闽江水水源热泵系统取水设计

2018-11-14齐欣

福建建筑 2018年10期

关键词：闽江泵房江水

齐欣

(福建省建筑设计研究院有限公司福建福州 350001)

0 引言

水源热泵作为一种可再生能源利用技术，具有高效、节能、环保等特点，近年来得到了较为广泛的应用。水源热泵，主要有地表水水源热泵、地下水水源热泵、污水水源热泵等几种型式，其中地表水源热泵一般使用江、河、湖、海的地表水资源作为热泵机组的冷热源。

福州地处南方，属于典型的夏热冬暖地区，河流蜿蜒密布，地表水资源十分丰富，可充分利用作为地表水水源热泵机组的冷热源。其中，闽江作为福州地区主要干流，具有水量大、水质较好等特点，适用周边用户采用水源热泵作为热源[1]。

本文以闽江边某江水源热泵项目为例，通过不同方案比选确定取水系统方案，并对取水系统中各工艺设计进行简要分析，为今后的设计提供一些借鉴。

1 工程概况

1.1 建筑规模与性质

该工程位于福州市仓山区南江滨路，闽江南岸，紧邻鼓山大桥，总建筑面积336 576m2，建筑用地面积75 300m2。整个办公区由8栋办公楼(3组建筑群组成，分别为中央主建筑群、东侧建筑群和西侧建筑群组成)和1栋附属楼组成，呈矩形布局。主楼地下2层，地下二层为停车场(战时为人防工程)，地下一层为停车场，设备用房(含3个冷库机房、配电房等)，地上12～19层。具体项目总平面图如图1所示。

图1 项目所在位置图

1.2 空调冷热源

根据空调负荷计算结果，总冷量为7500RT,热负荷为2500RT，冷冻机房的机组配置采用二大二小的方式来布置，即两台1250RT的热泵机组和两台2500RT的单冷机组，冷冻机房集中设置在暖通冷冻机房内。

根据空调系统的要求，江水源热泵系统的冷却水量为4400m3/h，且考虑与冷冻机组的配比关系，取水泵组采用7台同规格水泵(六用一备)。

1.3 取水水源

闽江是福建省第一大河，自西北向东南流经福州，境内长150km，流域面积8000km2[2],年平均径流量629亿m3[3]。

闽江水温变动在6～33℃，常年平均水温为19～23℃，略高于福州年平均气温19.6℃；春季为10～24℃、夏季20～30℃、秋季13～29℃、冬季6～16℃。福州河流水温在春、夏季升温阶段，水温低于气温；秋、冬降温阶段，水温高于当地气温。

根据工程所在位置处，闽江水相关的水质检测数据与水源热泵机组水质要求比较(表1)，闽江江水水质良好，除浊度和含砂量不能满足水源热泵机组要求外，其他离子浓度均低于水源热泵机组水质要求。

因此，当采用闽江水作为水源热泵冷热源时，仅需对浊度和含砂量进行处理，处理效果需满足水源热泵机组水质要求。

表1 闽江水水质与水源热泵机组水质允许值表

2 取水方案选择

该工程位于闽江南岸，闽江江面为主航道，周边沿防洪堤修建景观江滨公园。结合现状地质、周边环境情况，选择合适的取水方式[4]。根据勘察报告，闽江河床地质多为淤泥层和砂层，该工程不适合采用渗滤取水方式。考虑周边环境需修建景观公园及航道的影响，该工程也不适合采用浮船式取水方式，因此，结合该工程的实际情况，最终确定采取直接取水方式。但由于闽江水水质不能时刻保证该工程的水质要求，需对闽江江水进行水处理。根据闽江水相关水质报告以及水源热泵机组要求，结合取水方式最终确定两种备选方案进行比较。

2.1 方案一

以闽江江水为水源，设置取水头部取水，江水通过自流管引入设置在河岸边的潜水泵取水泵房，再逐步经过自清洗过滤器和叠片式过滤器的过滤处理，经过滤处理后的江水供热泵系统使用。该方案工艺流程如图2所示。

图2 方案一工艺流程图

方案一取水头部设置粗格栅，用于拦截河道中大的漂浮物，防止取水口堵塞；取水泵房采用淹没式泵房，不影响周边景观，将潜水泵直接放入泵房内抽水，泵房内设置细格栅，用于拦截取水头部未拦截到的漂浮物以及鱼虾等；自清洗过滤器和叠片式过滤器等水处理设备设置于项目建筑的水处理间内，进一步对江水进行过滤处理，以达到水源热泵机组水质要求。

2.2 方案二

以闽江江水为水源，设置取水头部取水，江水通过自流管引入设置于河岸边的干式取水泵房，再经过絮凝-沉淀的常规水处理方式对江水进行处理，经处理后的江水经二次泵输送至热泵系统。该方案工艺流程如图3所示。

图3 方案二工艺流程图

方案二取水头部设置同方案一；岸边设置地下式方形取水泵房，采用吸水井和泵房间合建的方式，泵房采用干式泵房，布置离心泵组抽水，泵房间上部设置检修间及配电间。絮凝沉淀池布置与项目地块内，并配套相应水处理构筑物。

2.3 方案比较

表2 方案技术经济比较

由表2可知，方案一较方案二施工难度小，施工周期短，对周边污染较小，维护管理工作少，占地面积小，但对于出现极端水质情况时，需要进行应急处理；方案二适用更多种的水质情况，干式泵房使用时安全性更高，维护管理方便，但施工难度大，施工周期长，占地面积大。

考虑闽江江滨是寸土寸金地段，尽量减少占地面积，同时满足热泵机组用水要求下，经两个方案的综合比较分析，该项目推荐采用方案一。

3 取水系统设计

3.1 取水头部及取水管设计

取水头部由钢制垂直向下式喇叭管、拦污栅和管道支架组成，如图4所示。拦污栅采用Φ12钢筋焊接成50×50的钢制格网，设置于取水喇叭管的四周及顶部，便于拦截水中大颗粒杂质。

取水头部位设于闽江南岸，距离取水泵房165m处。根据相关水位资料确定，其所处闽江水平均水位为2.0m～6.0m，97%保证率时枯水位为-0.40m，平均低潮水位为1.40m，平均高潮水位为7.40m，百年一遇洪水位为7.40m，确定取水头部标高为-1.46m。

该江水源热泵系统所需冷却水量为4400m3/h，经计算，采用两根DN900自流管时，单根自流管流速为0.9m/s；当一根管事故时，另一根管可承担全部的取水量，流速为1.92m/s。为减少对周边景观的影响，依据该工程地质勘察报告，取水管线位置大多处于淤泥层，考虑利用取水泵房作为工作井的方式，取水自流管采用顶管施工，管材选用钢管。

3.2 取水泵房

取水泵房设置在闽江南岸的滩涂上，为了减少对江滨公园的影响，采用淹没式泵房设计，集水间与泵房合建，以节省占地。泵站最大取水规模为 4400m3/h，根据水源热泵系统的要求，泵房配置7台潜水泵，六用一备，单台水泵流量为734m3/h，均为变频。

(1)泵房的平面布置

取水泵房采用矩形形式，主要布置7台潜水泵以及利用泵房内设置的格网对江水进行过滤。

泵房利用十字墙体将其分隔成四格水池，取水自流管将江水引入前池，通过设置于前池和吸水池连通口两侧的格网进行过滤后，由设置于吸水池的潜水泵将江水送入水处理间。

取水泵房设计长度为13.2m，宽度为9.8m。分为四格的泵房，单格前池长度为6.2m，宽度为3m；单格吸水池长度为6.2m，宽度6.2m。两根取水管分别接入两格前池，前池之间通过墙体上1m×1m的孔洞连通;前池与吸水池之间通过墙体上1.5m×1.5m的孔洞连通,该孔洞两侧分别设置1.7m×1.7m的格网，用于过滤江水中的细小物质。7台潜水泵分3台和4台平行、均匀地分别布置于两格吸水池内。取水泵房平面布置如图5所示。

图5 取水泵房平面图

(2)泵房的高程布置

闽江枯水位为-0.40m，取水管管底标高-2.10m，考虑取水泵房需作为取水自流管顶管施工时工作井，取水泵房底标高为-4.10m。闽江百年一遇洪水位为7.40m，平均高潮水位为6.00m，为减少泵房构筑物对周边景观的影响，采用淹没式泵房，结合周边景观高度，确定泵房顶标高为6.60m。

取水泵房较大，深度较深，根据勘察报告地质情况，采用沉井施工，结构稳定性好，挖土量少，对周边的影响小。

3.3 水处理间设计

水处理间设置于主楼地下一层，为保证取水泵房提升的江水满足热泵机组水质要求，设计采用江水先经自清洗过滤器处理再经过叠片式过滤器过滤的方式，以保证出水水质达到要求。

水处理系统采用两组自清洗过滤器并联运行，单组自清洗过滤器过滤水量为3185m3/h，过滤精度采用150μm，对于颗粒粒径≥150μm，其去除率达到99%。

自清洗过滤器出水后经过10组并联运行的叠片式过滤器过滤，叠片式过滤器精度采用130μm，对于颗粒粒径≥130μm，其去除率达到90%以上。叠片式过滤器采用外源反洗模式，反冲洗用水采用由热泵机组热交换后江水，冲洗后废水就近排入建筑雨水系统。

3.4 冲洗系统

该工程冲洗系统，主要包括取水管冲洗和泵房清淤。

由于热泵机组有时出现停运或取水量较少的情况，取水自流管流速降低，泥沙淤积于管底，造成管道堵塞等问题，需设置取水管冲洗管，所以，该工程采用自泵房出水管处接冲洗管至取水管。当取水管需清洗时，关闭需清洗取水管对应的阀门，同时开启冲洗管阀门及 7台水泵对取水管进行冲。取水管冲洗应单根冲洗，冲洗频率可根据系统运行情况调整。

由于淹没式取水泵房泥沙易淤积，长期未清淤易造成泥沙板结等问题，因此，设置一套泵房清淤系统，便于日后维护管理。

泵房清淤系统，是利用取水泵将江水加压输送至铺设于泵房底部的冲洗管对泵房进行冲洗；冲洗后的水，由安装于泵房集水坑内潜水排污泵排至退水管处。冲洗管采用HDPE塑料给水管，冲洗管上开设φ15孔洞，冲洗管开孔如图6所示。泵房应分格清淤，于江水源热泵系统使用量少的工况下进行，清淤频率可根据系统运行情况调整。