水源热泵工作原理及其系统构成（上）

摘要： 水源是应用水源热泵的前提。文中阐述了影响水源热泵运行工效的水源系统的水量、水温、水质和供水稳定性等因素。介绍了各类水源、取水构筑物、水处理技术、回灌技术，指出了水源方案设计和施工中应注意的一些问题。

关键词： 水源热泵 取水构筑物 水处理技术 回灌技术

    清华同方人工环境设备公司今年向市场投放了节能、环保型新产品—GHP型水源中央空调系统。国内其它厂家也有类似产品面市，如“节能冷暖机”、“地温冷暖机”，“地温空调”，“地温热泵”等。名称虽然各异，但基本同属热泵类产品。热泵能有效利用空气、水体和土壤中蕴藏的低温位热能。水源热泵系统是21世纪能源利用的最优方式之一。适合、可靠的水源是有效应用水源热泵的前提，推广利用水源热泵技术时，应注意解决好相关的水源问题。

1、水源热泵工作原理及其系统构成

    “热泵”这一术语是借鉴“水泵”一词得来。在自然环境中，水往低处流动，热向低温位传递。水泵将水从低处泵送到高处利用。而热泵可将低温位热能“泵送”（交换传递）到高温位提供利用。在我国《暖通空调术语标准（GB50155-92）》中，对“热泵”的解释是“能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机”； 在《新国际制冷词典（New International Dictionary of Refrigeration）》中，对“热泵”的解释是“以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统”。可见，热泵在本质上是与制冷机相同的，只是运行工况不同。其工作原理是，由电能驱动压缩机，使工质（如R22）循环运动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中气化吸热、在冷凝器中液化放热，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热（或制冷）功能。在此过程中，热泵的压缩机需要一定量的高位电能驱动，其蒸发器吸收的是低位热能，但热泵输出的热量是可利用的高位热能，在数量上是其所消耗的高位热能和所吸收低位热能的总和。热泵输出功率与输入功率之比称为热泵性能系数，即COP值（Coefficient of Performance ）。热泵有多种，以水作为热源和供热介质的热泵称为水源热泵。水源热泵性能系数（即COP值）高于空气源热泵，系统运行性能稳定。

    水源热泵工程是一项系统工程，一般由水源系统、水源热泵机房系统和末端散热系统三部分组成。其中，水源系统包括水源、取水构筑物、输水管网和水处理设备等。

2、水源热泵对水源系统的要求

    水源系统的水量、水温、水质和供水稳定性是影响水源热泵系统运行效果的重要因素。应用水源热泵时，对水源系统的原则要求是：水量充足，水温适度，水质适宜，供水稳定。具体说，水源的水量，应当充足够用，能满足用户制热负荷或制冷负荷的需要。如水量不足，机组的制热量和制冷量将随之减少，达不到用户要求。水源的水温应适度，适合机组运行工况要求。例如，清华同方GHP型水源中央空调系统在制热运行工况时，水源水温应为12—22℃；在制冷运行工况时，水源水温应为18—30℃。水源的水质，应适宜于系统机组、管道和阀门的材质，不至于产生严重的腐蚀损坏。水源系统供水保证率要高，供水功能具有长期可靠性，能保证水源热泵中央空调系统长期和稳定运行。

3、水源

    原则上讲，凡是水量、水温能够满足用户制热负荷或制冷复荷的需要，水质对机组设备不产生腐蚀损坏的任何水源都可作为水源热泵系统利用的水源，既可以是再生水源，也可以是自然水源。

    3.1 再生水源
  是指人工利用后排放但经过处理的城市生活污水、工业废水、矿山废水、油田废水和热电厂冷却水等水源，有条件利用再生水源的用户，变废为利，可减少初投资，节约水资源。但对大多数用户来说，可供选择的是自然界中的水源。

    3.2 自然界中的水源

    自然界中的水分布于大气圈、地球表面和地壳岩石中，分别称之为大气水、地表水和地下水。陆地上的地表水和地下水均来自于大气降水。

    地表水中的海水约占自然界水总储量的96.5%。滨海城市有条件利用海水，国外有应用海水作热泵水源的实例。我国一些沿海城市利用海水作工业冷却水源已有多年历史。近年，国内有用海水作热泵水源的研究，但海水水源热泵技术的实用化尚待时日。陆地上的地表水，即江、河、湖、水库水比海水和地下水矿化度低，但含泥沙等固体颗粒物、胶质悬浮物及藻类等有机物较多，含砂量和浑浊度较高，须经必要处理方可作热泵水源。

    地下水是指埋藏和运移在地表以下含水层中的的水体。地下水分布广泛，水质比地表水好，水温随气候变化比地表水小，是水源中央空调可以利用的较为理想的水源。

    3.3 水量与水源的选择

    水量是影响水源热泵系统工作效果的关键因素，一项工程所需水量多少由该工程负荷与机组性能确定，所选择的水源水量应满足负荷要求。如果其他各种条件均具备，但水量略有不足，其缺口可采取一定辅助弥补措施解决。如水量缺口较大，不能满足负荷要求，就应考虑其他方案。 就某项具体工程而言，应从实际情况出发，判断是否具备可利用的水源。不同工程的场地环境和水文地质条件千差万别，可利用的水源各不相同，应因地制宜地选择适用水源。当有不同水源可供选择时，应通过技术经济分析比较，择优确定。

4、水质

    自然界中的水处于无休止循环运动中，不断与大气、土壤和岩石等环境介质接触、互相作用，使其具有复杂的化学成分、化学性质和物理性质。应用水源热泵时，除应关心水源水量外，还应关注水的温度、化学成分、浑浊度、硬度、矿化度和腐蚀性等因素。但是，目前对水源热泵所用水源的水质尚无有关规定，本文所提数据参考了冷却水水质标准和某些地下水回灌水质的有关规定。

    4.1 温度

    地表水水温 随季节、纬度和高程不同而变化。长江以北和高原地区，冬季地表水结冰，无法利用于制热供暖。夏季水温一般低于30℃，可用于制冷空调。

    地下水水温 随自然地理环境、地质条件及循环深度不同而变化。近地表处为变温带，变温带之下的一定深度为恒温带，地下水温不受太阳辐射影响。不同纬度地区的恒温带深度不同，水温范围10—22℃。恒温带向下，地下水温随深度增加而升高，升高多少取决于不同地域和不同岩性的地热增温率。地壳平均地热增温率为2.5℃/100m，大于这一数值为地热异常。富含地下水的地热异常区可形成地热田。据1997年统计数字，全国已发现地热点3200多处，开发利用130 处地热田，年开采地热水3.45亿m3。目前，许多地热用户排放弃水温度较高（约40℃）。应用水源热泵可使弃水中的30℃温差得到再利用，大大提高地热能利用率。

    4.2 含砂量与浑浊度

    有些水源含有泥沙、有机物与胶体悬浮物，使水变得浑浊。水源含砂量高对机组和管阀会造成磨损。含砂量和浑浊度高的水用于地下水回灌会造成含水层堵塞。用于水源热泵系统的水源，含砂量应＜1/20万，浑浊度＜20毫克/升。如果水源热泵系统中装有板式换热器，水源水中固体颗粒物的粒径应＜0.5毫米。
  4.3 水的化学成分及其化学性质

    自然界水中溶有不同离子、分子、化合物和气体，使得水具有有酸碱度、硬度、矿化度和腐蚀性等化学性质，对机组材质有一定影响。

    酸碱度 水的pH值小于7时，呈酸性，反之呈碱性。水源热泵的水源pH值应为6.5-8.5。
硬度 水中Ca2+、Mg2+总量称为总硬度。硬度大，易生垢。水源热泵水源水中的CaO含量应＜200 mg/L。

    矿化度 单位容积水中所含各种离子、分子、化合物的总量称为总矿化度，用于水源热泵系统的水源水矿化度应＜3g/L。

    腐蚀性 水中Cl-、游离CO2等都具腐蚀性，溶解氧的存在加大了对金属管道的腐蚀破坏作用。应用水源热泵系统时，对腐蚀性、硬度高的水源，应在系统中加装抗腐蚀的不锈钢换热器或鈦板换热器。

5、取水构筑物

    从水源地向水源热泵机房供水，需建取水构筑物。依据水源不同，取水构筑物可分为地表水取水构筑物和地下水取水构筑物两类。

    5.1 地表水取水构筑物

    按结构形式地表水取水构筑物可分为活动式和固定式两种。活动式地表水取水构筑物有浮船式和活动缆车式。较常用的是固定式地表水取水构筑物，其种类较多，但一般都包括进水口、导水管（或水平集水管）和集水井，地表水取水构筑物受水源流量、流速、水位影响较大，施工较复杂，要针对具体情况选择施工方案。

    5.2 地下水取水构筑物

    地下水取水构筑物有管井、大口井、结合井、辐射井和渗渠等类型，表1列出了地下水取水构筑物的型式及适用范围[1]。在实际工程中，应根据地下水埋深、含水层厚度、出水量大小、技术经济条件不同选取不同形式。

    5.3 管井

    地下水取水构筑物中最常见的型式是管井，一般由井孔、井壁管、滤水管、沉砂管组成。井孔用钻机钻成，井壁管安装在非含水层处，用以支撑井孔孔壁，防止坍塌，井管与孔口周围用粘土或水泥等不透水材料封闭，防止地面污水渗入；滤水管安装在含水层处，除有井壁管作用外其主要作用是滤水挡砂；井管最底部为沉砂管，用以沉积水中泥沙，延长管井使用寿命。