摘要 水源热泵技术是浅层地能（热）开发领域的一次重要的创新，在节能环保方面具有突出的综合优势，对供冷暖能源结构调整和补充具有重要意义，该技术应用于水利泵站工程中有更好的发展优势。雨污水的循环利用，起到节约资金，减少污染，在一定程度上减少对自来水的使用，缓解北京市的水资源危机。随着能源和水资源的日趋紧张，水源热泵技术和雨污水利用技术的应用会更加引起政府和用户的关注。
关键词 水源热泵 雨污水利用 水资源
中图分类号TV213.9 文献标志码B 文章编号1673-4637（2011）03-0042-04
1 工程概况
岗山泵站，工程位于北京市顺义区李桥镇，李天路与机场东路的交汇处，北面以小中河为界，西侧为机场东路，南侧距李天路约300 m，是向华能北京热电厂和一热电厂提供锅炉和热网补充用水的专项供水工程。厂区总占地2.7 万m2，总建筑面积4 760.94 m2，其中生产用房建筑面积1 473.90 m2，办公及附属用房建筑面积3 287.04 m2。整个工程采用水源热泵系统，对厂区内建筑集中冬季供暖、夏季供冷、日常提供生活热水，该技术是首次在水利泵站工程上应用。结合工程的特点，本工程还采用了雨洪利用技术和污水生态处理技术，达到了雨污水循环利用的目的，以点带面，使污水处理化整为零，就地解决，减轻城市污水处理的压力，节省了水资源，成为水利工程建设的典范。
2 水源热泵技术在工程上的应用
2.1 水源热泵系统的工作原理及系统组成
水源热泵系统的工作原理是采集自然界中可再生的低品位能量—浅层地能（水），利用热泵技术将低品位能量提升为高品位能量，再适度地释放到使用环境中。浅层地能（热）（Geothermal Energy）是地表浅层（土壤、地下水或河流、湖泊）吸收太阳能、地热能而蕴藏的低品位热能。地下30 m至数百米深的地壳受到太阳和地核双重影响，形成了一个温度在13 ℃～23 ℃之间的相对恒温层。深度的土壤温度基本不受四季变化的影响，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，正是利用这一温度差来实现能量的转换，达到需求的目的。浅层地能（热）具有可再生、储量巨大、分布广泛、温度恒定、易于采集等特点。
水源热泵系统主要由3 个独立循环系统组成：能量采集系统、能量提升系统和能量释放系统。能量采集系统是水源热泵系统的重要组成部分，它是能量提升系统能否安全、稳定、可靠、经济运行的根本保证。主要包括潜水泵、换热器等设备；能量提升系统的主要设备是地能热泵、换热器、循环泵、分水器、集水器等地能热泵机组，是水源热泵系统的核心部分，所有冷热源能量的收集和交换都将在本系统内完成；能量释放系统是将收集到的冷热源能量供给所需要场所的末端系统，本系统采用暖通空调行业的成熟技术和设备，包括风机盘管、空调机组、暖气片、地板辐射采暖装置、生活热水供应成套设备等。夏季制冷、冬季采暖工况示意见图1 和图2。
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图1 夏季制冷工况示意图
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图2 冬季采暖工况示意图
2.2 水源热泵系统的类型
水源热泵系统按照低位能量采集的方式不同，又可分为3 种类型：单井抽灌式、双井抽灌式和地表水蓄能式。
地表水蓄能式是靠采集江河湖海等地表水中的低品位能量，来实现该技术能量的转换。本工程是一个输水工程，有充足的地表水源，水源热泵系统低位能量采集的水源是输水管道中的水，由于是地下管道输水，其水温基本等同于地下水温，满足本系统能量采集的要求，节省地下热源井的投资。
2.3 水源热泵系统设计
2.3.1冷热负荷确定
根据国家相关规范标准，通过计算，厂区建筑冬季采暖热负荷405.5 kW，建筑夏季供冷负荷为406.3 kW。考虑其日常提供生活热水，生活热水主要供应至宿舍楼内卫生间，按水温48℃选取指标，估算生活热水供应量为6 m3/h，生活热水负荷为244.2 kW，又考虑到生活热水定期集中使用，可采用储水方式。生活热水日常负荷按20%计算，为48.4 kW。综上可得建筑总热负荷为453.9 kW。各建筑热冷负荷见表1 和表2。
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表1 建筑热负荷计算表
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表2 建筑冷负荷计算表
2.3.2水源热泵系统
能量提升系统：依据冷热负荷及环境系统技术参数，选用1 台HT380A 和1 台HT100A 能量提升器机组。单台HT380A 标准工况时的制热量为348 kW，制冷量为325 kW，制热输入电功率为92 kW，制冷输入电功率为58.5 kW。单台HT100A 标准工况时的制热量为106.2 kW，制冷量为90.3 kW，制热输入电功率为27.5 kW，制冷输入电功率为16.6 kW。系统总制热量为454.2 kW，总制冷量为415.3 kW，满足建筑冷热负荷需求。
能量采集系统：根据本工程特点，采用泵站调节池中的输水水源（水质纯净、水温保持在14℃～18℃）作为低位能量采集系统，节省打地下井的投资，在调节池内设潜水排污泵1 台（水量为70 m3/h，扬程为22m），机房内设板式换热器1 台，潜水泵至冷热源机房长度约为20 m，管道采用直埋敷设，管道直径为DN100 mm。
末端系统：即为能量释放系统，根据每栋建筑的功能不同，冷热源末端采用了风机盘管和暖气片形式相结合的空调系统，满足各个房间的冷热源的需求。
系统水处理及系统定压补水：水处理采用全自动软水器向软水箱内补充软化水，用补水泵和定压罐闭式定压补水并容纳膨胀水的方案，二次系统和末端系统共设1 套定压补水设备。
2.3.3机房位置及面积
根据工程的特点，热泵机房设置在主厂房检修平台下部的地下空间内，充分利用了空间，节省了机房土建的投资，机房总面积约70 m2。
2.3.4系统减震措施设计
为防止设备震动噪声，热泵和水泵下部设10 mm厚的柔性减振垫，并在机组混凝土基础上加减震器，水管出入口、水泵进出口设橡胶软接头。
2.3.5自控系统与配置
安装单独的配电控制柜，用于对整个系统提供动力用电和运行控制。系统的主要循环设备，包括潜水泵、二次循环泵、末端循环泵，为手动控制，补水泵为电接点压力表控制自动运行。系统运行有手动/自动2 种状态。系统在自动状态下，开启总电源后，冷热源控制系统将根据负荷情况能够自动在多种工况之间调节，保证整个系统处于效率最佳的运行状态。
2.4 工程投资及运行
工程总投资115 万元，建筑投资约240 元/m2，本系统初始投资比同样满足供暖、冷和生活热水条件的其他系统组合（电锅炉＋空调系统、燃气＋空调系统、燃油＋空调系统）所需投资低20 %～30 %。水源热泵消耗1 kW 的能量，用户可以得到4 kW 以上的热量或冷量。而锅炉供热只能将90%以上的电能或70%～90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，水源热泵要比电锅炉加热节省1 / 2 以上的电能，比燃料锅炉节省2 / 5以上的能量。利用该技术替代燃煤和燃油，既节能又环保，是建设节能型社会的需要，运行费用远低于中央空调系统。本工程建成并投入使用，总体运行情况良好，没有出现水源及系统故障问题，业主较为满意。
2.5 水源热泵系统在水利泵站工程上的应用优势
泵站作为水利工程中的输水工程，有充分的水体资源，因此，在泵站厂区内采用水源热泵系统来实现泵站建筑冬季取暖，夏季空调制冷有较好的水源优势，将充分利用泵站内输送的地表水体实现水源热泵系统中的能量采集，不受水文地质条件的限制，同时节省工程投资。一般泵站前都有容量较大前池来调节水量，满足输水泵启动的要求，利用这一水源对水源热泵系统工作有充分的保障，对输水水体也无影响，而且本泵站工程是采用地下管道输水，对于水的温度一年四季都基本恒温，等同于地下水源，满足水源热泵系统的需要。这样的设计既达到一种经济效益，也节省能源，减少了环境污染，该技术应用于水利工程中与其他建筑工程相比有更好的发展优势。
3 雨污水利用技术在工程上的应用
3.1 厂区雨洪利用
在本工程中应用了雨洪利用设计，按2 a一遇降雨零排放的标准，采用了透水路面系统、生态卵石散水、渗滤沟、下凹式绿地、可调试退水口的设计。道路均采用透水砖面层和无砂混凝土垫层，既达到了透水的目的，又满足了路面行车的强度要求；厂区绿地采用下凹式绿地的形式，低于周边道路100 mm，达到蓄水的目的，减少对绿地的灌溉；建筑周围的散水采用生态卵石材料，散水外侧用透水缘石挡边，使之与周边的绿地和渗滤沟连通；沿厂区主要道路及主要绿地下面铺设雨洪利用渗滤沟，最大限度地通过透水砖及下垫面的过滤氧化作用达到截流、净化雨水的作用，渗滤沟的末端通向厂区北面的景观湖，在渗滤沟和景观湖接口处设可调试退水口，根据收集雨水的情况来控制水流，最终渗透的雨水除了补充地下水外，流入景观湖，作为景观用水和绿化用水。并在周边布设雨量计、水质观测点，进行降雨量观测、下渗量观测、收集量观测、水质水位观测等，形成一套完整的雨洪利用系统。雨洪利用工艺流程见图3。
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图3 雨洪利用工艺流程图
3.2 厂区生活污水处理及利用
泵站厂区生活污水的生态处理，采用生物处理技术和高效潜流式湿地水质净化技术相结合的方式。生活污水由化粪池流入沉淀集水，经泵打入生物处理罐，经过一级处理后流入景观湖前面的湿地进行二级处理，最后流入景观湖，作为景观用水和绿地灌溉用水。考虑其地面景观的效果，整套污水处理设备埋入地下，经过一级处理后的污水已无臭味，为了保证水质再进行湿地净化，在厂区内形成一个湿地景观，便于生物、动物的栖息。根据现状地势情况，湿地地面高程高于景观湖水面约2 m，处理后的清水流入景观湖时又形成一个瀑布景观，丰富了厂区内的园林景观效果。出水质达到《城市污水再生利用景观环境用水水质》（GB/T 18921—2002）观赏性景观环境用水标准。生活污水处理及利用工艺流程图4。
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图4 生活污水处理及利用工艺流程
3.3 厂区雨污水利用的环境效益
雨洪利用工程与园林绿化工程相结合，构造雨洪绿化景观，为厂区创建一个优美的环境；采用雨洪利用技术后，减少地面积水与外排径流，方便行人，减少污染物随雨水到处蔓延，同时减少对自来水的使用，以逐步缓解北京的防洪和水资源短缺的矛盾，带动企业厂区生态建设的意识，使区域环境得到改善。
生活污水就地处理利用减轻了对市政污水管网的压力和污水处理厂的负担，减少了周围环境的污染源，节省了对市政建设的投资。同时达到了水资源循环利用的目的，以点带面，使污水处理化整为零，就地解决，节约资源，促进生态环境效益、经济效益和社会效益的协调统一，实现本区域内的水资源可持续利用。
3.4 厂区雨污水利用经济分析
通过厂区内的雨洪利用, 实现2 a一遇降雨零排放，年综合利用雨水1.26 万m3。在一定程度上，可减少市政管线的投资。通过雨水置换自来水，减少自来水费用。依据最新发布的《关于加强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定》及北京市人民政府1994 年9 月26 日第〔1994〕21 号政府令发布的《北京市征收防洪工程建设维护管理费暂行规定》，采取雨洪利用措施，可申请减免部分防洪费，并且节约水资源。厂区雨洪利用经济分析见表3。
表3 雨洪利用经济分析
生活污水就地处理利用，实现了生活污水零排放，全部收集利用，年综合利用污水7 300 m3，达到了水资源循环利用的目的，对水资源的成本节约十分可观。厂区污水利用经济分析见表4。
表4 生活污水生态净化及利用经济分析
4 结论
水源热泵技术利用了空调制冷机的原理，以水为介质，源源不断地将地下浅层地能吸收起来，变成可利用的高品位能量，替代燃煤，实现节能、降耗、增效、环保的目标。该技术利用了绿色的可再生能源，降低了投资和运行成本，有利于国家、有利于环境、有利于投资者和使用者，是建设节能型社会的需要。该技术是浅层地能（热）开发领域的一次重要的创新，在节能、环保方面具有突出的综合优势，对供暖能源结构调整和补充具有重要意义，开辟了利用可再生能源的新时代，是21 世纪取代传统供暖、冷方式的有力竞争者，在我国将拥有极其广阔的应用前景。
雨污水的循环利用，起到节约资金，减少污染，在一定程度上减少对自来水的使用，缓解北京市的水资源危机。通过在本项目上的成功应用可在类似地区进行示范推广。
参考文献
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作者简介：赵生成（1978—），男，工程师。
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