理后流入景觀湖前面的濕地進(jìn)行二級(jí)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(jí)處理后的污水已無臭味，為了保證水質(zhì)再進(jìn)行濕地凈化，在廠區(qū)內(nèi)形成一個(gè)濕地景觀，便于生物、動(dòng)物的棲息。根據(jù)現(xiàn)狀地勢(shì)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(shí)又形成一個(gè)瀑布景觀，豐富了廠區(qū)內(nèi)的園林景觀效果。出水質(zhì)達(dá)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(biāo)準(zhǔn)。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(gè)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(shí)減少對(duì)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(dòng)企業(yè)廠區(qū)生態(tài)建設(shè)的意識(shí)，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(duì)市政污水管網(wǎng)的壓力和污水處理廠的負(fù)擔(dān)，減少了周圍環(huán)境的污染源，節(jié)省了對(duì)市政建設(shè)的投資。同時(shí)達(dá)到了水資源循環(huán)利用的目的，以點(diǎn)帶面，使污水處理化整為零，就地解決，節(jié)約資源，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實(shí)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(jì)分析
通過廠區(qū)內(nèi)的雨洪利用, 實(shí)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(fèi)用。依據(jù)最新發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)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(hào)政府令發(fā)布的《北京市征收防洪工程建設(shè)維護(hù)管理費(fèi)暫行規(guī)定》，采取雨洪利用措施，可申請(qǐng)減免部分防洪費(fèi)，并且節(jié)約水資源。廠區(qū)雨洪利用經(jīng)濟(jì)分析見表3。
表3 雨洪利用經(jīng)濟(jì)分析
生活污水就地處理利用，實(shí)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(dá)到了水資源循環(huán)利用的目的，對(duì)水資源的成本節(jié)約十分可觀。廠區(qū)污水利用經(jīng)濟(jì)分析見表4。
表4 生活污水生態(tài)凈化及利用經(jīng)濟(jì)分析
4 結(jié)論
水源熱泵技術(shù)利用了空調(diào)制冷機(jī)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(shí)現(xiàn)節(jié)能、降耗、增效、環(huán)保的目標(biāo)。該技術(shù)利用了綠色的可再生能源，降低了投資和運(yùn)行成本，有利于國(guó)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(huì)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(shì)，對(duì)供暖能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和補(bǔ)充具有重要意義，開辟了利用可再生能源的新時(shí)代，是21 世紀(jì)取代傳統(tǒng)供暖、冷方式的有力競(jìng)爭(zhēng)者，在我國(guó)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(duì)自來水的使用，緩解北京市的水資源危機(jī)。通過在本項(xiàng)目上的成功應(yīng)用可在類似地區(qū)進(jìn)行示范推廣。
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作者簡(jiǎn)介：趙生成（1978—），男，工程師。
（責(zé)編：zy）
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