浅层地表水源热泵系统的混合应用与成井技术

皮金海，胡志，敖召耀，马莉

（湖南省瑞隆环境工程有限公司，湖南 长沙 410000）

在我国，南方地区的地表水资源丰富，存在着大量的江河湖泊。尤其是长江中下游地区的地表水，其总量在全国地表水总量中占比将近70%。而且南方地表水的水面2 m以下的水温在1天中的变化很小，是水源热泵机组比较理想的低位热源。

1 浅层地表水中央空调系统

早在2005年，围绕合理利用浅层地表水的中央空调系统，被列入本公司的节能科研创新课题，这一课题的成功开展先后获得了1项发明专利，5项实用新型专利。为了更加直观地展示这项技术，以下就以这项新技术所取得的经验进行简述。

案例分析1：湖南省某市防汛指挥大楼，建造在沅江堤岸，水源离机房200m，采用河床面下沉井工艺取水每小时满负荷250t水源，设计2台100万大卡螺杆式水源热泵机组进行整个大楼的供冷、供热，系统稳定。结果表明：该湖水源热泵的能效比及运行稳定性均优于风冷热泵与直燃机。

案例分2：2008年，武陵源青和锦江酒店采用两提2口7m深的沉井，引用索溪浴的地下河水解决4万m2酒店的冷暖空调和废热回收生活卫生热水。结果表明：对可再生资源的合理应用，直接加分酒店的白金5星级宾馆的评级。

2 地表水源热泵的形式

地表水源热泵分为闭式、开式、混合的3种形式。

2.1 闭式系统

将换热盘管放置在湖底或河的底部，通过盘管内的循环介质与水体进行热交换，冬季制热时，一般采用防冻液作为循环介质，这种系统的容量一般比较小。

2.2 开式系统

从湖底或河的底部抽水，送入板式换热器与循环介质换热；在冬季水温较高的南方地区，也可以将水处理后直接送入热泵机组，换热后在离取水点一定距离的地点排放。

2.3 开式系统与闭式系统的比较

开式系统的换热效率比闭式系统高，初期投资低，适合于容量更大的商用中央空调系统。

2.4 混合式系统

混合式水源热泵系统是利用成井取水源和湖河水源的混合使用 ，克服了地下成井水源不足的问题，用湖河水进行补充，同时又互补了冬季河水源水温低于7℃水温下，机组不足3℃温差的自动保护，使系统的运行更加稳定与节能。

案例分析：

（1）详情描述。某县市民之家的混合水源热泵系统，设计主机4台，总制冷量850万大卡，需取水量800t/h，中央机房位于主楼的地下层，与各建筑群的距离为100m左右，采用就近的澧水水源，距离机房240m，取水处在河床下深6m左右，采用混凝土浇灌沉井，可取水600t/h以上。在机房100m处，成井11口，5提6回，井深34m，单口提水井取水量为60t，井水为300t，混合水源为900t/h以上。

（2）技术分析。浅层地表水源热泵系统的混合应用上，最关键的技术是对成（沉）井环节的技术施工，对水质的物理处理。

①河水沉井解析。在河水沉井环节采用一种双层缠丝过滤器专利技术。结构详情： 一是过滤管，二是内垫筋，三是外垫筋，四是内滤丝，五是外滤丝，六是过滤孔，七是安装槽，八是内滤丝槽，九是外滤丝槽，十是挡箍。

②具体的实施方式。过滤管圆周上纵向均布有安装槽，安装槽内活动安装有内垫筋。安装槽之间的过滤管管壁上设置有过滤孔，内垫筋的外表面由上至下间隔状设置有滤丝槽。内滤丝通过滤丝槽缠绕在过滤管的圆周上，内滤丝外侧的过滤管圆周上间隔置有外垫筋。外垫筋的内表面由上至下间隔设置有内滤丝槽，外垫筋通过内滤丝槽与内滤丝相互卡接。具体的卡接方式：外垫筋的外表面由上至下间隔设置有外滤丝槽，外滤丝通过外滤丝槽缠绕在过滤管的圆周上，内垫筋和外垫筋两端过滤管上的螺纹安装分别有挡箍。内垫筋和外垫筋与挡箍接触连接，使水源在井下充分过滤，从而达到机组的水质要求。

③供水管井解析。在提水井的供水管井中，设置供水管井密封器专利技术。结构详情：一是密封盖，二是密封环板，三是密封圈，四是装配筒，五是装配环槽，六是穿管孔，七是穿线孔，八是密封层，九是管井井沿。

④具体的实施方式。采用在穿管孔和穿线孔内设置密封圈，在穿管孔和穿线孔上方分别设置密封环板的结构设计。采用此设计后，该密封器会对管井的出水管和电源线形成两次密封，从而解决了现有密封器因密封不严导致外界的水流、空气会沿着出水管和电源线隙流入到管井中，造成管井地下水铁锰氧化的缺陷，从而减少对主机蒸发器和冷凝器的污染，使系统运行更加稳定。

⑤潜水泵解析。河水和井水的潜水泵采用装有过滤装置潜水泵的专利技术。

⑥具体的实施方式。通过顶盖与导流管的过滤器，在管井过滤器出现破损时，通过安装在潜水泵体上的过滤器二次对地下水进行过滤，并且通过导流管下端口内安装的上滤片和下滤片，再次对地下水进行过滤，同时将过滤的沙砾通过排沙孔排出，从而有效防止地下水所含的沙砾对水泵的磨损。这样就能有效解决现有管井过滤器出现破损后无法修复，使流沙随地下水一起被抽上来磨损水泵，增加管井使用成本的问题。由于蒸发器出水温度低于4℃时机组会自动停机，为防止蒸发器表面结冰，当冬季河水温度低于7℃时，而井水恒温为18℃，此时将河水和井水同时进入旋流除砂器，除去水中的颗粒物，将水温升至13℃左右，确保系统的正常运行。

⑦地下水过滤净化装置解析。在综合利用浅层地表水的回水使用上，采用一种地下水过滤净化装置的专利技术。结构详情：一是导流管，二是过滤器，三是项盖，四是安装，五是法兰盘，六是连接螺栓，七是潜水泵体，八是潜水泵管，九是上滤片，十是下滤片，十一是过水孔，十二是排沙孔。

⑧具体的实施方式。包括旋流除砂器、水射曝气器、净化器、反冲洗泵、反冲洗排污管、连接管和出水反冲洗管，净化器的底部通过出水反冲洗管连接反冲洗泵。净化器的项部通过连接管连接旋流除砂器，连接管上装有水射曝气器。净化器的一侧设置反冲洗排污管，其特征在于所述的净化器由支架、净化器壳体、筛板、过滤净化层构成。净化器壳体的下部设置支架，净化器壳体内部设置筛板，筛板上面装有过滤净化层，所述的过滤净化层为石英砂滤料层或锰砂滤料层。

3 特点

（1）水源热泵属可再生能源利用技术。水源热泵是利用了地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，因此，水源热泵利用的是清洁的可再生能源。

（2）水源热泵的运行效率高、经济、环保。而良好的设计能使水源热泵机组比电采暖要节省一半以上的用电量。据有关资料介绍，通过对水源热泵冷热水机组、空气源热泵、溴化锂直燃机、水冷冷水机组加燃油锅炉4种方案进行经济比较，水源热泵冷热水机组的初期投资最小。水源热泵系统不但可以制冷、制热，还可提供生活热水，实现1套系统的多功能价值。尤其对于制热、制冷双方面需求的建筑物，水源热泵系统可以作为首选。因此，水源热泵系统不仅节能环保，还降低了设备的初期投资。

（3）水源热泵运行的稳定性高。在一年四季中，水体的温度相对于空气温度要稳定很多，特别是地下水，其温度波动的范围远小于空气温度的变动，是很好的热泵冷热源。而在冬季，则免除了对热泵机组进行除霜等工作。因此，热泵机组的运行便捷、稳定。

（4）水源热泵环保显著。水源热泵机组的运行没有任何污染，非常适宜建造在居民区内，无燃烧、无排烟、无废弃物，也无需堆放燃料以及残留物的场地，更不用进行远距离的热量输送。

（5）可利用水源的局限性。是否具备合适的水，成为使用水源热泵系统的限制条件，而且该水源必须达到相应的温度、水量和清洁度指标。

（6）水层的地质结构限制。对于从地下取水回灌的使用，必须考虑到所用的地质结构，确保可以在各方面较为合理的条件下进行打井，发掘合适的水源。另外，还应保证用水回灌得以实现。

4 结语

一般所说的是在1000m以内地球表面的浅层水源，如：地下水、地表上的江河湖海，它们能够吸收大量的太阳进入地球所辐射的能量，这些水源的温度波动往往不大。而水源热泵机组技术是通过输入少量的高位能源，比如：电能，来实现高、低位之间的温度中和。所选定的水体分别可以作为冬天热泵供暖机组的热源，以及夏天制冷机组的冷源。也就是说到了夏天，机组可以将建筑物中的热量抽取出来，释放到水体中。由于水源温度相对空气温度来得低，所以可以快速地转移热量，以达到夏天机组为建筑物室内制冷的效果。反之，到了冬天，通过水源热泵机组从水源中抽取热能，送到建筑物室内，从而达到给建筑物室内制暖的效果。另外，可以将处理的回水用于喷泉用水、绿化用水、消防用水，打造海绵城市的绿建项目。因此，浅层地表水源热泵系统的混合应用与成井技术，充分利用可再生能源技术，节能效率高，系统运行稳定，在南方地区可以广泛地推广应用。