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水源熱泵對水源系統(tǒng)的要求|資料
水源系統(tǒng)的水量、水溫、水質(zhì)和供水穩(wěn)定性是影響水源熱泵系統(tǒng)運行效果的重要因素。應用水源熱泵時，對水源系統(tǒng)的原則要求是：水量充足，水溫適度，水質(zhì)適宜，供水穩(wěn)定。具體說，水源的水量，應當充足夠用，能滿足用戶制熱負荷或制冷負荷的需要。如水量不足，機組的制熱量和制冷量將隨之減少，達不到用戶要求。水源的水溫應適度，適合機組運行工況要求。例如，清華同方GHP型水源中央空調(diào)系統(tǒng)在制熱運行工況時，水源水溫應為12—22℃；在制冷運行工況時，水源水溫應為18—30℃。水源的水質(zhì)，應適宜于系統(tǒng)機組、管道和閥門的材質(zhì)，不至于產(chǎn)生嚴重的腐蝕損壞。水源系統(tǒng)供水保證率要高，供水功能具有長期可靠性，能保證水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)長期和穩(wěn)定運行。 一、水源 原則上講，凡是水量、水溫能夠滿足用戶制熱負荷或制冷復荷的需要，水質(zhì)對機組設備不產(chǎn)生腐蝕損壞的任何水源都可作為水源熱泵系統(tǒng)利用的水源，既可以是再生水源，也可以是自然水源。 1. 再生水源 是指人工利用后排放但經(jīng)過處理的城市生活污水、工業(yè)廢水、礦山廢水、油田廢水和熱電廠冷卻水等水源，有條件利用再生水源的用戶，變廢為利，可減少初投資，節(jié)約水資源。但對大多數(shù)用戶來說，可供選擇的是自然界中的水源。 2 .自然界中的水源 自然界中的水分布于大氣圈、地球表面和地殼巖石中，分別稱之為大氣水、地表水和地下水。陸地上的地表水和地下水均來自于大氣降水。 地表水中的海水約占自然界水總儲量的96.5%。濱海城市有條件利用海水，國外有應用海水作熱泵水源的實例。我國一些沿海城市利用海水作工業(yè)冷卻水源已有多年歷史。近年，國內(nèi)有用海水作熱泵水源的研究，但海水水源熱泵技術(shù)的實用化尚待時日。陸地上的地表水，即江、河、湖、水庫水比海水和地下水礦化度低，但含泥沙等固體顆粒物、膠質(zhì)懸浮物及藻類等有機物較多，含砂量和渾濁度較高，須經(jīng)必要處理方可作熱泵水源。 地下水是指埋藏和運移在地表以下含水層中的的水體。地下水分布 ，水質(zhì)比地表水好，水溫隨氣候變化比地表水小，是水源中央空調(diào)可以利用的較為理想的水源。 3.水量與水源的選擇 水量是影響水源熱泵系統(tǒng)工作效果的關(guān)鍵因素，一項工程所需水量多少由該工程負荷與機組性能確定，所選擇的水源水量應滿足負荷要求。如果其他各種條件均具備，但水量略有不足，其缺口可采取一定輔助彌補措施解決。如水量缺口較大，不能滿足負荷要求，就應考慮其他方案。 就某項具體工程而言，應從實際情況出發(fā)，判斷是否具備可利用的水源。不同工程的場地環(huán)境和水文地質(zhì)條件千差萬別，可利用的水源各不相同，應因地制宜地選擇適用水源。當有不同水源可供選擇時，應通過技術(shù)經(jīng)濟分析比較，擇優(yōu)確定。 二、水質(zhì) 自然界中的水處于無休止循環(huán)運動中，不斷與大氣、土壤和巖石等環(huán)境介質(zhì)接觸、互相作用，使其具有復雜的化學成分、化學性質(zhì)和物理性質(zhì)。應用水源熱泵時，除應關(guān)心水源水量外，還應關(guān)注水的溫度、化學成分、渾濁度、硬度、礦化度和腐蝕性等因素。但是，目前對水源熱泵所用水源的水質(zhì)尚無有關(guān)規(guī)定，本文所提數(shù)據(jù)參考了冷卻水水質(zhì)標準和某些地下水回灌水質(zhì)的有關(guān)規(guī)定。 1. 溫度 地表水水溫 隨季節(jié)、緯度和高程不同而變化。長江以北和高原地區(qū)，冬季地表水結(jié)冰，無法利用于制熱供暖。夏季水溫一般低于30℃，可用于制冷空調(diào)。 地下水水溫 隨自然地理環(huán)境、地質(zhì)條件及循環(huán)深度不同而變化。近地表處為變溫帶，變溫帶之下的一定深度為恒溫帶，地下水溫不受太陽輻射影響。不同緯度地區(qū)的恒溫帶深度不同，水溫范圍10—22℃。恒溫帶向下，地下水溫隨深度增加而升高，升高多少取決于不同地域和不同巖性的地熱增溫率。地殼平均地熱增溫率為2.5℃/100m，大于這一數(shù)值為地熱異常。富含地下水的地熱異常區(qū)可形成地熱田。據(jù)1997年統(tǒng)計數(shù)字，全國已發(fā)現(xiàn)地熱點3200多處，開發(fā)利用130 處地熱田，年開采地熱水3.45億m3。目前，許多地熱用戶排放棄水溫度較高（約40℃）。應用水源熱泵可使棄水中的30℃溫差得到再利用，大大提高地熱能利用率。 2. 含砂量與渾濁度 有些水源含有泥沙、有機物與膠體懸浮物，使水變得渾濁。水源含砂量高對機組和管閥會造成磨損。含砂量和渾濁度高的水用于地下水回灌會造成含水層堵塞。用于水源熱泵系統(tǒng)的水源，含砂量應＜1/20萬，渾濁度＜20毫克/升。如果水源熱泵系統(tǒng)中裝有板式換熱器，水源水中固體顆粒物的粒徑應＜0.5毫米。 3. 水的化學成分及其化學性質(zhì) 自然界水中溶有不同離子、分子、化合物和氣體，使得水具有有酸堿度、硬度、礦化度和腐蝕性等化學性質(zhì)，對機組材質(zhì)有一定影響。 酸堿度 水的pH值小于7時，呈酸性，反之呈堿性。水源熱泵的水源pH值應為6.5-8.5。 硬度 水中Ca2+、Mg2+總量稱為總硬度。硬度大，易生垢。水源熱泵水源水中的CaO含量應＜200 mg/L。 礦化度 單位容積水中所含各種離子、分子、化合物的總量稱為總礦化度，用于水源熱泵系統(tǒng)的水源水礦化度應＜3g/L。 腐蝕性 水中Cl-、游離CO2等都具腐蝕性，溶解氧的存在加大了對金屬管道的腐蝕破壞作用。應用水源熱泵系統(tǒng)時，對腐蝕性、硬度高的水源，應在系統(tǒng)中加裝抗腐蝕的不銹鋼換熱器或鈦板換熱器。 三、取水構(gòu)筑物 從水源地向水源熱泵機房供水，需建取水構(gòu)筑物。依據(jù)水源不同，取水構(gòu)筑物可分為地表水取水構(gòu)筑物和地下水取水構(gòu)筑物兩類。 1. 地表水取水構(gòu)筑物 按結(jié)構(gòu)形式地表水取水構(gòu)筑物可分為活動式和固定式兩種。活動式地表水取水構(gòu)筑物有浮船式和活動纜車式。較常用的是固定式地表水取水構(gòu)筑物，其種類較多，但一般都包括進水口、導水管（或水平集水管）和集水井，地表水取水構(gòu)筑物受水源流量、流速、水位影響較大，施工較復雜，要針對具體情況選擇施工方案。 2. 地下水取水構(gòu)筑物 地下水取水構(gòu)筑物有管井、大口井、結(jié)合井、輻射井和滲渠等類型，表1列出了地下水取水構(gòu)筑物的型式及適用范圍[1]。在實際工程中，應根據(jù)地下水埋深、含水層厚度、出水量大小、技術(shù)經(jīng)濟條件不同選取不同形式。 3. 管井 地下水取水構(gòu)筑物中最常見的型式是管井，一般由井孔、井壁管、濾水管、沉砂管組成。井孔用鉆機鉆成，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，用以沉積水中泥沙，延長管井使用壽命。 四、水源系統(tǒng)設計和施工中應注意的問題 1. 供水水源的可行性研究 擬采用水源熱泵系統(tǒng)時，應先調(diào)查工程場地的供水水源條件，向當?shù)厮芾聿块T咨詢或請專業(yè)隊伍進行必要的水文地質(zhì)調(diào)查或水文地球物理勘查，了解是否有適合水源熱泵利用的水源，通過可行性研究，確定利用地表水或是地下水的供水水源方案。 2. 地表水源工程設計與施工 當選用地表水源時，設計取水量要考慮水溫因素和需水量的保證率，取水構(gòu)筑物標高與洪水季節(jié)水位的關(guān)系。施工應同時考慮供水管和排水管的布置。 3. 管井工程設計和施工 擬選擇地下水源和管井取水方案時，對規(guī)模較大的工程，應根據(jù)所需水量和地下水回灌需要，結(jié)合場地環(huán)境和水文地質(zhì)條件，按一定采灌比確定抽水井和回灌井井數(shù)、合理布置井位和井間距。井深應大于變溫帶深度，以保證冬季水源水溫度＞10℃。為防止回灌井堵塞，確保水源系統(tǒng)長期穩(wěn)定供水，抽水井和回灌井應互相切換使用，因此各個井的井深和井身結(jié)構(gòu)應相近。井中濾水管和濾網(wǎng)應有一定強度，能承受抽灌往復水流的壓力變換。 4 .管井施工質(zhì)量 必須十分重視管井質(zhì)量問題。應找專業(yè)隊伍施工，做好每一工藝環(huán)節(jié)，建成 井，才能獲得較大出水量和 水。一口 井可以使用二十多年。成井質(zhì)量不好，不僅影響井的壽命，還影響到取水和回灌效果，最終影響水源熱泵正常工作和制熱或制冷效果。甲方應參與最后階段的抽水試驗工作，認定可信和準確的抽水試驗結(jié)果數(shù)據(jù)。管井竣工后，應由甲方、施工單位和行政主管部門或監(jiān)理會同到現(xiàn)場，按合同規(guī)定的水量、水溫和水質(zhì)進行工程質(zhì)量驗收。 地下水取水構(gòu)筑物的形式及適用范圍 形式 尺 寸 深 度(m) 適 用 范 圍 出 水 量 (m3/d) 1. 水處理技術(shù) 如果水源的水質(zhì)不適宜水源熱泵機組使用時，可以采取相應的技術(shù)措施進行水質(zhì)處理，使其符合機組要求。在水源系統(tǒng)中經(jīng)常采用的水處理技術(shù)有以下幾種： 除砂器與沉淀池 當水源水中含砂量較高時，可在水源水管路系統(tǒng)中加裝旋流除砂器，降低水中含砂量，避免機組和管閥遭受磨損和堵塞。國產(chǎn)旋流除砂器占地面積較小，有不同規(guī)格，可按標準處理流量選配除砂器型號和臺數(shù)。如果工程場地面積較大，也可修建沉淀池除砂。沉淀池費用比除砂器低，但占地面積大。 凈水過濾器 有些水源，渾濁度較大，用于回灌時容易造成管井濾水管和含水層堵塞，影響供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命。對渾濁度大的水源，可以安裝凈水器進行過濾。 電子水處理儀 在水源中央空調(diào)系統(tǒng)運行過程中，冷凝器中的循環(huán)水溫度較高，特別是在冬季制熱工況下，水溫常常在50℃以上，水中的鈣、鎂離子容易析出結(jié)垢，影響換熱效果。通常在冷凝器循環(huán)水管路中安裝電子水處理儀，防止管路結(jié)垢。 板式換熱器 有些水源礦化度較高，對金屬的腐蝕性較強，如直接進入機組會因腐蝕作用減少機組使用壽命。如果通過水處理的辦法減少礦化度，費用很大。通常采用加裝板式換熱器中間換熱的方式，把水源水與機組隔離開，使機組徹底避免了水源水可能產(chǎn)生的腐蝕作用。當水源水的礦化度小于350mg/L時,水源系統(tǒng)可以不加換熱器，采用直供連接。當水源水礦化度為350-500mg/L時，可以安裝不銹鋼板式換熱器。當水源水礦化度＞500mg/L時，應安裝抗腐蝕性強的鈦合金板式換熱器。也可安裝容積式換熱器，費用比板式換熱器少，但占地面積大。 除鐵設備 水源中央空調(diào)系統(tǒng)也可以用來供應生活熱水。但有時水源水中含鐵較多，雖然對制熱沒有影響，洗浴時對人體健康也不會造成損害，但溶于水中的鐵容易生成氫氧化鐵沉淀在衛(wèi)生潔具上，形成有礙視覺感官的褐色污漬。當水中含鐵量＞0.3 mg/L時，應在水系統(tǒng)中安裝除鐵處理設備。 2. 節(jié)水節(jié)電技術(shù) 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的水資源費和井泵運行費往往是工程系統(tǒng)運行費的最大開支，為合理有效利用水源，減少水源浪費和節(jié)約電費，在系統(tǒng)設計中應考慮采用節(jié)水和節(jié)電技術(shù)措施。 混水器 為節(jié)約水源水用量，可在系統(tǒng)中安裝混水設備，一般采用容積式混水器，也可采用射流式混水器。前者體積大費用低，后者體積小費用高。 變頻調(diào)速器 為節(jié)約水源水量和電量，可以安裝變頻調(diào)速器控制水源水泵，取得減少耗水量和耗電量的效果。 六、地下水人工補給（俗稱回灌） 1. 人工回灌及其目的 所謂地下水人工補給（即回灌），就是將被水源熱泵機組交換熱量后排出的水再注入地下含水層中去。這樣做可以補充地下水源，調(diào)節(jié)水位，維持儲量平衡；可以回灌儲能，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，為保護地下水資源，確保水源熱泵系統(tǒng)長期可靠地運行，水源熱泵系統(tǒng)工程中一般應采取回灌措施。 2. 回灌水的水質(zhì) 目前，尚無回灌水水質(zhì)的國家標準，各地區(qū)和各部門制定的標準不盡相同。應注意的原則是：回灌水質(zhì)要好于或等于原地下水水質(zhì)，回灌后不會引起區(qū)域性地下水水質(zhì)污染。實際上，水源水經(jīng)過熱泵機組后，只是交換了熱量，水質(zhì)幾乎沒發(fā)生變化，回灌不會引起地下水污染。 3. 回灌類型 根據(jù)工程場地的實際情況，可采用地面滲入補給，誘導補給和注入補給。 注入式回灌一般利用管井進行，常采用無壓（自流）、負壓（真空）和加壓（正壓）回灌等方法。無壓自流回灌適于含水層滲透性好，井中有回灌水位和靜止水位差。真空負壓回灌適于地下水位埋藏深（靜水位埋深在10米以下），含水層滲透性好。加壓回灌適用于地下水位高，透水性差的地層。對于抽灌兩用井，為防止井間互相干擾，應控制合理井距。 4. 回灌量 回灌量大小與水文地質(zhì)條件、成井工藝、回灌方法等因素有關(guān)，其中水文地質(zhì)條件是影響回灌量的主要因素。一般說，出水量大的井回灌量也大。在基巖裂隙含水層和巖溶含水層中回灌，在一個回灌年度內(nèi)，回灌水位和單位回灌量變化都不大;在礫卵石含水層中，單位回灌量一般為單位出水量的80%以上。在粗砂含水層中，回灌量是出水量的50-70%。細砂含水層中，單位回灌量是單位出水量的30-50%。采灌比是確定抽灌井數(shù)的主要依據(jù)。 5 回揚 為預防和處理管井堵塞主要采用回揚的方法，所謂回揚即在回灌井中開泵抽排水中堵塞物。每口回灌井回揚次數(shù)和回揚持續(xù)時間主要由含水層顆粒大小和滲透性而定。在巖溶裂隙含水層進行管井回灌，長期不回揚，回灌能力仍能維持；在松散粗大顆粒含水層進行管井回灌，回揚時間約一周1—2次；在中、細顆粒含水層里進行管井回灌，回揚間隔時間應進一縮短，每天應1—2次。在回灌過程中，掌握適當回揚次數(shù)和時間，才能獲得好的回灌效果，如果怕回揚多占時間，少回揚甚至不回揚，結(jié)果管井和含水層受堵，反而得不償失。回揚持續(xù)時間以渾水出完，見到清水為止。對細顆粒含水層來說，回揚尤為重要。實驗證實：在幾次回灌之間進行回揚與連續(xù)回灌不進行回揚相比，前者能恢復回灌水位，保證回灌井正常工作。 七、應用水源熱泵的限制條件 水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)是一種高效、節(jié)能、環(huán)保型產(chǎn)品，但并不是在任何條件下都可以應用。其制約條件是電源和水源。目前，我國電力供應較充足，容易解決。而水源則是其主要限制條件，沒有適合可靠的水源，就不能使用水源熱泵。例如有些工程規(guī)模大，制冷或制熱負荷大，所需水源水量很多，雖然工程場地有一定面積，也可以鉆井，但因水資源量不足，難以完全滿足工程負荷需要。有些工程所在場地下面雖然有地下水，但是由于該工程地處繁華市區(qū)，場地面積狹小，無處布井取水，場地環(huán)境條件限制了水源熱泵系統(tǒng)的應用。 |