1.引言
经过十余年的推广、应用和发展，热泵技术以其节能和环保的优点在中国很多地区和建筑领域得到了日益广泛的应用。热泵工程是一项系统工程，一般由热源/热汇系统、热泵机房系统和末端用户系统三部分组成。根据ASHRAE的分类方法，水源热泵可以分为土壤耦合热泵、地下水源热泵和地表水源热泵三类。其中，水源系统又包括水源、取水构筑物、输水管网和水处理设备等。目前，常用的热泵系统能量来源包括地表水源、废热水源、井水水源、土壤埋管。地表水源包括江、河、湖、海水源，废热水源包括工业废水、生活污水及中水、矿井坑道水源等，井水水源是指深度一般在400米以上的浅表层井水，土壤埋管是指水平埋管或深度一般在200米以上的垂直埋管式交换器。本文就如何从以上各种热源/热汇中有效地提取能量（以下简称采能），在以往研究的基础上作进一步探讨。
2. 地下水采能
2.1基本介绍
无论是深井水、地热水都是良好的低品位热源。因地层的隔热和蓄热作用，地下水的温度变化较小。如我国华北地区的深井水温为14℃~18℃，上海地区的水温为20℃~21℃。稳定的温度对水源热泵的运行很有利。尤其是，这部分地下水温度被提取后再回灌入地下，能够很快从地层环境中重新恢复温度，将地层中取之不竭的低位能量不断输出。因此，建立在此基础上的“深井回灌”方法得到较广泛的应用和推广。
水井采能的方式就是将浅层地下水用潜水泵自出水井中抽出，通过管道输送到主机站，经过水源热泵换热器进行取能，满足主机正常运转，然后再经过管道输送到回水井，回灌到地下。
在地下水取水构筑物中最常见的型式是管井。一般由出井孔、井壁管、滤水管、沉砂管组成，图1为水井井身结构的示意图。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，用以沉积水泥沙，延长管井使用寿命。管井施工要求如下。
⑴了解建筑物周边是否有空余场地可以用来打井，当地政府是否允许开凿水源热泵水井，有哪些规定和办理程序；
⑵通过水利部门和地质勘探部门了解地下水状况、水井工艺要求、打井成本、水质、水量、水温等详细资料；
⑶水井一般采用钻机施工，根据地层结构不同选择采用回旋钻或冲击钻，水井开孔直径一般为600毫米左右；
⑷井管常采用钢管、球墨铸铁管、高压水泥管等，直径一般在300毫米左右，井管和泥孔壁之间用滤料填实，滤料一般采用直径2毫米至20毫米不等的优质石英砂等材料，上部用粘土球填实（基岩地质结构一般只需下骨架管，无需下井管）。
⑸井口制作安装井口装置，阀门井池，安装阀门、管道等设施，装置一般固定在浇注的混凝土基础上，井池上方地面上安装一个铸铁井盖，不影响地面景观与用途。
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图1 管井井身结构示意图
⑴根据项目所在地水文地质的实际情况确定适宜的水井深度，开凿试验井，再根据试验井的单井出水量、项目设计总需水量确定出水井数量。为保证井水的循环再生利用效果，根据试验井的含水层状况，出水井要配置适当数量的回水井，辅以异层抽灌、加压回灌、真空回灌、单井回灌等措施，确保井水长期可靠地回灌。所谓回灌（地下水人工补给）是为保证水源中央空调系统长期安全运行，需要稳定的地下水源供给。为此，通常借助某种工程措施，将地面水注入地下含水层中去，这样做可以补充地下水源，调节水位，维持储量平衡；可以回灌储能，提供冷热源，如冬灌夏用，夏灌冬用；可以保持含水层水头压力，防止地面沉降。所以，为了保护地下水资源，确保水源中央空调系统长期可靠地运行，水源中央空调系统工程中，一般应采取回灌措施。
⑶严格把握水井施工质量，绝不能等同于一般灌溉井的施工。水井施工工艺必须保证出水量、回灌量达到项目设计要求，保证含砂量小于十万分之一。
⑷井水管网采用双管制，便于水井的功能替换，自动洗井等。
⑸如果当地地下水属较强酸碱腐蚀性，要增加换热装置，地下水不直接进主机和机房管线。
3.地表水采能
3.1海水采能
（1）基本介绍
该采能方式特别适合滨海城市、旅游观光点、滨海酒店、海岛边防站等项目。海水采能可以直接抽取海水，同时采用海水性水源热泵机组进行换热。
（2）技术方案
为确保热泵机组的使用寿命，保证机组的稳定正常运行，一般采用开式间接利用方式，即采用换热器将海水与热泵机组隔离开，利用循环水泵将海水通过输送管道送至换热器中，使其与热泵回水在换热器中实现能量交换，从而将海水的冷热量传递给水环系统的循环介质，再通过循环介质将冷热量在热泵的蒸发器（或冷凝器）中传递给末端空调系统，而放出冷热量的海水则通过排水管道输送回海面。这种方式具有供热制冷效率高，供水温度稳定的优点，且由于与海水直接接触的设备只有换热器，若选择耐腐蚀的板式换热器，则可以方便的进行清洗或更换。
该系统的主要设备包括海水循环泵、板式换热器、二次网循环水泵、热泵机组、电子水处理仪、补给水泵和补水箱等。同时配备一套自动控制装置，检测安装于管道上的温度传感器测出的供回水温度，转化为电信号后在控制器中与设定值进行比较，通过控制器控制一二次网循环水泵的变频器，调节水泵输入功率，达到节能的目的，同时便于运行管理。
对于利用海水作为热泵系统冷热源这一问题，人们比较关心的技术问题主要是海水对设备和管道的腐蚀和海生物附着造成的管道和设备的堵塞等问题，因此要在以下四方面采取特殊措施。
2）换热器采用钛板可拆式板式换热器，旨在防腐防生物附着。
3）海水循环泵采用专用的耐腐蚀管道泵。
4）海水取水和排水管采用UPVC管材。
3.2江河湖水采能
（1）基本介绍
1）岸边取水方式
如图2所示，可以在岸边合适位置选址打井，使水通过渗透进入井中，再下潜水泵取水；或者将水泵房建在岸边，水经过过滤格栅进入泵房内水池，再由水泵抽取；也可以从岸边向堤内建造水泥栈桥，在栈桥端部设平台架设潜水泵，伸进江河湖中合适深度取水。
因为靠近堤岸的水下地形一般都比较平缓，要想达到一定深度，往往需要将取水口设置远离岸边，这就要求有相配套的取水工程施工。如图3所示，在岸边合适位置选址，打一口井径为500-1000mm，井深为30—50米的渗透水井，如水不能通过渗透进入井中，可在井底部水平向湖底方向开挖导流洞将足够流量的水引入井中，再用潜水泵取用；或者在保证湖（江河）水深度的水面上设浮箱，内设水泵，将吸水管伸进一定深度的湖（江河）内取水；也可以将潜水泵放在合适的取水笼中，直接沉到合适深度的水底，通过高强度塑料管道贴湖（江河）底输送到岸上。
江、河、湖水取能方式需要根据项目现场的具体情况对取水方案进行精心设计。水温在30℃以下，用于夏季供冷是非常经济的，如能选取较低水温（7—12℃）的深度取水，不必开动水源热泵主机，直接进行供冷，可大量节省运行费用。我国偏南且冬季不结冰地区，如水源有一定的深度保证，冬季水温能持续保证在4℃以上，也适合于从中提取能量供暖、供热水。该采能方式的技术要点是取水工艺，要根据当地江河湖水在不同水层的水温以及在不同季节时的变化程度，取用合适深度水层的水源；取水口位置应保证水质洁净，安装过滤装置；充分考虑到枯水、丰水季节时水位的变化，考虑风浪的影响，航道的影响；工程要安装可靠，检修方便。
3.3废热水采能
生活废水指洗衣房、浴池等温度较高的可利用热源；工业废水形式多样，数量大、温度高。但两者同样存在这样的困难：如何储存足够的水量以应付热负荷的变化；如何保持换热器表面的清洁，保持良好的换热效果。为此，要建立蓄热装置，收集废水，充分的利用废热，并且换热器传热管中要设置自动清洗刷以及换热器应定期清洗。
（1）污水/中水水源采能
1）基本介绍
中水是指生活污水处理后，达到规定的水质标准，可在一定范围内重复使用的非饮用水。中水水温一般夏季在27～32℃左右，冬季在7～12℃左右（北方寒冷地区需实际了解）。这些中水一般通过直埋直径600～1000mm 的混凝土管道输送到城内河道、水景湖等处，所以在输送过程中温度受外界环境影响不大。一个中等规模的城市污水处理厂日处理生活污水可达10万吨[6]，所以，管道沿途的建筑物可以利用中水源热泵系统对该水源中的能量加以利用，实现夏季供冷、冬季供暖、生活热水全年保障的“三联供”。
如图4所示，中水的取用一般是在建筑物附近对中水管道进行开口，在管道上对接一个取水口，在取水口下游对接一个入水口，将中水引入主机站通过水源热泵利用之后再排回中水管道。
图4 中水利用示意图
2）技术要点
①中水水质洁净，可以直接进入主机进行换热，工艺简单、方便。设计时根据中水的实际温度，通过热平衡计算得到的中水需用流量，并进行阻力计算，选择合理直径的管道以及对水泵进行选型；
②因为中水管道一般为混凝土管道，取水管道一般用钢管，所以，在中水管道上开口以及实现两种材质管道的无泄漏对接是一个关键技术。一般采用相应口径的钢制承插管件，该管件与混凝土管连接时，采用石棉水泥、膨胀水泥等措施对边缝进行密封；
③污水处理厂一般每年都有一个停产检修阶段，对中水管道的施工要在这个时期抓紧进行；
④在机房内中水回水管路上，安装一台合适的增压循环泵，主要是为了补充所取用的中水在机房内管路上的压力损失，以便于回到中水主管路时能顺利汇入；
⑤污水、中水水源热泵系统必须确保稳定、连续的充足水源供应，不能因上游管道的堵塞或污水处理厂的临时停运而造成水源的间断供应，从而造成系统不能正常运行。
（2）工业废水采能
1）基本介绍
在很多工业生产过程中如化工厂的冷凝工段、钢铁厂的冷却工段、热电厂的冷却工段、焦化厂的烧制工段等都有大量的余热排出。这些余热排出的形式一般有热水和蒸气两种，如图5所示，对这部分能量的回收取用可以通过板式换热器、热管等技术，把热量换取到二次能源水[7]中，再使用水源热泵加以提取利用。
图5 工业废水采能示意图
②水温在5℃以上的各种水源均可有效利用，根据热水温度、热水成分、特点，设计合理的取能工艺技术方案。
③采用热管等科学合理的技术手段，将多种形式的生产废热回收并用水作为介质输出，达到节能降耗的目的，实现生产、供暖双功能。
④提取热能后的工业尾水水温可降至4--8℃[7]，可循环用于工业冷却，达到节约用水的目的。
（3）地热尾水取能方式
1）基本介绍
地热水是指水井深度在1000米以下、温度在40℃～90℃的温泉水。地热水常用来直接供暖，尾水排走时水温仍然在30～35℃左右。为了有效利用低温尾水，使用水源热泵技术提取利用其中的热能，根据供暖系统的需要制取出水温在45～80℃[7]的取暖用水，在原有水量条件下，供暖面积可大大增加。
2）技术要点
①根据尾水的温度、流量及可提取温差准确计算通过尾水所能提取的能量，由此，再结合建筑物的需热量，计算出可以供应的建筑物面积。
②采能工艺可参照图5工业废水采能示意图，尾水可循环利用直至最终排出的水温降至3℃。
3.4结论
水源热泵系统是一种高效、节能、环保型产品。但其制约条件是水源，没有适合可靠的水源，就不能使用水源热泵。而有了水源，如何从水源中采能，又是技术成败的关键。本文根据大量的工程实际经验，针对水源热泵系统常用的几种采能方式，指出其各自技术特点和注意事项。
（1）地下水采能的主要方式是采用管井技术，同时要采取回灌措施，合理地安排抽水井和回灌井的间距；
（2）地表水采能要根据地表水水源的不同采取不同的取水方式，海水采能要增加防腐特殊工艺；
（3）废热水的水质复杂，要进行热量二次转换，实现间接采能。
[1] Geothermal Energy[A]. In: ASHRAE Handbook 1999 HVAC Applications[M]. ASHRAE,Atlanta,GA,1999.
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[6]赵凯,刘颖超.污水能源热泵技术的开发应用[J].住宅科技,2003(5):35-47.
[7]高月芬.水源热泵系统在污水处理厂的应用[J].供热制冷,2003(4):17-19.
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