联合取水技术在江水源热泵中的应用

摘要：江水源热泵系统以江水作为热泵系统的热源为建筑物供热或供冷，在建设节约型社会、国家节能减排的形式下，在沿江有条件的地区已推广使用。该文通过重庆江北城CBD天然河床渗滤+人工河床渗滤+直取水联合取水工程，提出了一种适合江水

源热泵的取水技术。

关键词：天然河床渗滤取水；人工河床渗滤取水；直取水；江水源热泵

中图分类号：TV67；TU991.1 文献标识码：A 文章编号：1672-9900（2011）04-0041-03

在建设节约型社会、国家节能减排的形式下，热泵技术正以其不可替代的优势，受到广泛的应用［1］。常用的热泵热源有空气、地表水、地下水、土壤等。地表水源热泵系统是以湖水、河水、江水和海水等自然水体作为热泵系统的热源。江水源热泵系统以江水作为热泵系统的热源为建筑物供热或供冷。在沿江有条件的地区推广使用江水源热泵技术，可节约供暖和空调所消耗的常规能源，缓解日趋紧张的能源压力。

采用江水作为热泵系统热源的技术难点是：江水取水量需要满足用水要求；水温要有利于系统运行效率的提高；水质要能满足设备的使用，减少对设备的磨损。渗滤取水是地表取水技术中的一种［1-2］，在国内外均有应用实例［3-6］。将渗滤取水技术应用于水源热泵空调系统中，即地表水通过与之相通的透水层渗流到集水井后，再通过水泵将其供给热泵机组，从而为热泵机组在夏季提供更低水温和冬季提供更高水温的海水。同时，地表水在渗流过程中，经过土壤过滤，水质提高。本文根据一实际工程，提出了渗滤取水在江水源热泵中的应用。

1 项目背景

江北城地处重庆主城江北区，与渝中半岛解放碑朝天门、南岸区弹子石构成“金三角”，是重庆主城核心区域，开发中的重庆市中央商务区（CBD），其中建筑覆盖面积达600万m2。根据国家节能减排建设要求，江北城采用了集中供冷供热系统，能源方案采用电制冷+江水源热泵+冰蓄冷方式。通过江北城建成后空调系统用水量计算，1#和2#能源中心夏季高峰需水量为1.7万m3/h，相当于一座40.2万m3/d大型水厂的供水量。江北城周边没有能够满足空调冷却水需水量要求的供水设施，因此不得不考虑自备取水解决冷却水需求。

江北城位于长江与嘉陵江交汇处，该区域可利用淡水资源丰富，据两江汇合口朝天门下游7km的寸滩水文资料统计，长江在重庆市地区多年平均流量10930m3/s，长江和嘉陵江水温在23 ℃～26 ℃，冬季气温在12 ℃～18 ℃。

根据对水源地选址勘察，初步查明了工程场区发育和赋存有丰富的松散岩类孔隙水（地下潜流水），补给源稳定、丰富。经分析计算，砂卵石层厚度大于3m的天然滤床面积约30万m2。

2 联合取水方式

2.1 地表直取水技术

地表直取水技术成熟，使用面积较广；但出水水质差，取水需经处理后使用。如果江北城冷却水需水量采用单独直取江水方式，为了保证枯水期取水要求，取水头部需安设在江中，这对通航及行洪具有一定影响；同时因建设水处理设施，占地最少需约10万m2，在江北城寸土寸金的用地条件中显然不太可能；另外水处理设备多，操作运行维护量大、运行费用高。

2.2 天然河床渗滤取水技术

天然河床渗滤取水技术主要是集取河床潜流水和河床渗透水。取水原理是利用取水系统自身运行产生的诱渗方式诱导河水下渗，穿过滤床表面滤膜（泥膜）及河床下砂卵石层，形成取水的持续补给。再通过河底反向钻孔群、过滤器进入渗滤孔及汇水系统，并经过河床底部基岩中开凿的水平输水隧道等工程措施取出地表，实现取水、制水一体化［7］。该种取水技术已在重庆、广西、湖南、湖北等地使用，取水方式较成熟，出水水质稳定，维护管理难度小，无通航及行洪影响，节省用地面积，且水温恒定，夏季18 ℃～22 ℃，冬季16 ℃～18 ℃，可利用能源较好。但在汛期需用清淤船冲洗泥膜，利用水流自然清淤。

根据地勘报告资料，工程场区天然砂卵石层发育和赋存的松散岩类孔隙水（地下潜流水）难以满足1#和2#能源中心夏季高峰小时段总冷却水需要量。

2.3 人工河床渗滤取水技术

人工河床渗滤取水是通过河滩下铺设级配砂卵石人工滤床，依靠砂卵石层自然滤净化的一种取水方式。枯水季节，江北嘉陵江河岸金沙碛露出宽缓的河漫滩，这为铺设滤床和取水管网提供了有利条件。该种取水方式不仅节省用地面积，而且不会影响通航及行洪，出水水质较好，取水夏季水温23 ℃～27 ℃，冬季水温9 ℃～13 ℃，可利用能源较好。但高浊度水期间易堵塞，枯水期无法使用，需采用补水措施。

2.4 天然河床渗滤+人工河床渗滤+直取水联合取水

江北城冷却取水问题需在重庆大剧院落成之前解决，而单一的天然河床渗滤取水方式满足不了能源中心夏季高峰小时段总冷却水需要量，施工周期也难以满足要求，因此综合上述3种取水方式优势、嘉陵江水文特点、机组用水需求及建设规划，打破常规采用天然河床渗滤取水+人工河床渗滤取水+直取水补水的联合取水技术，并考虑一年中的不同工况设定不同的取水方式。

（1）汛期工况（6~10月）：空调系统用水高峰期，天然河床渗滤取水和人工河床渗滤取水联合取水。

（2）过渡期工况（11~3月）：此时段为三峡水库蓄水期，嘉陵江水位为172m左右，11、12月重庆气温适宜，空调系统需水量较小，仅用人工河床渗滤取水，天然河床渗滤取水系统进行检修和维护；1、2 月气温低，高峰小时制热总需水量约10000m3/h，仅使用天然河床渗滤取水系统即可足够提供机组用水需求；3月气温适宜，空调系统需水量小，仅用人工河床渗滤取水，天然河床渗滤取水系统进入滤床休养。

（3）枯水期工况（4~5月）：此时段为三峡水库放水清库期，嘉陵江水位为自然枯水位，约158~160m，天然河床渗滤取水系统顶面出露水面以上，便于对天然河床渗滤取水系统进行检修和维护。此时段气候温和，江水水质较好，空调系统需水量小，采用钢管直取江水。人工河床渗滤系统进行检修和维护。

天然河床渗滤取水和人工河床渗滤取水系统轮流工作或检修，使两套取水系统均有了检修和滤床修复的时间，有利于延长整个系统的工程服务期。取水项目总体规划、分期实施。一期为2#人工河床渗滤取水工程和直取水工程，二期为渗滤取水工程和1#人工河床渗滤取水工程。

3 主要设计内容

3.1 天然河床渗滤取水工程

天然河床渗滤设计取水量12000m3/h（最大小时水量）。天然河床渗滤取净水工艺主要包括集水竖井、输水巷道、取水硐室及取水渗滤孔的设计。取水工艺流程如下：

嘉陵江水→天然滤床→渗滤孔群→取水硐室→输水巷道→集水竖井→能源中心

分别在1#和2#能源中心附近各设计1座集水竖井。输水巷道包含集水平巷和输水平巷。集水平巷断面尺寸为2m×2m，总长度为865m。输水平巷断面尺寸为2m×2m，总长度为3088m。在集水平巷和输水平巷共设计取水硐室20座。取水孔共设计580个，分设于20座硐室内。

3.2 人工渗滤取水工程

人工河床渗滤取水工程包含1#人工河床渗滤取水工程和2#人工河床渗滤取水工程，分别设于1#和2#能源中心附近。人工河床渗滤最大小时设计取水量5000m3/h，其中人工河床渗滤取水1#站取水3000m3/h，人工河床渗滤取水2#站取水2000m3/h。

1#人工河床渗滤取水工程：布置为5段，分别与河流正交、斜交敷设。管径为D1000mm，长度为1400m。滤管最终将人工河床渗滤水引至1#能源中心附近的1-1#竖井内。

2#人工河床渗滤取水工程：布置为4段，分别与河流正交、斜交敷设。管径主要为D900mm、D1000mm。其中D900mm长度为600m，D1000mm长度为325m。D1000mm滤管将人工河床渗滤水汇入长30m的输水巷道，最终将水引至2#能源中心附近2-1#竖井内。目前，2#站的人工河床渗滤取水工程已完成施工投入运行使用，最大小时取水量2000m3/h。水质检测报告和运行结果显示，其水质、水量均满足冷却水用水需求，运行效果好。

3.3 钢管直取江水方式——枯季补水措施

嘉陵江4~5月为三峡库区放水囤库期，嘉陵江水位标高158~160m。此时段气候温和，江水水质较好，空调系统需水量小，因此采用了钢管直取江水方式。

设计取水量Q=1000m3/h，敷设2根D300mm引水钢管，分别连接不同的取水头部，取水头部控制标高为157m。为了减少开挖石量，缩短施工周期，引水管分别沿人工河床渗滤反滤层铺设，铺设在中小卵石层，引入水进入2-1#竖井。

4 设计特点

4.1 节约用地

天然河床渗滤和人工河床渗滤取水构筑物都铺设于地下，地面几乎不占用地。直取江水主要用于嘉陵江4~5月，该时段江水水质较好，空调冷却系统需水量小，因此也不需要水处理设施。与单独地表取水方式相比，联合取水方式节省约90%的用地。

4.2 低碳运行

联合取水方式属于节省能耗，低碳运行。

天然河床渗滤和人工河床渗滤取水系统出水水质好。天然河床渗滤出水浊度在0.5～0.8NTU之间。根据已运行的出水水质检测数据显示，人工河床渗滤取水出水浊度在5NTU以下。直取江水主要作为枯水季节补充水量，江水水质较好。因此，取水可直接供水到水源热泵机组，不需要增设水处理和板式换热设备，不仅减少了水处理过程中的温度损失，还节约了运行费用。

另外，天然河床渗滤和人工河床渗滤取水水温恒定，可利用能源高。天然河床渗滤取出的水夏季18 ℃～22 ℃、冬季16 ℃～18 ℃，人工河床渗滤取出的水夏季23 ℃～27 ℃、冬季9 ℃～13 ℃，相比常规地表取水方式，其取水水温夏低冬高，完全符合热泵机组冷却用水需求。

4.3 取水方式“高效”利用

本项目最大特点是充分利用江北城的地理位置和条件，结合江北城用水需求，提出天然河床渗滤+人工河床渗滤+直取水的联合取水方式，并采用不同工况联合方式满足不同季节时不同用水量的需求，同时还给各取水构筑物预留了维修保养工期。这种联合取水方式与单独一种取水方式相比，取水工程一直处于“高效段”运行，其具有明显的技术优势且效果显著。

5 结语

与传统取水方式相比，联合取水方式还具有无通航及行洪影响、维护管理方便、环保等特点。从江北城已投产运行一年多的效果来看，更体现了上述优点，因此，该种方式在沿江、河的区域取水设施建设方面，有着很好的推广应用前景。

参考文献：

［1］吴君华.渗滤取水技术在海水源热泵系统中的应用研究［D］.天津：天津大学，2009.

［2］王勇，肖益民，陈金华，等. 开式地表水地源热泵取排水方式研究［J］.暖通空调，2008，38（10）：124-127.

［3］胡兴义.辐射式渗滤井取水工程［J］. 四川电力技术，2001（4）：31-32.

［4］戴陈.渗滤取水（渗流井、辐射井）技术在铁路给水的应用［J］.成铁科技，2005（4）：39-42.

［5］陈永红，姜应和.河床渗井取水及供水设计一例［J］.中国农村水利水电，2006（6）：29-33.

［6］陈永红，袁志宇，等. 渗滤取水技术在浠水县南城水厂的应用［J］.中国农村水利水电，2008（6）：23-28.

［7］李晓. 利用天然河床渗滤取水的新技术［J］. 中国给水排水，2003，19（6）：74-76.

［作者简介］左智敏（1978—），女（汉族），湖北武汉人，工程师，主要从事市政给排水设计研究工作。