千島湖地表水地源熱泵取排水方式應用與思考

李炯 方吉

浙江省城鄉規劃設計研究院

地表水地源熱泵利用淺層地熱能資源，將地表水水體作為低位冷熱源，對建筑物進行供熱和供冷，可有效利用可再生能源，具有良好的節能與環境效益。地表水地源熱泵取（排）水設計不僅制約著整個空調系統的組成，運行能耗和造價等，同時還對周圍環境和景觀造成影響。地表水地源熱泵與常規熱泵最大的區別在于地表水側，地表水主要水文地質參數決定了地表水地源熱泵的適應性。地表水主要水文地質參數為水體的水容量，水體的溫度和水體的水質[1]。

1 千島湖水文地質參數及地表水地源熱泵的適應性

1.1 水文氣象

新安江水庫（又名千島湖）是華東地區的一座特大型水庫，兼有發電、防洪、旅游、養殖、航運、飲用水源及工農業用水等多種功能，更是錢塘江水源涵養區[2]。水庫設計正常最高水位為108.0 m（壩前水位，黃海高程，下同），其相應庫容為178.4 億m3。最低水位（歷史枯水期水面）為85.0 m，水庫正常運行以來，水位保持在90 m 以上。水庫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，變化規律基本符合理想水體四季水體溫度隨深度的變化規律。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

千島湖基本上可達無色透明（汛期除外），大部分水域可達Ⅲ類標準及以上。某試驗項目附近的實測水質情況見表1[5]。

表1 某試驗項目附近水質檢測值

1.3 水文地質

千島湖景區地形為四周高，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。地貌以低山丘陵為主，低平地區海拔在110 m 左右，海拔108 m 以下為水域。自上而下為高透水性強風化細砂巖，弱透水性中風化細砂巖及不透水性微風化細砂巖[4]。島嶼周邊湖岸陡峭，湖岸線曲折。

1.4 適應性與挑戰

根據千島湖水體的水文地質參數特點，千島湖作為地表水地源熱泵系統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，需經過處理后使用。地表水地源熱泵系統設計方案前，建議對項目周圍水域做水文地質參數相關試驗，根據試驗結果進行設計。

千島湖景區是長江三角洲地區著名的風景名勝區（國家5A 級），同時是長三角的戰略水源地，其飲用水功能變得越來越突出。根據對于千島湖景區戰略定位，對于景區內項目開發提出了更高的要求。既要充分挖掘開發潛力，又要保護好綠水青山，開發與保護兩手抓。

2 千島湖地區工程案例

2.1 工程概況

千島湖伯瑞特度假酒店（5 星級）位于千島湖景區港口路，酒店用地為一個天然半島，分為多個建筑組團，其中相對位置比較集中的A 區（會議餐飲樓）、B區（桑拿健身樓）和C 區（客房樓）冷熱源采用地表水地源熱泵機組。A 區（會議餐飲樓）、B 區（桑拿健身樓）和C 區（客房樓）總建筑面積約25663 m2，空調冷負荷2667 kW，空調熱負荷1797 kW，衛生熱水負荷800 kW。

2.2 冷熱源系統及多種工況運行模式

本案共設置水源熱泵機組4 組，其中兩臺標準型水源熱泵機組額定制冷（熱）量為987（1076）kW，兩臺雙冷凝器高溫全熱回收水源熱泵機組額定制冷（熱）量為538（514）kW。整個系統主要分3 部分組成：取（回）水系統，水源熱泵機組（板式換熱器）和空調（衛生熱水）用戶端。根據業主方需求和本案周邊水域水文地質條件，該項目在常規地表水地源熱泵系統的基礎上，增設湖水直供運行工況。冷熱源系統原理圖如圖1所示。

圖1 冷熱源系統原理圖

本案冷熱源系統共有四種運行工況：夏季制冷，冬季供暖，過渡季節和湖水直供，不同運行工況的轉換通過閥門的啟閉進行設置。水源熱泵機組開啟臺數根據負荷大小變化調整，運行工況轉換時，應先把開啟的閥門關閉再打開應開啟的閥門。夏季制冷和冬季供暖兩種工況為常規地表水地源熱泵系統運行工況，此處不再贅述。

本案地處夏熱冬冷地區，根據酒店運行要求，酒店房間在使用的情況下，酒店房間內空調均需達到標準要求。在每年的春、秋過渡季（狹義），空調冷負荷較小，為滿足衛生熱水需求，需開啟雙冷凝器高溫全熱回收水源熱泵機組（簡稱1，下同）和標準型水源熱泵機組（簡稱2，下同）各1 臺，1 用于制衛生熱水，2 用于空調制冷。當取（回）水系統滿足湖水直供條件，且湖水直供工況可以滿足空調用戶端要求，優先采用湖水直供工況。

2.3 取排水系統設計

根據千島湖水文地質條件，水體的水質較好，系統采用直接取水方式，地表水直接進入主機。距湖底3～5 m 處設潛艇懸浮式取水口裝置，在85 m（黃海高程，下同）附近設潛水式取水裝置（專業設計生產內置進口不銹鋼深井泵），在108 m 附近設設備維保檢修井，在118 m 處設變頻調速電動牽引機（用于取水裝置維保檢修作業）。取水系統共設置5 路取水分系統（多路多泵），4 用1 備，每路取水量95 m3/h。夏季取水口設計水溫為10.5～11.5 ℃，冬季取水口設計水溫為10～11 ℃（酷寒8～10 ℃）。取水系統原理圖如圖2 所示。

圖2 取水系統原理圖

為保證系統穩定安全運行，保證空調水質，延長設備使用壽命，取水系統設置湖水凈化系統。湖水凈化系統由三部分組成：

1）取水口的初效過濾：取水口設置二級過濾裝置，第一級進水口采用φ5mm-304 不銹鋼多孔板過濾芯，第二級初級過濾為φ3mm-304 不銹鋼多孔板過濾芯，裝置每年只需由反沖洗系統進行清理一次，五年打撈維保一次，打撈作業輕松簡便。

2）旋流去砂：湖水進入主機或板式換熱器前設旋流除砂器，將砂粒從湖水中分離出來。

3）中效過濾裝置：將經過初效過濾和去砂的湖水進一步過濾和去砂，第一級為20 目不銹鋼多孔板過濾器，第二級為30 目不銹鋼多孔板過濾器，第三級為40目不銹鋼多孔板過濾器，裝置每年維保兩次（制冷、制熱工況運行開機前各一次）。

本項目為旅游景區度假酒店，旅游淡季和旺季明顯，空調用戶使用情況變化較大。取水系統設置為變頻變流量自動取水供水系統，可自動采集系統用戶（或滿足主機運行最少需要條件）的溫度、水流、壓力、流量的參數信號，自動變頻改變水泵開啟數量和水泵的出量，達到按需輸出。智能化變頻技術，在其自動調整的過程中，按氣候季節變化和氣溫變化及用戶使用量變化而變化，水泵電機節電率達25%～70%。變頻設備具有“軟啟動”功能（（即水泵電機轉速從0 慢慢地加快），減少電機起動時對設備的沖激損壞，從而使水泵葉片、單向閥、管路系統承受的應力大為減小，減輕軸承的磨損，延長設備的工作壽命。

千島湖旅游度假區管委會在項目啟動前期委托我院進行了場地規劃條件研究。在規劃條件研究中，提出了兩個重要原則：原則一是保護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。原則二是對半島生態景觀和自然地形的保護。根據主管部門要求和規劃條件，建筑專業對整個島嶼地塊做了整體科學布置，本案總平面布置圖如圖3 所示。

圖3 本案總平面布置圖

結合項目湖岸陡峭，湖岸線曲折的現狀特點，取水點設置在喇叭口處，排水點就近排至湖水水體上部，取（排）水點位置示意圖如圖4 所示。取（排）水系統裝置均不露出湖面和島嶼自然景觀，對項目周邊生態環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，排水口不會對取水口造成影響。取水裝置和系統維保檢修平臺位于C 區（客房樓）附近，冷凍機房位于C 區（客房樓）最底層。

圖4 取（排）水點位置示意圖

2.4 運行效果

該項目2017 年4 月酒店正式開業，運行至今3 年多，項目整體運行安全可靠，可滿足客戶需求，受到業主高度肯定。經酒店運營工程部反饋，相關運行情況主要有如下三點。

1）每年空調運行周期為：每年2～5 月份空調停止使用，5～11 月份空調制冷，11～次年2 月份空調制熱。空調停運期間，根據客戶需求，可開啟房間內空調末端來實現室內空氣的循環，同時向房間送新風，即可滿足客戶舒適性需求。

2）2018～2020 年房間制冷期間，一直運行湖水直供工況。冷負荷大且每天使用率不高的空調房間（比如A 樓大型宴會廳），當這些房間需要使用時，空調冷負荷會“突增”，會存在湖水直供工況不滿足需求而需要開啟夏季制冷工況（冷凍機組開啟）的可能。為解決該問題，需將以上房間的空調在房間投入使用之前提前4 小時打開運行，即可滿足客戶需求。

3）在滿足衛生熱水需求的前提下，冬季供暖可滿足客戶需求。

3 結論

該項目2012 年3 月首次施工圖完成，2014 年9月機電深化設計完成，設計師全程參與，針對具體問題做到持續優化，對設計效果的保證起到有力的技術支撐。

該項目取排水系統設計具有示范作用，運行可靠、維保方便，不僅可充分發揮地表水水源熱泵系統節能潛力，而且可以做到對項目周邊生態環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最理想的運行工況，實現免費供冷，湖水直供運行工況與夏季制冷工況相比可節約耗電80%以上，大幅降低運行費用。同時還減少系統向水體的排熱量，進一步降低對水體生態的影響。

綜上所述，取排水系統設計是地表水水源熱泵系統節能運行的前提。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。