浅层地表水直接取水的经验及难点于.docx

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浅层地表水直接取水的经验及难点于

水源热泵空调系统浅层地表水直接取水的经验及难点

于维超杨生郁华斌

（南京丰盛能源环境科技发展有限公司）

摘要：

结合江阴升泰现代农业园水源热泵系统的设计，对浅层地表水取水设计经验进行总结。

关键词：

地表水、水流量、水容量、水温、水质、热容量、水处理、过滤、反冲洗、水温、结构、在线清洗、取水能耗

1引言

水源热泵空调正在日益得到大力推广，但是由于自然水体的水质差别很大，有可能造成换热器堵塞、结垢、腐蚀，影响水源热泵机组的性能，给系统的节能和可靠性带来了不确定因素。

因此取水和水处理是水源热泵工程不可忽视的重要环节。

本文结合江阴升泰现代农业园等水源热泵项目取水系统的设计施工，对淡水水体水源热泵工程的取水设计进行探讨。

以江、河、湖泊、城市污水作为冷热源的水源热泵系统，其对水源的利用受到的影响因素有许多，主要有：

水流量、水容量、水温、水质，以及环保因素等几个方面。

1.1水流量、水容量

对河流来说，既有流量又有容量，对湖泊来说，水容量是主要因素。

因为水源热泵在利用水源之后会反过来影响水体温度，如果水体容量太小，或者河流水量不足，那么水体的热容量就比较小，水源热泵吸放热造成的水温变化就可能无法及时恢复，这样就会受到环保要求的制约，因为这时水温的变化将会影响水生物繁殖，甚至造成水体的微生物污染，从而对水环境甚至周边环境造成不利影响。

目前，根据国家《地表水环境质量标准》规定，人为造成的环境水温变化应限制在周平均最大温升≤1℃，周平均最大温降≤2℃。

由此可见，必须重视水源热泵系统对水体温度的影响。

目前，通过软件进行模拟计算，可以较准确地计算出水源热泵造成水体的温度变化和热量平衡的情况，从而为决策提供必要的依据。

1.2水温

水温是水体是否适用于水源热泵的一个重要指标。

在夏季，如果自然水体的水温高于冷却塔或大气温度，那么热泵机组的效率就不如采用冷却塔的普通水冷机组甚至风冷热泵。

在冬季，如果水体温度持续较低，极端低温较长时间低于5℃，将会给系统和主机带来极大的考验，在系统设计上必须采取必要的应对措施。

如果水体温度经常低于4℃，如果需要确保系统可靠性，那么冬季必须考虑其他辅助热源。

水温和水体容量，特别是和水体的深度是有密切的关系的。

从目前掌握的一些资料和研究结果来看，在夏热冬冷地区，深度大于4米的自然水体，冬季水底的温度一般不低于4℃，夏季不高于32℃。

因此如果水体容量足够，水源热泵的应用空间还是很大的。

相对于利用冷却塔和锅炉，水源热泵系统的效率会更高。

另外，应注意到，深度较浅的水体，其底部的温度较水表更加稳定，因此取水口应尽量距离水底在一米范围以内设置。

1.3水质

水质的好坏将决定换热器的选取和使用效果。

天然水体中所含的钙镁离子、泥沙颗粒、有机悬浮物，会在冷凝器、蒸发器表面形成结垢，污垢热阻对空调和制冷设备的性能有显著影响，悬浮物含量过高时甚至会引起换热器管道堵塞。

水质的指标有很多：

Cl代表氯离子的含量；SS代表固体悬浮物含量，通过重量法进行测量；BOD代表微生物化学需氧量，是一种用微生物代谢作为所消耗的溶解氧量来间接表示水体被有机物污染程度的一个重要指标；TDS代表水中溶解物质的总含量，包括钙镁离子、胶体、悬浮颗粒物、蛋白质、病毒、细菌、微生物及尸体等；COD代表化学需氧量，是在一定条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂量。

各项水质指标中，与硬垢的形成相关的因素有总硬度、总碱度、钙离子等；与生物软垢形成相关的因素BOD（生化需氧量）、氨氮等。

根据相关的文献计算表明，总钙浓度一定时，pH值越高，成垢指数越大。

在pH值为7～9时，pH值越大，逐渐污垢热阻越大，结垢诱导期越短。

相对于Ca含量，总碱度和总硬度对结垢的影响要大于单Ca带来的影响。

化学需氧量（COD）和细菌总数是影响换热器生物软垢形成的主要因素。

自然水体内含有大量的藻类和微生物，会附着在换热器管壁上，并分泌粘多糖，会强化换热器管壁的结垢，这也是系统设计必需考虑的问题。

污垢成长分为三个阶段：

起始期（诱导期，是指从换热面与污染流体接触起到形成可观测的污垢的一段时间）、生长起、逐进期。

在起始期内（7-8天）污垢热阻基本上保持在某个微小的恒定值上，一旦到了生长期，污垢就飞速生长，热阻也飞速增加。

直到一定时间后（生长期，42-43天），污垢基本上趋于稳定值（逐进期）。

固体悬浮物对热泵机组能否正常运行影响很大，在机组运行中要加强对源水的过滤，以充分保证热分泵机组的正常稳定地运行。

污垢热阻对水源热泵机组的性能影响很大。

例如，当水冷式冷水机组满负荷运行时，换热管管壁为清洁状态，冷冻水的出水温度为7℃，冷却水出冷水机组的温度为35℃，冷水机组制冷剂的冷凝温度为36℃，蒸发温度为6℃，其能耗系数为0.60kW/ton。

如果冷凝器和蒸发器水侧的污垢热阻均为4.4×10-5m2.K/W，则制冷剂的冷凝温度升高为37℃，蒸发温度降为5℃，其能耗系数为0.65kW/ton，即运行费用增加了8.3％。

2水源热泵对水源的利用方式

为了充分利用自然水体的温度，减少换热温差损失，提高系统效率，目前普遍认为采用采用满液式蒸发器的水源热泵，并采用开式系统，使源水直接进入机组的方式是最经济节能的方式。

通过对世博轴和广州地铁2号线珠海广场站江水源热泵两个项目的调研，得到共同的结论：

开式水源热泵地表水的水处理，可以采用二级粗过滤加一级高效过滤进行处理，对满液式蒸发器和冷凝器的结垢和效率下降问题，可以采用小球或毛刷在线清洗的技术，有这几项措施保证，系统运行是可靠和节能的。

也有采用板式换热器或管壳式换热器进行二次换热的闭式水源热泵系统，一次水通过换热器传热给二次水，二次水再供主机，二次水系统是闭式系统。

一般这种系统使用在一次水水质变化较大，对二次水质要求较高的场合，但水温必须有保证。

比如南通新城小区的城市污水源热泵就混合采用了开始和闭式系统：

空调系统采用开式的满液式蒸发器水源热泵机组，城市污水直接进入主机。

但是对供水水质和安全性有更高要求的卫生热水，就未敢采用污水直接进入主机的方式，而是采用了管壳式换热器进行热交换后，二次水进入主机蒸发器的方式。

这个项目城市污水的温度可以全年保证在12~20℃之间，因此有足够的温差可利用。

目前在自然水体利用的方式上仍然存在一定争议。

但是我们认为，在夏热冬冷地区，水体深度在3米以上10米以内的人工或自然水体，冬季不宜采用板式换热器进行二次热交换。

因为水体底部极端温度在4℃左右，不能提供二次换热的温差，而且为防止结冰，二次水必须采用乙二醇溶液，不但增加了复杂性，降低了效率，还可能造成一次水结冰，同样无法保证系统的可靠性（以上情况不适用于海水源水源热泵系统）。

同样，在夏季增加二次换热器，也不能完全解决水源藻类和微生物污染对主机的影响，反而增加水泵能耗，降低主机效率。

以下结合具体项目对不同水体取水的设计细节进行探讨和总结。

2.1范例一：

合肥科学家园水源热泵项目

“科学家园”职工住宅小区位于合肥市蜀山区，在湖光路以北，科学院路以西，甘泉路以东。

住宅共计1478户、建筑面积194896.91平方米；老年活动中心1436.86平方米；社区和物业1427.36平方米；会所1276.14平方米；幼儿园2024.32平方米。

小区住宅由高层和小高层组成。

本次招标项目是“科学家园”小区水源热泵空调冷暖二联供系统。

本工程夏季取水量大约1500m3/h，冬季取水量则小于1200m3/h；而根据我们收集的材料，董铺水库汇水面积为207km2，总库容：

2.4亿m3，正常水位：

28m，汛期控制水位：

27.5m。

招标文件提供的水质资料如下表：

项目

标准限值mg/L

水库mg/L

PH

6~9

7.3

达标

溶解氧

1.68

达标

氯化物

≤100

14.52

达标

Fe2+

≤1

0.3

达标

浑浊度

≤20

5.4NTU

达标

硬度

≤200

72.8

达标

从上表可见，本项目中水库水质已经达到二级饮用地表水标准，超过《工业循环冷却水处理设计规范》GB50050-2007规定的工业冷却水水质标准（以下为《工业循环冷却水处理设计规范》GB50050-2007的工业冷却水水质标准：

含砂量：

小于1/20万

混浊度：

小于20mg/L

酸碱度：

PH值：

6.5－8.5

硬度：

CaO含量小于200mg/L

矿化度：

小于350mg/L

腐蚀性：

CL-小于100mg/LSO42-小于100mg/LFe2+小于1mg/L

H2S小于0.5mg/L），

由此可见理论上湖水可以直接进入机组，但是由于水库偶尔有补水，汛期水质也可能下降，所以仍然对湖水进行了处理。

投标设计采用了双取水口和取水管道。

在通常设计中，只考虑一个取水点，但是一个取水点由于流量较大，取水区域的水域会由于迅速的吸水而形成一个向下的旋涡，这种情况下，尽管取水点较深，仍然不能很好利用深层的水温，引起机组效率下降（因为取水区域的水层上下互相掺杂）。

因此我们采取的方式是将两个取水点分布，由于降低了每个点得取水流量，因此，减少了上下得掺混，取水温度得到保证。

取水口采用间距10毫米的粗格栅对大块杂质进行过滤，取水口距水底0.5米，形式为正方体罐笼。

下图为取水泵房：

一级过滤器采用了带有电子灭藻和自动反冲洗功能的过滤器，过滤网孔径5毫米，二级过滤器采用自动反冲洗过滤器，过滤能力为200微米，在每台机组进水口仍设置了Y型过滤器。

当水源长时间（具体时间预先无法估算）取水后，取水格栅难免会有大块杂物积聚，造成压力损失加大，因此，如上图所示，我们设计了两根取水管道，并设计了反冲洗阀，通过切换阀门实现反冲洗，可以定期进行反冲洗。

取水口距泵房100米远，水深超过15米，取水管道很长，。

在取水泵房的设计中，为了简化系统，减少组件，提高效率，我们详细计算了取水泵前端入口的真空度，确保不会发生气蚀，因此没有采用过渡调节水池，而是把取水总管直接和取水泵相连接。

这样就减少了湖边取水构筑物，节约了投资，可靠性也更好。

2.2范例二：

江阴升泰农业湖泊水源热泵项目

江阴升泰现代农业园位于江阴青阳镇霞客大道及青璜路交叉口处，功能为温室大棚，共分为三部分，即鸟览厅、莲花厅、吊花厅，建筑总占地面积13152平方米，天井面积为5836.8平方米，鸟览厅2457.6平方米，荷花厅2457.6平方米，吊花餐厅8064平方米。

该建筑层高较高，且围护结构均为玻璃。

通过负荷分析计算，得出夏季总冷负荷为4500KW，冬季总热负荷为2800KW。

夏季最大取水量为1100m3/h,冬季最大取水量为750m3/h。

花鸟园区内的人工湖泊面积约为300亩，平均深度为3.5米，最深处为5米，湖水来源于江河

图一、蓄水池照片

支流。

湖底为淤泥滩地，人工湖设计方案中，在湖底开挖一条100米长深渠，深渠宽度为4米，深为4米。

2.2.1蓄水池的作用

为满足空调冷热源系统使用要求，和湖内的深渠部分连接，修建蓄水池，蓄水池深度为8米。

蓄水池的作用主要是利用卵石隔滤层对湖水进行初步过滤，避免水底泥沙被直接吸入取水管道；同时能够缓冲流量冲击，稳定水位的作用；另外，。

蓄水池的围护结构为钢筋混凝土浇注，结构分为内、外池，外池尺寸为20m*20m，内池为18m*18m，中间夹层为1m宽，水池深度为8.5m，内池蓄水量为2754m3，外池墙面有18个80cm*80cmde的进水孔，内池墙面24个80cm*80cm的进水孔。

内外池壁的夹层中采用光面鹅卵石填充，内池底部也采用同样类型的鹅卵石铺设，蓄水池顶面封顶，预留人孔。

图二、蓄水池剖面图

这种取水构筑物的主要作用有以下几个：

（1）水池围护结构为封闭体，这样结构既可以保证内部水源不受外界环境温度的直接影响，又可以保证水质不受漂浮物等直接污染；

（2）内外夹层的结构有过滤缓冲水流的作用，夹层中的采用的光面鹅卵石具有阻力小，吸附力差的特点，并且不易滋生藻类；可以有效的拦截泥沙，使其沉积在池底，达到对水体进行初始过滤的作用；

（3）池外做混凝土护坡和护坡挡墙，这样可以阻挡湖底淤泥的进出，减少池底泥沙的沉积；

（4）由于水池的进水口在水面下5米，也能够避免水面水直接进入吸水管，水底温度更好；

（5）能够缓冲流量冲击，稳定水位，保证取水泵正常工作。

夏季时，空调最大的用水量为1100m3/h,由于夹层中采用光面鹅卵石进行过滤沉淀，鹅卵石堆积于夹层中，缩减进水孔的有效进水面积，利用几何面积法计算，进水孔的有效面积缩减为原来的1/3，也就是进水量为原来的30%，即为2300m3/h，水池总容积为2700m3/h，利用容量差值形成自然进水动力。

经过流速计算，内外水池相差1cm，单孔的进水流速为0.3m/s，根据现场的调试测试，池内外水面的高度相差不大于50cm，取水单元的蓄水量完全可以满足空调系统的用水量要求。

冬季进行了池底水温测试，当环境温度为零下3°C时，蓄水池池底水温为6°C，不需要辅助加热设备加热机组进水，仍然可以满足机组正常启动和运行。

蓄水池的缺陷是占地较大，土建量大，特别是卵石隔滤夹层土建施工较复杂。

2.2.2取水过滤净化

2.2.2.1蓄水池

蓄水池完成对取水的粗效过滤和沉淀，这种方式适合深度浅，含沙量高的水体，并且取水量较大的初步处理。

2.2.2.2一级过滤（取水头部）

图三、取水头部

水泵吸水管头部安装孔状鸟笼结构，直径为1.0cm的圆孔满布结构体上，主要是拦截较大漂浮物、鱼类等。

因为水泵吸入口及输水管道均在湖面高度以下，所以不需要装底阀或自动灌水装置。

该结构安装在距离池底1.0米的高度，可以避开池底泥沙的吸入，保证取水温度合适。

取水头部设计时，应注意进水速度及压降，如果进水孔数量较少，会增大系统的压降，造成系统能耗增加，所以，设计取水头时根据水体杂质的情况，尽量做到满布，增大进水面积，减少压降。

取水头部高出河底一般不小于0.5米，顶部进水孔不小于1.0~1.5米，格栅流速0.4~1.0m/s，阻力损失小于0.5米水柱。

此外，经过长期运行，取水头部难免会有杂物堵赛。

因此借鉴合肥家园项目的取水经验，我们设计两根取水管，用以做取水系统自身反冲洗。

两根水管在平时系统正常运行时，采用共同取水方式，待系统在停机季节，可以进行自身反冲洗，一根水管为取水管，一根水管为排水管，进行清淤运行，这样设计可以保证系统长期的正常运行。

2.2.2.3二级过滤

采用TWD-P反冲过滤型电子水处理仪作为二级过滤处理设备。

图四、TWD-P反冲过滤型电子水处理仪

反冲过滤型电子水处理仪工作原理

TWD-P反冲过滤型电子水处理仪将电子水处理仪和反冲洗过滤器完美地结合在一起，使设备同时兼具水处理和过滤作用，达到一机二用的目的，降低了设备成本，节省安装空间，也便于操作管理。

TWD-P反冲过滤型电子水处理仪具有电子水处理仪和反冲洗过滤排污的功能，包括壳体、蝶阀板、轴套、转动手柄、滤筒、水处理机芯和主机等，水处理机芯设在滤筒内。

正常工作时，电子水处理仪蝶阀板全开，被处理水经蝶阀板后从里向外流经滤筒后流出，污物被截留在滤筒内（此时排污口所接排污阀关闭），水流经水处理机芯时，受到高频交变电磁场的处理，同样具有除垢防垢、杀菌灭藻的效果。

当污物积聚越来越多时，会堵塞滤网，使滤筒流通面积越来越小，导致水流经滤筒前后的压力差值越来越大。

当压力差达到允许值时，转动手柄，让蝶阀板处于关闭状态，水在滤筒前段从内向外流出，在滤筒后段（渣物收集段）从外往内冲刷滤筒，打开排污阀，即可将渣物排出。

排污结束后，关闭排污阀，将手柄转回开启状态，设备转入正常运行。

性能特点

TWD-P型反冲过滤电子水处理仪同时具有TWD水处理仪和TFP过滤器的特点：

1、功能齐全：

设备具有明显的防垢除垢、杀菌灭藻、防锈阻蚀功能，能有效过滤水中污物，一机多能。

2、技术先进：

水处理器自动运行，采用智能模块复合电场技术，性能稳定、功能强大，能随水质自动调整频率输出参数，并具有故障自诊断功能。

3、经济实用：

设备不占地、性能价格比高，安装简便、易于操作；排污时对系统运行的影响很小，无须停机排污。

4、质量可靠：

选用进口电子原器件，性能稳定；转动轴采用机械密封，克服传统填料式密封易渗漏的缺点；滤网为不锈钢筒式加强结构，难以损坏。

5、环保节能：

设备运行能耗少、无污染、无噪音、无须专人看管，经济环保。

6、精心加工：

先进的技术，严格的质保体系，严密组织、精心加工，确保TWD-P型反冲过滤电子水处理仪具有领先水平的品质，使用寿命15年以上。

二级过滤系统是在空调机房中完成，通过技术含量比较先进的水过滤设备，对水体进行高精度的过滤净化，减少进水杂质，为机组运行提供良好的水环境。

二级过滤系统中主要利用高精度过滤设备完成，主要设备为RF3反冲洗过滤器、反冲过滤型电子水处理仪。

下面介绍这两种过滤净化设备的工作原理。

2.2.2.4三级过滤

采用RF3自动反冲洗过滤器反冲过滤型电子水处理仪作为二级过滤处理设备。

自动反冲洗过滤器用于过滤器低粘度液体中的颗粒杂质，为机电一体化产品，具有结构紧凑、过滤效率高、反冲洗耗液量少、运行成本低、反冲洗过程中仍能连续过滤等优点，广泛应用于冶金、化工、发电、水处理等领域。

图5.1图5.2

图五、RF3自动反冲洗过滤器

RF3自动反冲洗过滤器工作原理

自动反冲洗过滤器内部主要是由过滤单元组成，每个过滤单元都是由不锈钢片压制成的，过滤精度取决于过滤单元缝隙的大小。

过滤器内共有50个过滤单元，这些过滤单元在正常运行下，过滤和反冲洗两个作用是同时进行的，不需要停机清洗，其主要原理如上图所示。

当系统取水系统正常运行时，水流方向如图5.1所示，从过滤器的底部进入，靠系统自身的水压力，将湖水从过滤单元中透过，杂质等就会附着在过滤单元内部，完成系统取水的过滤功能，所有过滤单元是同时进行过滤作用的，没有先后顺序。

当系统进行过滤单元反冲洗作用时，过滤器底部的电动阀门打开，过滤器顶部的电机启动，下面的转动盘接通一组过滤单元，在离心力作用下，反冲洗过滤单元会把水通过缝隙吸进来，水流方向如图5.2所示，冲刷掉附着在内壁上的杂质，杂质顺着底部的管道流出，完成一组过滤单元反冲洗。

然后底部阀门关上，转动盘旋转到另一组过滤单元下，阀门再次开启，完成第一次反冲洗相同的方式，依次下去，完成全部过滤单元的反冲洗。

设备内部可以设置监测压力，当压力达到设定值时，反冲洗功能启动，直到全部反冲洗完成，压力降到零。

安装时要注意设备上方要留出足够空间，保证能够将整个过滤单元从设备顶部抽出。

2.2.2.5环保球节能清洗系统

对于水源热泵机组长期运行后，蒸发器、冷凝器会产生大量的污垢附着在铜管内壁，如果不及时清理，则在铜管壁上形成热阻，导致换热效果不好，使得机组运行效率下降，因此，对机组的选取和清理维护也是水源热泵系统重要问题。

本项目设计中，考虑水源热泵机组的换热效率及清洗维护方便，采用克莱门特满液式机组，该机组特点是湖水在铜管中进行循环流动，制冷剂在铜管间通过，机组长期运行，容易在铜管内壁形成污垢。

为保持机组的正常运行效率，在机组清洗维护系统中，设计环保球节能清洗系统完成。

功能特点是在机组运行过程中就可以实现对机组的铜管内壁的清洗工作，对其工作原理进行详细介绍。

2.2.2.6环保球节能清洗系统工作原理

环保球节能清洗系统是一个专为空调机组提供全自动清洗冷凝器管路的操作系统。

环保球球体的直径比冷凝器管路直径大约1毫米。

当机组运作时，环保球注入冷凝器管路，橡胶海绵小球在冷凝器管路中持续不断地循环，以清除沉积的污垢。

这个过程可以保持冷凝水和制冷剂之间高效的换热。

此清洗方法可以节省高昂的停机人工清洗费用，而且使冷凝器保持一个高的传热系数。

整个系统体积小，可靠性高，易于安装维护。

环保球节能清洗系统中的滤隔器装置安装于空调出水总管上，其功能是将清洗小球收集回来，其安装时候要保证水平距离不小于1.5米，且检查窗水平向下。

因为蒸发器和冷凝器是分开清洗的，冬夏季切换不能利用自带的蝶阀长期关断，需要重新安装闸阀或三通换向阀进行季节转换。

系统在运行时候，会根据来自空调系统的设备的节点信号完成自动清洗，不工作的机组不进行清洗，通常设置的时间为2小时清洗一次。

3.结论

以上两个范例是我公司经过市场调查和技术研究后，在实践过程中应用，有一些水处理设备还是第一次在国内的水源热泵项目中应用。

开式水源热泵的取水没有一成不变的办法，在具体的工程设计应用当中应当根据具体的情况分别采取因地制宜的措施，减少不必要的处理环节，以减少初投资和运行的取水能耗。

参考文献

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【2】马最良.冷热源种类和形式[J].暖通空调.中国建筑工业出版社.2002.

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