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水源热泵系统的水源水系统

上海太阳能工程-上海湘宸节能公司135-6460-1168是一家以太阳能热水器生产为主的太阳能工程厂家,公司在太阳能行业有做过的工程案例有:平板太阳能热水器,阳台壁挂式太阳能热水器,分体太阳能,平板分体太阳能热水器工程,等,公司承接太阳能热水器工程,

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第二节、水源热泵系统的水源水系统
一、水源热泵系统对水源水系统的要求
水源是应用水源热泵系统的前提,水源水系统的水量、水温、水质和供水稳定性是影响水源热泵系统运行工效的重要因素。应用水源热泵系统时,对水源水系统的原则要求是:水量充足,水温适度,水质适宜,供水稳定。
具体说,水源的水量应当充足够用,能满足用户制热负荷或制冷负荷的需要。如果水量供应不足,机组的制热量和制冷量将随之减少达不到用户要求。水源的水温要适度,在制热运行工况水源水直接进入蒸发器时,应为10~22℃;在制冷运行工况水源水直接进入冷凝器时,水源水的温度应为18~40℃。水源的水质,应适宜于系统机组、管道和阀门的材质,不至于产生严重的腐蚀损坏。水源水系统供水保证率要高,供水功能具有长期可靠性,能保证水源热泵系统长期和稳定运行。
水源热泵系统的水源水系统,一般应包括水源、取水构筑物、输水管道和水处理等部分。
二、水源和水质
1.水源
原则上讲,凡是水量、水温能够满足用户制热负荷或制冷复荷的需要,水质对机组设备不产生腐蚀损坏的任何水源都可作为水源热泵系统利用的水源,既可以是再生水源,也可以是自然水源。
1.1.再生水源
是指人工利用后排放但经过处理的城市生活污水、工业废水、矿山废水、油田废水和热电厂冷却水等水源。有条件利用再生水源的用户,变废为利,可减少初投资,节约水资源。但对大多数用户来说,可供选择的是自然界中的水源。
1.2.自然界中的水源
自然界中的水分布于大气圈、地球表面和地壳岩石中,分别称之为大气水、地表水和地下水。陆地上的地表水和地下水均来自于大气降水。
(1)地表水中的海水约占自然界水总储量的96.5%。滨海城市有条件利用海水,国外有应用海水作热泵水源的实例,我国一些沿海城市利用海水作工业冷却水源已有多年历史。近年,国内有用海水作热泵水源的研究,但海水地源热泵技术的实用化尚待时日,陆地上的地表水,即江、河、湖、水库水比海水和地下水矿化度低,但含泥沙等固体颗粒物、胶质悬浮物及藻类等有机物较多,含砂量和浑浊度较高,需经必要处理方可作热泵水源。
(2)地下水是指埋藏和运移在地表以下含水层中的水体。分布广泛,水质比地表水好,水温随气候变化比地表水小,是水源中央空调可以利用的较为理想的水源。
就某项具体工程而言,应从实际情况出发,判断是否具备可利用的水源。不同工程的场地环境和水文地质条件千差万别,可利用的水源各不相同,应因地制宜地选择适用水源。当有不同水源可供选择时,应通过技术经济分析比较,择优确定。一项工程所需水量多少由该工程负荷与机组性能确定,所选择的水源水量应满足负荷要求。如水量略有不足,其缺口可采取一定辅助弥补措施解决。如缺口较大,就不能应用地源热泵,而应考虑其他方案。
2.水质
自然界中的水处于无休止的循环运动之中,不断与大气、土壤和岩石等环境介质接触、互相作用,使其具有复杂的化学成分、化学性质和物理性质,水源热泵系统中,除应关心水源水量外,还应关注水的温度、化学成分、浑浊度、硬度、矿化度和腐蚀性等因素,但目前对地源热泵的水质尚无有关规定,可借鉴冷却水水质标准作参考。
2.1.温度
(l)地表水水温随季节、纬度和高程不同而变化。长江以北和高原地区,冬季地表水结冰,无法利用于制热供暖。夏季水温一般低于30℃,可用于制冷空调。
(2)地下水水温随自然地理环境、地质条件及循环深度不同而变化。近地表处为变温带,变温带之下的一定深度为恒温带,地下水温不受太阳辐射影响。不同纬度地区的恒温带深度不同,水温变化范围10~22℃,完全适宜于水源中央空调系统利用。由恒温带向下,地下水温度随深度增加而升高,增高多少取决于不同地域和不同岩性的地热增温率。地壳平均地热增温率为每100米2.5℃,大于这一数值叫做地热异常。富含地下水的地热异常区可形成地热田。据1997年统计数字,全国已发现地热点3200多处,开发利用130处地热田,年开采地热水3.45亿立方米。目前,许多地热用户排放弃水温度较高(约40℃)。应用水源热泵系统,可以使弃水中的30℃温差得到再利用,大大提高地热能利用率。
2.2.含砂量与浑浊度
有些水源含有泥沙、有机物与胶体悬浮物,使水变得浑浊。水源含砂量高对机组和管阀会造成磨损。含砂量和浑浊度高的水用于地下水回灌会造成含水层堵塞。用于水源中央空调系统的水源,含砂量应小于1/20万。仅作空调用的冷却水浑浊度为50~150毫克/升,向地下含水层回灌的水浑浊度为<20毫克/升。如果水源热泵系统中装有板式换热器,则要求水源水中固体颗粒物的粒径应<0.5毫米。
2.3.水的化学成分及其化学性质
自然界水中溶有不同离子、分子、化合物和气体。水中分布最广的离子有七种,即CI-、SO2-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+与Mg2+”,主要气体成分有O2、CO2、和H2S等几种。这些化学成份所产生的主要化学性质有酸碱度、硬度、总矿化度和腐蚀性等,对机组材质有一定影响。
(1)酸碱度
水的PH值小于7时,呈酸性,反之呈碱性。用于水源热泵系统的水源水酸碱度(pH值)应为6.5--8.5。
(2)硬度
水中Ca2+、Mg2+总量称为总硬度。硬度大,易生垢。水源热泵系统的水源水硬度要求水中CaO含量应<200毫克/升。
(3)矿化度
单位容积水中所含各种离子、分子、化合物的总量称为总矿化度,用于水源热泵系统的水源水矿化度应<3克/升。
(4)腐蚀性
水中CI-、游离CO2都具腐蚀性,溶解氧的存在加大了对金属管边的腐蚀破坏作用。用于水源中央空调系统的水源中,要求CI-<100mg/L、SO2-<mg/L、Fe2+<1mg/L、Mg2+<0.5mg/L。应用水源热泵系统时,对腐蚀性、硬度高的水源,应在系统中加装抗腐蚀的不锈钢换热器或钛板换热器。
三、取水构筑物
从水源地向水源热泵机房供水,需建取水构筑物。依据水源不同,取水构筑物可分为地表水取水构筑物和地下水取水构筑物两类。
1.地表水取水构筑物
地表水取水构筑物按结构形式可分为活动式和固定式两种。活动式地表水取水构筑物有浮船式和活动缆车式;较常用的是固定式地表水取水构筑物,其种类较多,但一般都包括进水口、导水管(或水平集水管)和集水井,见图3-1。地表水取水构筑物受水源流量、流速、水位影响较大,施工较复杂,要针对具体情况选择施工方案。
合同能源管理公司
2.地下水取水构筑物
地下水取水构筑物有管井、大口井、结合井和辐射井等类型。表3-1列出了地下水取水构筑物的型式及适用范围。在实际工程中,应根据地下水埋深度、含水层厚度、出水量大小、技术经济条件不同选取不同形式。
3.管井
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3-2为浅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。
地下水取水构筑物的形式及适用范围
合同能源管理公司
合同能源管理公司
4.井口装置、井泵和泵房
4.1.井口装置
管井竣工后要安装井口装置,装置一般固定在浇注的混凝土基础上。井口装置可以自行焊制,也可向有关水泵厂家购买。
4.2.井泵
管井所用水泵有两种类型:深井泵和潜水泵。深井泵的电动机在地面,井内有一个长传动轴,因而对井筒垂直度要求高,转速大多在1440r/min;潜水泵底部安装有绝缘防水电动机,浸没于井水之中。潜水泵对井筒垂直度要求低。其转速较高,2850r/min。在同样安装条件下,潜水泵扬程比深井泵高得多。同一扬程下,潜水泵体积比深井泵小。潜水泵价格高,但深井泵安装和维修工作量大。目前,大多数管井采用潜水泵。潜水泵下放深度应在动水位之下5米处,安装要平稳,泵体应居中。一般依据井管内径、流量和扬程要求,按照生产厂家提供的样本选配适合的水泵,再根据所需电功率选择电机、配套电缆。水泵扬程应包括井内动水位到机房地面高度、管道阻力、水泵管道阻力和设备扬程。
4.3.泵房
为保护管井,一般在管井井处建筑泵房。泵房可建成地面泵房,也可建成地下泵房。后者不占用地面空间,便于地面绿化美化。
四、水源系统设计和施工中应注意的问题
1.供水水源的可行性研究
拟采用水源中央空调系统时,应先调查了解工程场地的供水水源条件,或向当地水资源管理部门咨询,或请专业队伍进行必要的水文地质调查或水文地球物理勘察,了解是否有可利用的水源,通过可行性研究,确定利用地表水或是地下水的供水水源方案。
2.地表水源工程设计与施工
拟选择地表水水源时,要考虑季节性水温变化因素对机组制冷量和制热量的影响,水源对水源中央空调系统需水量的保证率。设计修建取水构筑物时,应注意取水构筑物标高与洪水季节(或枯水季节)水源水位变动的关系。供水管和排水管可直埋于同一管沟之中,两管间距应大干10厘米。如水源水经机组换热后仍排回水源处(如河流),排水口位置应置于取水口的下游处。
3.管井工程的设计
拟选择地下水源和管并取水方案时,对于规模较大的工程所涉及的抽水井和回灌井井位、井距、井数、井径、井深和井身结构等要素,应根据所需水量和地下水回灌需要,结合场地环境和水文地质条件,因地制宜地设计确定。井位布置要合理,井距控制在制冷(或采暖)期间不产生地下水井间干扰。井深要大于变温带深度,以保证冬季水源水温度>8℃。为防止回灌井堵塞,确保水源系统长期稳定供水,抽水井和回灌井要互相切换使用,因而要求各个井的井深和井身结构相近。井中滤水管和滤网应有一定强度,能承受抢灌往复水流的变换压力。
4.管井施工质量
必须十分重视管井施工质量问题,应找专业队伍施工,做好每一工艺环节,建成优质井,才能获得较大出水量和优质水。一口优质井可以使用二十多年。成井质量不好,不仅影响井的寿命,还影响到该井的取水和回灌效果,最终影响到水源中央空调系统能否正常工作和制热或制冷效率。甲方应参与最后阶段的抽水试验工作,认定可信和准确的结果数据。管井竣工后,应由甲方、施工单位和行政主管部门或监理会同到现场,按合同规定的水量、水温和水质要求进行工程质量验收。
五、水质处理与节水技术
1.水处理技术
如果水源的水质不适宜水源热泵机组使用时,可以采取相应的技术措施进行水质处理,使其符合机组要求。在水源系统中经常采用的水处理技术有以下几种:
1.1.除砂器与沉淀池
当水源水中含砂量较高时,可在水系统中加装旋流除砂器,降低水中含砂量,避免机组和管网遭受磨损。国产旋流除砂器占地面积较小,有不同规格,可按标准处理流量选配型号和台数。如果工程场地面积较大,也可修建沉淀池除砂。沉淀池费用比除砂器低,但占地面积大。
1.2.冷水过滤器
有些水源,特别是地表水浑浊度较大,用于回灌时容易造成管井滤水管和含水层堵塞,影响供水系统的稳定性和使用寿命。对浑浊度大的水源,可以安装净水器进行过滤。
1.3.电子水处理仪
在水源中央空调系统运行过程中,冷凝器中的循环水温度较高,特别是在冬季制热工况下。水温常常在50℃以上,水中的钙、镁离子容易析出结垢,影响换热效果。通常在冷凝器循环水管路中安装电子水处理仪,防止管路结垢。同时,还可利用电子水处理仪处理藻类或细菌。
1.4.板式换热器
有些水源水矿化度较高,对金属的腐蚀性较强,如直接进入机组会因腐蚀作用减少机组使用寿命。如果通过水处理的办法减少矿化度,费用很大。通常采用加装板式换热器中间换热的方式,把水源水与机组隔离开,使机组彻底避免了水源水可能产生的腐蚀作用。当水源水的矿化度小于350mg/L、含砂量小于1/百万时,水源系统可以不加换热器,采用直供连接。当水源水矿化度为350-500lmg/L时,可以安装不锈钢板式换热器。当水源水矿化度>500mg/L时,应安装抗腐蚀性强的钛合金板式换热器。如水源水温度不宜直接进机组时,也可应用换热器将水温调节为适用于进机组的温度。如果机房面积大,也可安装容积式换热器,费用比换热器少。
1.5.除铁设备
水源热泵系统也可以用来供应生活热水。但有时水源水中含铁较多,虽然对制热没有影响,洗浴时对人体健康也不会造成损害,但溶于水中的铁容易生成氢氧化铁沉积在卫生洁具上,形成有损视觉感官的黄褐色污渍。因此,当水中含铁量>0.33mg/L时,应在水系统中安装除铁处理设备。
2.节电技术
水资源费和井泵运行费往往是水源热泵系统运行费的最大开支,节约电费与合理开采地下水以保护水资源,是水源系统设计的重要内容之一。应用混水器和变频器是常用的节水节电措施。
2.1.混水器
为了节约水源水用量,可在系统中安装混水设备,一般采用容积式混水器,也可采用射流式混水器,前者体积大费用低,后者体积小费用高。
2.2.变频调控器
为了节约水源用水量和用电量,可以安装变频调控器控制水源水泵,以取得减少耗水量和耗电量的效果。一般首先按井泵电机容量确定变频器大小由变频器、压力或温度传感器和P.I.D控制器等部件组成恒压闭环境控制方式,在预先设定供水压力工况下运行。可以按照白天或夜晚平均气温变化分段改变频率,调节水泵抽水量,也可用温度参数控制变频器,改变水泵转数调节泵量。
六、地下水人工补给(俗称回灌)
1.人工回灌及其目的
为保证水源热泵系统长期安全运行,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,即所谓地下水人工补给(回灌)。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,确保水源热泵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。
2.回灌水的水质
目前,尚无回灌水水质的国家标准,各地区和各部门制定的标准不尽相同。应注意的原则是:回灌水水质要好于或等于原地下水水质,回灌后不会引起区域性地下水水质污染。实际,水源水经过机组后,只是交换了热量,水质几乎没有发生变化,回灌不会引起地下水污染。
3.回灌类型
根据工程场地的实际情况,可采用地面渗入补给、诱导补给和注入补给。注入式回灌一般利用管井进行,常采用无压(自流)、负压(真空)和加压(正压)回灌等方法。无压自流回灌适于含水层渗透性好,井中有回灌水位和静止水位差。真空负压回灌适于地下水位埋藏深(防水位埋深在10米以下),含水层渗透性好。加压回灌适用于地下水位高,透水性差的地层。对于抽灌两用井,为防止井间互相干扰,应合理控制井距。
4.管井回灌管路
管井回灌管路一般由输水管路、用水管路、回灌水管路和扬水管路四部分管路组成,见图3-3。回灌管路各处要密封。
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5.回灌量
回灌量的大小与水文地质条件、管井质量、回灌方法等有关,其中水文地质条件是影响回灌量的主要因素。一般说,出水量大的井回灌量也大。在基岩裂隙含水层和岩溶含水层中回灌,在一个回灌年度内,回灌水位和单位回灌量变化都不大;在砾卵石含水层中,单位回灌量约为单位出水量的80%以上。在粗砂含水层中,单位回灌量约为单位出水量的50-70%。中细砂含水层中,单位回灌量约为单位出水量的30~50%。抽灌水量之比是确定抽灌井数的主要依据。
6.回扬
预防和处理井管堵塞主要采用回扬的方法,即在回灌井中开泵抽排水中的堵塞物。为清除堵塞含水层和井管的杂质,在进行回灌后必须经常进行回扬。每口回灌井回扬次数和回扬持续时间主要由含水层颗粒大小和渗透性而定。在岩溶裂隙含水层进行管井回灌,长期不回扬,回灌能力仍能维持现状。在松散粗大颗粒含水层进行管井回灌,回扬时间约一周l~2次;在中、细颗粒含水层里进行管井回灌,回扬间隔时间应进一步缩短。对细颗粒含水层来说,这一点尤为重要。通过实验证实:在几次回灌之间进行回扬与连续回灌不进行回扬相比,前者能恢复回灌水位,保证回灌井正常工作。在回灌过程中,掌握适当回扬次数和时间,才能获得好的回灌效果,如果怕回扬多占时间,少回扬甚至不回扬,结果管井和含水层受堵,反而得不偿失。回扬持续时间以浑水出完,见到清水为止。
七、应用水源热泵系统的限制条件
水源热泵系统是一种高效、节能、环保型产品,但并不是在任何条件下都能得到应用。其制约条件是电源和水源。目前,我国电力供应较充足,容易解决。而水源则是其主要限制条件,没有适合可靠的水源,就不能使用水源热泵。例如,有些工程场地有一定面积,也可以钻井,但因水量不足,难以完全满足工程负荷需要,有些工程所在场地下面虽然有地下水,但是由于工程处在繁华市区,场地面积小,无处布井取水,场地环境条件限制了水源热泵的使用。
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