千島湖地表水地源熱泵取排水方式應(yīng)用與思考

李炯 方吉

浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院

地表水地源熱泵利用淺層地?zé)崮苜Y源，將地表水水體作為低位冷熱源，對(duì)建筑物進(jìn)行供熱和供冷，可有效利用可再生能源，具有良好的節(jié)能與環(huán)境效益。地表水地源熱泵?。ㄅ牛┧O(shè)計(jì)不僅制約著整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的組成，運(yùn)行能耗和造價(jià)等，同時(shí)還對(duì)周圍環(huán)境和景觀造成影響。地表水地源熱泵與常規(guī)熱泵最大的區(qū)別在于地表水側(cè)，地表水主要水文地質(zhì)參數(shù)決定了地表水地源熱泵的適應(yīng)性。地表水主要水文地質(zhì)參數(shù)為水體的水容量，水體的溫度和水體的水質(zhì)[1]。

1 千島湖水文地質(zhì)參數(shù)及地表水地源熱泵的適應(yīng)性

1.1 水文氣象

新安江水庫(kù)（又名千島湖）是華東地區(qū)的一座特大型水庫(kù)，兼有發(fā)電、防洪、旅游、養(yǎng)殖、航運(yùn)、飲用水源及工農(nóng)業(yè)用水等多種功能，更是錢塘江水源涵養(yǎng)區(qū)[2]。水庫(kù)設(shè)計(jì)正常最高水位為108.0 m（壩前水位，黃海高程，下同），其相應(yīng)庫(kù)容為178.4 億m3。最低水位（歷史枯水期水面）為85.0 m，水庫(kù)正常運(yùn)行以來(lái)，水位保持在90 m 以上。水庫(kù)一般年份水位變化幅度16 m，一天最大水位變化為1.3 m[3]。千島湖水溫隨深度發(fā)生變化，多年平均水溫15.8 ℃（12.9～19.9 ℃）[4]。以7～8 月份變化最顯著，1 月份水溫變化不顯著，變化規(guī)律基本符合理想水體四季水體溫度隨深度的變化規(guī)律。水深約30 m 至湖底為滯溫層，水溫常年保持在10 ℃左右。

1.2 水質(zhì)

千島湖基本上可達(dá)無(wú)色透明（汛期除外），大部分水域可達(dá)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)及以上。某試驗(yàn)項(xiàng)目附近的實(shí)測(cè)水質(zhì)情況見(jiàn)表1[5]。

表1 某試驗(yàn)項(xiàng)目附近水質(zhì)檢測(cè)值

1.3 水文地質(zhì)

千島湖景區(qū)地形為四周高，中間低，由西向東傾斜，山水相間，湖中面積2.5 km2以上島嶼有1078 個(gè)。地貌以低山丘陵為主，低平地區(qū)海拔在110 m 左右，海拔108 m 以下為水域。自上而下為高透水性強(qiáng)風(fēng)化細(xì)砂巖，弱透水性中風(fēng)化細(xì)砂巖及不透水性微風(fēng)化細(xì)砂巖[4]。島嶼周邊湖岸陡峭，湖岸線曲折。

1.4 適應(yīng)性與挑戰(zhàn)

根據(jù)千島湖水體的水文地質(zhì)參數(shù)特點(diǎn)，千島湖作為地表水地源熱泵系統(tǒng)的低位冷熱源是可行的、值得提倡的。因水體中含沙量和Cl-含量超標(biāo)，需經(jīng)過(guò)處理后使用。地表水地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案前，建議對(duì)項(xiàng)目周圍水域做水文地質(zhì)參數(shù)相關(guān)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

千島湖景區(qū)是長(zhǎng)江三角洲地區(qū)著名的風(fēng)景名勝區(qū)（國(guó)家5A 級(jí)），同時(shí)是長(zhǎng)三角的戰(zhàn)略水源地，其飲用水功能變得越來(lái)越突出。根據(jù)對(duì)于千島湖景區(qū)戰(zhàn)略定位，對(duì)于景區(qū)內(nèi)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)提出了更高的要求。既要充分挖掘開(kāi)發(fā)潛力，又要保護(hù)好綠水青山，開(kāi)發(fā)與保護(hù)兩手抓。

2 千島湖地區(qū)工程案例

2.1 工程概況

千島湖伯瑞特度假酒店（5 星級(jí)）位于千島湖景區(qū)港口路，酒店用地為一個(gè)天然半島，分為多個(gè)建筑組團(tuán)，其中相對(duì)位置比較集中的A 區(qū)（會(huì)議餐飲樓）、B區(qū)（桑拿健身樓）和C 區(qū)（客房樓）冷熱源采用地表水地源熱泵機(jī)組。A 區(qū)（會(huì)議餐飲樓）、B 區(qū)（桑拿健身樓）和C 區(qū)（客房樓）總建筑面積約25663 m2，空調(diào)冷負(fù)荷2667 kW，空調(diào)熱負(fù)荷1797 kW，衛(wèi)生熱水負(fù)荷800 kW。

2.2 冷熱源系統(tǒng)及多種工況運(yùn)行模式

本案共設(shè)置水源熱泵機(jī)組4 組，其中兩臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)型水源熱泵機(jī)組額定制冷（熱）量為987（1076）kW，兩臺(tái)雙冷凝器高溫全熱回收水源熱泵機(jī)組額定制冷（熱）量為538（514）kW。整個(gè)系統(tǒng)主要分3 部分組成：?。ɑ兀┧到y(tǒng)，水源熱泵機(jī)組（板式換熱器）和空調(diào)（衛(wèi)生熱水）用戶端。根據(jù)業(yè)主方需求和本案周邊水域水文地質(zhì)條件，該項(xiàng)目在常規(guī)地表水地源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)湖水直供運(yùn)行工況。冷熱源系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 冷熱源系統(tǒng)原理圖

本案冷熱源系統(tǒng)共有四種運(yùn)行工況：夏季制冷，冬季供暖，過(guò)渡季節(jié)和湖水直供，不同運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)換通過(guò)閥門的啟閉進(jìn)行設(shè)置。水源熱泵機(jī)組開(kāi)啟臺(tái)數(shù)根據(jù)負(fù)荷大小變化調(diào)整，運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)先把開(kāi)啟的閥門關(guān)閉再打開(kāi)應(yīng)開(kāi)啟的閥門。夏季制冷和冬季供暖兩種工況為常規(guī)地表水地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行工況，此處不再贅述。

本案地處夏熱冬冷地區(qū)，根據(jù)酒店運(yùn)行要求，酒店房間在使用的情況下，酒店房間內(nèi)空調(diào)均需達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。在每年的春、秋過(guò)渡季（狹義），空調(diào)冷負(fù)荷較小，為滿足衛(wèi)生熱水需求，需開(kāi)啟雙冷凝器高溫全熱回收水源熱泵機(jī)組（簡(jiǎn)稱1，下同）和標(biāo)準(zhǔn)型水源熱泵機(jī)組（簡(jiǎn)稱2，下同）各1 臺(tái)，1 用于制衛(wèi)生熱水，2 用于空調(diào)制冷。當(dāng)?。ɑ兀┧到y(tǒng)滿足湖水直供條件，且湖水直供工況可以滿足空調(diào)用戶端要求，優(yōu)先采用湖水直供工況。

2.3 取排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)千島湖水文地質(zhì)條件，水體的水質(zhì)較好，系統(tǒng)采用直接取水方式，地表水直接進(jìn)入主機(jī)。距湖底3～5 m 處設(shè)潛艇懸浮式取水口裝置，在85 m（黃海高程，下同）附近設(shè)潛水式取水裝置（專業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)內(nèi)置進(jìn)口不銹鋼深井泵），在108 m 附近設(shè)設(shè)備維保檢修井，在118 m 處設(shè)變頻調(diào)速電動(dòng)牽引機(jī)（用于取水裝置維保檢修作業(yè)）。取水系統(tǒng)共設(shè)置5 路取水分系統(tǒng)（多路多泵），4 用1 備，每路取水量95 m3/h。夏季取水口設(shè)計(jì)水溫為10.5～11.5 ℃，冬季取水口設(shè)計(jì)水溫為10～11 ℃（酷寒8～10 ℃）。取水系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。

圖2 取水系統(tǒng)原理圖

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行，保證空調(diào)水質(zhì)，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，取水系統(tǒng)設(shè)置湖水凈化系統(tǒng)。湖水凈化系統(tǒng)由三部分組成：

1）取水口的初效過(guò)濾：取水口設(shè)置二級(jí)過(guò)濾裝置，第一級(jí)進(jìn)水口采用φ5mm-304 不銹鋼多孔板過(guò)濾芯，第二級(jí)初級(jí)過(guò)濾為φ3mm-304 不銹鋼多孔板過(guò)濾芯，裝置每年只需由反沖洗系統(tǒng)進(jìn)行清理一次，五年打撈維保一次，打撈作業(yè)輕松簡(jiǎn)便。

2）旋流去砂：湖水進(jìn)入主機(jī)或板式換熱器前設(shè)旋流除砂器，將砂粒從湖水中分離出來(lái)。

3）中效過(guò)濾裝置：將經(jīng)過(guò)初效過(guò)濾和去砂的湖水進(jìn)一步過(guò)濾和去砂，第一級(jí)為20 目不銹鋼多孔板過(guò)濾器，第二級(jí)為30 目不銹鋼多孔板過(guò)濾器，第三級(jí)為40目不銹鋼多孔板過(guò)濾器，裝置每年維保兩次（制冷、制熱工況運(yùn)行開(kāi)機(jī)前各一次）。

本項(xiàng)目為旅游景區(qū)度假酒店，旅游淡季和旺季明顯，空調(diào)用戶使用情況變化較大。取水系統(tǒng)設(shè)置為變頻變流量自動(dòng)取水供水系統(tǒng)，可自動(dòng)采集系統(tǒng)用戶（或滿足主機(jī)運(yùn)行最少需要條件）的溫度、水流、壓力、流量的參數(shù)信號(hào)，自動(dòng)變頻改變水泵開(kāi)啟數(shù)量和水泵的出量，達(dá)到按需輸出。智能化變頻技術(shù)，在其自動(dòng)調(diào)整的過(guò)程中，按氣候季節(jié)變化和氣溫變化及用戶使用量變化而變化，水泵電機(jī)節(jié)電率達(dá)25%～70%。變頻設(shè)備具有“軟啟動(dòng)”功能（（即水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 慢慢地加快），減少電機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)設(shè)備的沖激損壞，從而使水泵葉片、單向閥、管路系統(tǒng)承受的應(yīng)力大為減小，減輕軸承的磨損，延長(zhǎng)設(shè)備的工作壽命。

千島湖旅游度假區(qū)管委會(huì)在項(xiàng)目啟動(dòng)前期委托我院進(jìn)行了場(chǎng)地規(guī)劃條件研究。在規(guī)劃條件研究中，提出了兩個(gè)重要原則：原則一是保護(hù)半島北面和西面的旅游航線，保證航線段視線的靜謐不受干擾。原則二是對(duì)半島生態(tài)景觀和自然地形的保護(hù)。根據(jù)主管部門要求和規(guī)劃條件，建筑專業(yè)對(duì)整個(gè)島嶼地塊做了整體科學(xué)布置，本案總平面布置圖如圖3 所示。

圖3 本案總平面布置圖

結(jié)合項(xiàng)目湖岸陡峭，湖岸線曲折的現(xiàn)狀特點(diǎn)，取水點(diǎn)設(shè)置在喇叭口處，排水點(diǎn)就近排至湖水水體上部，?。ㄅ牛┧c(diǎn)位置示意圖如圖4 所示。取（排）水系統(tǒng)裝置均不露出湖面和島嶼自然景觀，對(duì)項(xiàng)目周邊生態(tài)環(huán)境和景觀不造成影響。取水口和排水口在水平距離約220 m，豎向距離約30 m，排水口不會(huì)對(duì)取水口造成影響。取水裝置和系統(tǒng)維保檢修平臺(tái)位于C 區(qū)（客房樓）附近，冷凍機(jī)房位于C 區(qū)（客房樓）最底層。

圖4 ?。ㄅ牛┧c(diǎn)位置示意圖

2.4 運(yùn)行效果

該項(xiàng)目2017 年4 月酒店正式開(kāi)業(yè)，運(yùn)行至今3 年多，項(xiàng)目整體運(yùn)行安全可靠，可滿足客戶需求，受到業(yè)主高度肯定。經(jīng)酒店運(yùn)營(yíng)工程部反饋，相關(guān)運(yùn)行情況主要有如下三點(diǎn)。

1）每年空調(diào)運(yùn)行周期為：每年2～5 月份空調(diào)停止使用，5～11 月份空調(diào)制冷，11～次年2 月份空調(diào)制熱?？照{(diào)停運(yùn)期間，根據(jù)客戶需求，可開(kāi)啟房間內(nèi)空調(diào)末端來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣的循環(huán)，同時(shí)向房間送新風(fēng)，即可滿足客戶舒適性需求。

2）2018～2020 年房間制冷期間，一直運(yùn)行湖水直供工況。冷負(fù)荷大且每天使用率不高的空調(diào)房間（比如A 樓大型宴會(huì)廳），當(dāng)這些房間需要使用時(shí)，空調(diào)冷負(fù)荷會(huì)“突增”，會(huì)存在湖水直供工況不滿足需求而需要開(kāi)啟夏季制冷工況（冷凍機(jī)組開(kāi)啟）的可能。為解決該問(wèn)題，需將以上房間的空調(diào)在房間投入使用之前提前4 小時(shí)打開(kāi)運(yùn)行，即可滿足客戶需求。

3）在滿足衛(wèi)生熱水需求的前提下，冬季供暖可滿足客戶需求。

3 結(jié)論

該項(xiàng)目2012 年3 月首次施工圖完成，2014 年9月機(jī)電深化設(shè)計(jì)完成，設(shè)計(jì)師全程參與，針對(duì)具體問(wèn)題做到持續(xù)優(yōu)化，對(duì)設(shè)計(jì)效果的保證起到有力的技術(shù)支撐。

該項(xiàng)目取排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有示范作用，運(yùn)行可靠、維保方便，不僅可充分發(fā)揮地表水水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能潛力，而且可以做到對(duì)項(xiàng)目周邊生態(tài)環(huán)境和景觀不造成影響，具有可推廣性。

湖水直供工況是地表水水源熱泵系統(tǒng)最理想的運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)免費(fèi)供冷，湖水直供運(yùn)行工況與夏季制冷工況相比可節(jié)約耗電80%以上，大幅降低運(yùn)行費(fèi)用。同時(shí)還減少系統(tǒng)向水體的排熱量，進(jìn)一步降低對(duì)水體生態(tài)的影響。

綜上所述，取排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是地表水水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的前提。在有較大天然湖泊的條件下，可充分利用天然冷源，值得推廣和深入研究。