閩江水水源熱泵系統(tǒng)取水設(shè)計(jì)

齊 欣

(福建省建筑設(shè)計(jì)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(shù)，具有高效、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，近年來得到了較為廣泛的應(yīng)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(jī)組的冷熱源。

福州地處南方，屬于典型的夏熱冬暖地區(qū)，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(jī)組的冷熱源。其中，閩江作為福州地區(qū)主要干流，具有水量大、水質(zhì)較好等特點(diǎn)，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(xiàng)目為例，通過不同方案比選確定取水系統(tǒng)方案，并對(duì)取水系統(tǒng)中各工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，為今后的設(shè)計(jì)提供一些借鑒。

1 工程概況

1.1 建筑規(guī)模與性質(zhì)

該工程位于福州市倉(cāng)山區(qū)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(gè)辦公區(qū)由8棟辦公樓(3組建筑群組成，分別為中央主建筑群、東側(cè)建筑群和西側(cè)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(chǎng)(戰(zhàn)時(shí)為人防工程)，地下一層為停車場(chǎng)，設(shè)備用房(含3個(gè)冷庫(kù)機(jī)房、配電房等)，地上12～19層。具體項(xiàng)目總平面圖如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目所在位置圖

1.2 空調(diào)冷熱源

根據(jù)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，總冷量為7500RT,熱負(fù)荷為2500RT，冷凍機(jī)房的機(jī)組配置采用二大二小的方式來布置，即兩臺(tái)1250RT的熱泵機(jī)組和兩臺(tái)2500RT的單冷機(jī)組，冷凍機(jī)房集中設(shè)置在暖通冷凍機(jī)房?jī)?nèi)。

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的要求，江水源熱泵系統(tǒng)的冷卻水量為4400m3/h，且考慮與冷凍機(jī)組的配比關(guān)系，取水泵組采用7臺(tái)同規(guī)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(jīng)福州，境內(nèi)長(zhǎng)150km，流域面積8000km2[2],年平均徑流量629億m3[3]。

閩江水溫變動(dòng)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(dāng)?shù)貧鉁亍?/p>

根據(jù)工程所在位置處，閩江水相關(guān)的水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)與水源熱泵機(jī)組水質(zhì)要求比較(表1)，閩江江水水質(zhì)良好，除濁度和含砂量不能滿足水源熱泵機(jī)組要求外，其他離子濃度均低于水源熱泵機(jī)組水質(zhì)要求。

因此，當(dāng)采用閩江水作為水源熱泵冷熱源時(shí)，僅需對(duì)濁度和含砂量進(jìn)行處理，處理效果需滿足水源熱泵機(jī)組水質(zhì)要求。

表1 閩江水水質(zhì)與水源熱泵機(jī)組水質(zhì)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(jié)合現(xiàn)狀地質(zhì)、周邊環(huán)境情況，選擇合適的取水方式[4]。根據(jù)勘察報(bào)告，閩江河床地質(zhì)多為淤泥層和砂層，該工程不適合采用滲濾取水方式。考慮周邊環(huán)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(jié)合該工程的實(shí)際情況，最終確定采取直接取水方式。但由于閩江水水質(zhì)不能時(shí)刻保證該工程的水質(zhì)要求，需對(duì)閩江江水進(jìn)行水處理。根據(jù)閩江水相關(guān)水質(zhì)報(bào)告以及水源熱泵機(jī)組要求，結(jié)合取水方式最終確定兩種備選方案進(jìn)行比較。

2.1 方案一

以閩江江水為水源，設(shè)置取水頭部取水，江水通過自流管引入設(shè)置在河岸邊的潛水泵取水泵房，再逐步經(jīng)過自清洗過濾器和疊片式過濾器的過濾處理，經(jīng)過濾處理后的江水供熱泵系統(tǒng)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(shè)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?jī)?nèi)抽水，泵房?jī)?nèi)設(shè)置細(xì)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(shè)備設(shè)置于項(xiàng)目建筑的水處理間內(nèi)，進(jìn)一步對(duì)江水進(jìn)行過濾處理，以達(dá)到水源熱泵機(jī)組水質(zhì)要求。

2.2 方案二

以閩江江水為水源，設(shè)置取水頭部取水，江水通過自流管引入設(shè)置于河岸邊的干式取水泵房，再經(jīng)過絮凝-沉淀的常規(guī)水處理方式對(duì)江水進(jìn)行處理，經(jīng)處理后的江水經(jīng)二次泵輸送至熱泵系統(tǒng)。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(shè)置同方案一；岸邊設(shè)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(shè)置檢修間及配電間。絮凝沉淀池布置與項(xiàng)目地塊內(nèi)，并配套相應(yīng)水處理構(gòu)筑物。

2.3 方案比較

表2 方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(duì)周邊污染較小，維護(hù)管理工作少，占地面積小，但對(duì)于出現(xiàn)極端水質(zhì)情況時(shí)，需要進(jìn)行應(yīng)急處理；方案二適用更多種的水質(zhì)情況，干式泵房使用時(shí)安全性更高，維護(hù)管理方便，但施工難度大，施工周期長(zhǎng)，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(shí)滿足熱泵機(jī)組用水要求下，經(jīng)兩個(gè)方案的綜合比較分析，該項(xiàng)目推薦采用方案一。

3 取水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 取水頭部及取水管設(shè)計(jì)

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(wǎng)，設(shè)置于取水喇叭管的四周及頂部，便于攔截水中大顆粒雜質(zhì)。

取水頭部位設(shè)于閩江南岸，距離取水泵房165m處。根據(jù)相關(guān)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(shí)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(biāo)高為-1.46m。

該江水源熱泵系統(tǒng)所需冷卻水量為4400m3/h，經(jīng)計(jì)算，采用兩根DN900自流管時(shí)，單根自流管流速為0.9m/s；當(dāng)一根管事故時(shí)，另一根管可承擔(dān)全部的取水量，流速為1.92m/s。為減少對(duì)周邊景觀的影響，依據(jù)該工程地質(zhì)勘察報(bào)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(shè)置在閩江南岸的灘涂上，為了減少對(duì)江濱公園的影響，采用淹沒式泵房設(shè)計(jì)，集水間與泵房合建，以節(jié)省占地。泵站最大取水規(guī)模為 4400m3/h，根據(jù)水源熱泵系統(tǒng)的要求，泵房配置7臺(tái)潛水泵，六用一備，單臺(tái)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(tái)潛水泵以及利用泵房?jī)?nèi)設(shè)置的格網(wǎng)對(duì)江水進(jìn)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(shè)置于前池和吸水池連通口兩側(cè)的格網(wǎng)進(jìn)行過濾后，由設(shè)置于吸水池的潛水泵將江水送入水處理間。

取水泵房設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為13.2m，寬度為9.8m。分為四格的泵房，單格前池長(zhǎng)度為6.2m，寬度為3m；單格吸水池長(zhǎng)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(cè)分別設(shè)置1.7m×1.7m的格網(wǎng)，用于過濾江水中的細(xì)小物質(zhì)。7臺(tái)潛水泵分3臺(tái)和4臺(tái)平行、均勻地分別布置于兩格吸水池內(nèi)。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(biāo)高-2.10m，考慮取水泵房需作為取水自流管頂管施工時(shí)工作井，取水泵房底標(biāo)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(gòu)筑物對(duì)周邊景觀的影響，采用淹沒式泵房，結(jié)合周邊景觀高度，確定泵房頂標(biāo)高為6.60m。

取水泵房較大，深度較深，根據(jù)勘察報(bào)告地質(zhì)情況，采用沉井施工，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，挖土量少，對(duì)周邊的影響小。

3.3 水處理間設(shè)計(jì)

水處理間設(shè)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(jī)組水質(zhì)要求，設(shè)計(jì)采用江水先經(jīng)自清洗過濾器處理再經(jīng)過疊片式過濾器過濾的方式，以保證出水水質(zhì)達(dá)到要求。

水處理系統(tǒng)采用兩組自清洗過濾器并聯(lián)運(yùn)行，單組自清洗過濾器過濾水量為3185m3/h，過濾精度采用150μm，對(duì)于顆粒粒徑≥150μm，其去除率達(dá)到99%。

自清洗過濾器出水后經(jīng)過10組并聯(lián)運(yùn)行的疊片式過濾器過濾，疊片式過濾器精度采用130μm，對(duì)于顆粒粒徑≥130μm，其去除率達(dá)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(jī)組熱交換后江水，沖洗后廢水就近排入建筑雨水系統(tǒng)。

3.4 沖洗系統(tǒng)

該工程沖洗系統(tǒng)，主要包括取水管沖洗和泵房清淤。

由于熱泵機(jī)組有時(shí)出現(xiàn)停運(yùn)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(shè)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(dāng)取水管需清洗時(shí)，關(guān)閉需清洗取水管對(duì)應(yīng)的閥門，同時(shí)開啟沖洗管閥門及 7臺(tái)水泵對(duì)取水管進(jìn)行沖。取水管沖洗應(yīng)單根沖洗，沖洗頻率可根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況調(diào)整。

由于淹沒式取水泵房泥沙易淤積，長(zhǎng)期未清淤易造成泥沙板結(jié)等問題，因此，設(shè)置一套泵房清淤系統(tǒng)，便于日后維護(hù)管理。

泵房清淤系統(tǒng)，是利用取水泵將江水加壓輸送至鋪設(shè)于泵房底部的沖洗管對(duì)泵房進(jìn)行沖洗；沖洗后的水，由安裝于泵房集水坑內(nèi)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(shè)φ15孔洞，沖洗管開孔如圖6所示。泵房應(yīng)分格清淤，于江水源熱泵系統(tǒng)使用量少的工況下進(jìn)行，清淤頻率可根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況調(diào)整。

圖6 沖洗管開孔示意圖

4 結(jié)論

該工程現(xiàn)已投入使用，此江水源熱泵系統(tǒng)已歷經(jīng)一段時(shí)間的運(yùn)行，目前運(yùn)行正常并達(dá)到了預(yù)期效果，滿足水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行要求且運(yùn)行狀態(tài)良好。總結(jié)設(shè)計(jì)思路及運(yùn)行狀況，結(jié)論如下：

(1)一般采用閩江江水作為水源熱泵系統(tǒng)水源的項(xiàng)目工程多位于閩江邊，江邊用地稀缺，傳統(tǒng)的水處理工藝出水水質(zhì)雖好但占地面積較大，對(duì)項(xiàng)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(tǒng)設(shè)計(jì)，既保證了水源熱泵機(jī)組用水要求，又能減少占地面積。

(2)沖洗系統(tǒng)的設(shè)置十分必要，便于日后維護(hù)管理。根據(jù)運(yùn)行情況反饋，建議可在取水量較少的工況時(shí)，適當(dāng)增加沖洗次數(shù)，減少因取水管道或取水泵房池底的嚴(yán)重淤積時(shí)而需人工清洗的頻率。

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