閩江水水源熱泵系統取水設計

齊 欣

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

水源熱泵作為一種可再生能源利用技術，具有高效、節能、環保等特點，近年來得到了較為廣泛的應用。水源熱泵，主要有地表水水源熱泵、地下水水源熱泵、污水水源熱泵等幾種型式，其中地表水源熱泵一般使用江、河、湖、海的地表水資源作為熱泵機組的冷熱源。

福州地處南方，屬于典型的夏熱冬暖地區，河流蜿蜒密布，地表水資源十分豐富，可充分利用作為地表水水源熱泵機組的冷熱源。其中，閩江作為福州地區主要干流，具有水量大、水質較好等特點，適用周邊用戶采用水源熱泵作為熱源[1]。

本文以閩江邊某江水源熱泵項目為例，通過不同方案比選確定取水系統方案，并對取水系統中各工藝設計進行簡要分析，為今后的設計提供一些借鑒。

1 工程概況

1.1 建筑規模與性質

該工程位于福州市倉山區南江濱路，閩江南岸，緊鄰鼓山大橋，總建筑面積336 576m2，建筑用地面積75 300m2。整個辦公區由8棟辦公樓(3組建筑群組成，分別為中央主建筑群、東側建筑群和西側建筑群組成)和1棟附屬樓組成，呈矩形布局。主樓地下2層，地下二層為停車場(戰時為人防工程)，地下一層為停車場，設備用房(含3個冷庫機房、配電房等)，地上12～19層。具體項目總平面圖如圖1所示。

圖1 項目所在位置圖

1.2 空調冷熱源

根據空調負荷計算結果，總冷量為7500RT,熱負荷為2500RT，冷凍機房的機組配置采用二大二小的方式來布置，即兩臺1250RT的熱泵機組和兩臺2500RT的單冷機組，冷凍機房集中設置在暖通冷凍機房內。

根據空調系統的要求，江水源熱泵系統的冷卻水量為4400m3/h，且考慮與冷凍機組的配比關系，取水泵組采用7臺同規格水泵(六用一備)。

1.3 取水水源

閩江是福建省第一大河，自西北向東南流經福州，境內長150km，流域面積8000km2[2],年平均徑流量629億m3[3]。

閩江水溫變動在6～33℃，常年平均水溫為19～23℃，略高于福州年平均氣溫19.6℃；春季為10～24℃、夏季20～30℃、秋季13～29℃、冬季6～16℃。福州河流水溫在春、夏季升溫階段，水溫低于氣溫；秋、冬降溫階段，水溫高于當地氣溫。

根據工程所在位置處，閩江水相關的水質檢測數據與水源熱泵機組水質要求比較(表1)，閩江江水水質良好，除濁度和含砂量不能滿足水源熱泵機組要求外，其他離子濃度均低于水源熱泵機組水質要求。

因此，當采用閩江水作為水源熱泵冷熱源時，僅需對濁度和含砂量進行處理，處理效果需滿足水源熱泵機組水質要求。

表1 閩江水水質與水源熱泵機組水質允許值表

2 取水方案選擇

該工程位于閩江南岸，閩江江面為主航道，周邊沿防洪堤修建景觀江濱公園。結合現狀地質、周邊環境情況，選擇合適的取水方式[4]。根據勘察報告，閩江河床地質多為淤泥層和砂層，該工程不適合采用滲濾取水方式?？紤]周邊環境需修建景觀公園及航道的影響，該工程也不適合采用浮船式取水方式，因此，結合該工程的實際情況，最終確定采取直接取水方式。但由于閩江水水質不能時刻保證該工程的水質要求，需對閩江江水進行水處理。根據閩江水相關水質報告以及水源熱泵機組要求，結合取水方式最終確定兩種備選方案進行比較。

2.1 方案一

以閩江江水為水源，設置取水頭部取水，江水通過自流管引入設置在河岸邊的潛水泵取水泵房，再逐步經過自清洗過濾器和疊片式過濾器的過濾處理，經過濾處理后的江水供熱泵系統使用。該方案工藝流程如圖2所示。

圖2 方案一工藝流程圖

方案一取水頭部設置粗格柵，用于攔截河道中大的漂浮物，防止取水口堵塞；取水泵房采用淹沒式泵房，不影響周邊景觀，將潛水泵直接放入泵房內抽水，泵房內設置細格柵，用于攔截取水頭部未攔截到的漂浮物以及魚蝦等；自清洗過濾器和疊片式過濾器等水處理設備設置于項目建筑的水處理間內，進一步對江水進行過濾處理，以達到水源熱泵機組水質要求。

2.2 方案二

以閩江江水為水源，設置取水頭部取水，江水通過自流管引入設置于河岸邊的干式取水泵房，再經過絮凝-沉淀的常規水處理方式對江水進行處理，經處理后的江水經二次泵輸送至熱泵系統。該方案工藝流程如圖3所示。

圖3 方案二工藝流程圖

方案二取水頭部設置同方案一；岸邊設置地下式方形取水泵房，采用吸水井和泵房間合建的方式，泵房采用干式泵房，布置離心泵組抽水，泵房間上部設置檢修間及配電間。絮凝沉淀池布置與項目地塊內，并配套相應水處理構筑物。

2.3 方案比較

表2 方案技術經濟比較

由表2可知，方案一較方案二施工難度小，施工周期短，對周邊污染較小，維護管理工作少，占地面積小，但對于出現極端水質情況時，需要進行應急處理；方案二適用更多種的水質情況，干式泵房使用時安全性更高，維護管理方便，但施工難度大，施工周期長，占地面積大。

考慮閩江江濱是寸土寸金地段，盡量減少占地面積，同時滿足熱泵機組用水要求下，經兩個方案的綜合比較分析，該項目推薦采用方案一。

3 取水系統設計

3.1 取水頭部及取水管設計

取水頭部由鋼制垂直向下式喇叭管、攔污柵和管道支架組成，如圖4所示。攔污柵采用Φ12鋼筋焊接成50×50的鋼制格網，設置于取水喇叭管的四周及頂部，便于攔截水中大顆粒雜質。

取水頭部位設于閩江南岸，距離取水泵房165m處。根據相關水位資料確定，其所處閩江水平均水位為2.0m～6.0m，97%保證率時枯水位為-0.40m，平均低潮水位為1.40m，平均高潮水位為7.40m，百年一遇洪水位為7.40m，確定取水頭部標高為-1.46m。

該江水源熱泵系統所需冷卻水量為4400m3/h，經計算，采用兩根DN900自流管時，單根自流管流速為0.9m/s；當一根管事故時，另一根管可承擔全部的取水量，流速為1.92m/s。為減少對周邊景觀的影響，依據該工程地質勘察報告，取水管線位置大多處于淤泥層，考慮利用取水泵房作為工作井的方式，取水自流管采用頂管施工，管材選用鋼管。

3.2 取水泵房

取水泵房設置在閩江南岸的灘涂上，為了減少對江濱公園的影響，采用淹沒式泵房設計，集水間與泵房合建，以節省占地。泵站最大取水規模為 4400m3/h，根據水源熱泵系統的要求，泵房配置7臺潛水泵，六用一備，單臺水泵流量為734m3/h，均為變頻。

(1)泵房的平面布置

取水泵房采用矩形形式，主要布置7臺潛水泵以及利用泵房內設置的格網對江水進行過濾。

泵房利用十字墻體將其分隔成四格水池，取水自流管將江水引入前池，通過設置于前池和吸水池連通口兩側的格網進行過濾后，由設置于吸水池的潛水泵將江水送入水處理間。

取水泵房設計長度為13.2m，寬度為9.8m。分為四格的泵房，單格前池長度為6.2m，寬度為3m；單格吸水池長度為6.2m，寬度6.2m。兩根取水管分別接入兩格前池，前池之間通過墻體上1m×1m的孔洞連通;前池與吸水池之間通過墻體上1.5m×1.5m的孔洞連通,該孔洞兩側分別設置1.7m×1.7m的格網，用于過濾江水中的細小物質。7臺潛水泵分3臺和4臺平行、均勻地分別布置于兩格吸水池內。取水泵房平面布置如圖5所示。

圖5 取水泵房平面圖

(2)泵房的高程布置

閩江枯水位為-0.40m，取水管管底標高-2.10m，考慮取水泵房需作為取水自流管頂管施工時工作井，取水泵房底標高為-4.10m。閩江百年一遇洪水位為7.40m，平均高潮水位為6.00m，為減少泵房構筑物對周邊景觀的影響，采用淹沒式泵房，結合周邊景觀高度，確定泵房頂標高為6.60m。

取水泵房較大，深度較深，根據勘察報告地質情況，采用沉井施工，結構穩定性好，挖土量少，對周邊的影響小。

3.3 水處理間設計

水處理間設置于主樓地下一層，為保證取水泵房提升的江水滿足熱泵機組水質要求，設計采用江水先經自清洗過濾器處理再經過疊片式過濾器過濾的方式，以保證出水水質達到要求。

水處理系統采用兩組自清洗過濾器并聯運行，單組自清洗過濾器過濾水量為3185m3/h，過濾精度采用150μm，對于顆粒粒徑≥150μm，其去除率達到99%。

自清洗過濾器出水后經過10組并聯運行的疊片式過濾器過濾，疊片式過濾器精度采用130μm，對于顆粒粒徑≥130μm，其去除率達到90%以上。疊片式過濾器采用外源反洗模式，反沖洗用水采用由熱泵機組熱交換后江水，沖洗后廢水就近排入建筑雨水系統。

3.4 沖洗系統

該工程沖洗系統，主要包括取水管沖洗和泵房清淤。

由于熱泵機組有時出現停運或取水量較少的情況，取水自流管流速降低，泥沙淤積于管底，造成管道堵塞等問題，需設置取水管沖洗管，所以，該工程采用自泵房出水管處接沖洗管至取水管。當取水管需清洗時，關閉需清洗取水管對應的閥門，同時開啟沖洗管閥門及 7臺水泵對取水管進行沖。取水管沖洗應單根沖洗，沖洗頻率可根據系統運行情況調整。

由于淹沒式取水泵房泥沙易淤積，長期未清淤易造成泥沙板結等問題，因此，設置一套泵房清淤系統，便于日后維護管理。

泵房清淤系統，是利用取水泵將江水加壓輸送至鋪設于泵房底部的沖洗管對泵房進行沖洗；沖洗后的水，由安裝于泵房集水坑內潛水排污泵排至退水管處。沖洗管采用HDPE塑料給水管，沖洗管上開設φ15孔洞，沖洗管開孔如圖6所示。泵房應分格清淤，于江水源熱泵系統使用量少的工況下進行，清淤頻率可根據系統運行情況調整。

圖6 沖洗管開孔示意圖

4 結論

該工程現已投入使用，此江水源熱泵系統已歷經一段時間的運行，目前運行正常并達到了預期效果，滿足水源熱泵機組的運行要求且運行狀態良好?？偨Y設計思路及運行狀況，結論如下：

(1)一般采用閩江江水作為水源熱泵系統水源的項目工程多位于閩江邊，江邊用地稀缺，傳統的水處理工藝出水水質雖好但占地面積較大，對項目用地要求高。該工程采用取水頭部取水-潛水泵取水泵房提升-自清洗過濾器過濾-疊片式過濾器過濾的取水系統設計，既保證了水源熱泵機組用水要求，又能減少占地面積。

(2)沖洗系統的設置十分必要，便于日后維護管理。根據運行情況反饋，建議可在取水量較少的工況時，適當增加沖洗次數，減少因取水管道或取水泵房池底的嚴重淤積時而需人工清洗的頻率。

福州以閩江江水為水源的熱泵系統具有很好的應用前景。如何合理地利用閩江水作為水源的水源熱泵系統，將為閩江邊建筑節能提供更多選擇。