李炯 方吉

浙江省城乡规划设计研究院

地表水地源热泵利用浅层地热能资源，将地表水水体作为低位冷热源，对建筑物进行供热和供冷，可有效利用可再生能源，具有良好的节能与环境效益。地表水地源热泵取（排）水设计不仅制约着整个空调系统的组成，运行能耗和造价等，同时还对周围环境和景观造成影响。地表水地源热泵与常规热泵最大的区别在于地表水侧，地表水主要水文地质参数决定了地表水地源热泵的适应性。地表水主要水文地质参数为水体的水容量，水体的温度和水体的水质[1]。

1 千岛湖水文地质参数及地表水地源热泵的适应性

1.1 水文气象

新安江水库（又名千岛湖）是华东地区的一座特大型水库，兼有发电、防洪、旅游、养殖、航运、饮用水源及工农业用水等多种功能，更是钱塘江水源涵养区[2]。水库设计正常最高水位为108.0 m（坝前水位，黄海高程，下同），其相应库容为178.4 亿m3。最低水位（历史枯水期水面）为85.0 m，水库正常运行以来，水位保持在90 m 以上。水库一般年份水位变化幅度16 m，一天最大水位变化为1.3 m[3]。千岛湖水温随深度发生变化，多年平均水温15.8 ℃（12.9～19.9 ℃）[4]。以7～8 月份变化最显著，1 月份水温变化不显著，变化规律基本符合理想水体四季水体温度随深度的变化规律。水深约30 m 至湖底为滞温层，水温常年保持在10 ℃左右。

1.2 水质

千岛湖基本上可达无色透明（汛期除外），大部分水域可达Ⅲ类标准及以上。某试验项目附近的实测水质情况见表1[5]。

表1 某试验项目附近水质检测值

1.3 水文地质

千岛湖景区地形为四周高，中间低，由西向东倾斜，山水相间，湖中面积2.5 km2以上岛屿有1078 个。地貌以低山丘陵为主，低平地区海拔在110 m 左右，海拔108 m 以下为水域。自上而下为高透水性强风化细砂岩，弱透水性中风化细砂岩及不透水性微风化细砂岩[4]。岛屿周边湖岸陡峭，湖岸线曲折。

1.4 适应性与挑战

根据千岛湖水体的水文地质参数特点，千岛湖作为地表水地源热泵系统的低位冷热源是可行的、值得提倡的。因水体中含沙量和Cl-含量超标，需经过处理后使用。地表水地源热泵系统设计方案前，建议对项目周围水域做水文地质参数相关试验，根据试验结果进行设计。

千岛湖景区是长江三角洲地区著名的风景名胜区（国家5A 级），同时是长三角的战略水源地，其饮用水功能变得越来越突出。根据对于千岛湖景区战略定位，对于景区内项目开发提出了更高的要求。既要充分挖掘开发潜力，又要保护好绿水青山，开发与保护两手抓。

2 千岛湖地区工程案例

2.1 工程概况

千岛湖伯瑞特度假酒店（5 星级）位于千岛湖景区港口路，酒店用地为一个天然半岛，分为多个建筑组团，其中相对位置比较集中的A 区（会议餐饮楼）、B区（桑拿健身楼）和C 区（客房楼）冷热源采用地表水地源热泵机组。A 区（会议餐饮楼）、B 区（桑拿健身楼）和C 区（客房楼）总建筑面积约25663 m2，空调冷负荷2667 kW，空调热负荷1797 kW，卫生热水负荷800 kW。

2.2 冷热源系统及多种工况运行模式

本案共设置水源热泵机组4 组，其中两台标准型水源热泵机组额定制冷（热）量为987（1076）kW，两台双冷凝器高温全热回收水源热泵机组额定制冷（热）量为538（514）kW。整个系统主要分3 部分组成：取（回）水系统，水源热泵机组（板式换热器）和空调（卫生热水）用户端。根据业主方需求和本案周边水域水文地质条件，该项目在常规地表水地源热泵系统的基础上，增设湖水直供运行工况。冷热源系统原理图如图1所示。

图1 冷热源系统原理图

本案冷热源系统共有四种运行工况：夏季制冷，冬季供暖，过渡季节和湖水直供，不同运行工况的转换通过阀门的启闭进行设置。水源热泵机组开启台数根据负荷大小变化调整，运行工况转换时，应先把开启的阀门关闭再打开应开启的阀门。夏季制冷和冬季供暖两种工况为常规地表水地源热泵系统运行工况，此处不再赘述。

本案地处夏热冬冷地区，根据酒店运行要求，酒店房间在使用的情况下，酒店房间内空调均需达到标准要求。在每年的春、秋过渡季（狭义），空调冷负荷较小，为满足卫生热水需求，需开启双冷凝器高温全热回收水源热泵机组（简称1，下同）和标准型水源热泵机组（简称2，下同）各1 台，1 用于制卫生热水，2 用于空调制冷。当取（回）水系统满足湖水直供条件，且湖水直供工况可以满足空调用户端要求，优先采用湖水直供工况。

2.3 取排水系统设计

根据千岛湖水文地质条件，水体的水质较好，系统采用直接取水方式，地表水直接进入主机。距湖底3～5 m 处设潜艇悬浮式取水口装置，在85 m（黄海高程，下同）附近设潜水式取水装置（专业设计生产内置进口不锈钢深井泵），在108 m 附近设设备维保检修井，在118 m 处设变频调速电动牵引机（用于取水装置维保检修作业）。取水系统共设置5 路取水分系统（多路多泵），4 用1 备，每路取水量95 m3/h。夏季取水口设计水温为10.5～11.5 ℃，冬季取水口设计水温为10～11 ℃（酷寒8～10 ℃）。取水系统原理图如图2 所示。

图2 取水系统原理图

为保证系统稳定安全运行，保证空调水质，延长设备使用寿命，取水系统设置湖水净化系统。湖水净化系统由三部分组成：

1）取水口的初效过滤：取水口设置二级过滤装置，第一级进水口采用φ5mm-304 不锈钢多孔板过滤芯，第二级初级过滤为φ3mm-304 不锈钢多孔板过滤芯，装置每年只需由反冲洗系统进行清理一次，五年打捞维保一次，打捞作业轻松简便。

2）旋流去砂：湖水进入主机或板式换热器前设旋流除砂器，将砂粒从湖水中分离出来。

3）中效过滤装置：将经过初效过滤和去砂的湖水进一步过滤和去砂，第一级为20 目不锈钢多孔板过滤器，第二级为30 目不锈钢多孔板过滤器，第三级为40目不锈钢多孔板过滤器，装置每年维保两次（制冷、制热工况运行开机前各一次）。

本项目为旅游景区度假酒店，旅游淡季和旺季明显，空调用户使用情况变化较大。取水系统设置为变频变流量自动取水供水系统，可自动采集系统用户（或满足主机运行最少需要条件）的温度、水流、压力、流量的参数信号，自动变频改变水泵开启数量和水泵的出量，达到按需输出。智能化变频技术，在其自动调整的过程中，按气候季节变化和气温变化及用户使用量变化而变化，水泵电机节电率达25%～70%。变频设备具有“软启动”功能（（即水泵电机转速从0 慢慢地加快），减少电机起动时对设备的冲激损坏，从而使水泵叶片、单向阀、管路系统承受的应力大为减小，减轻轴承的磨损，延长设备的工作寿命。

千岛湖旅游度假区管委会在项目启动前期委托我院进行了场地规划条件研究。在规划条件研究中，提出了两个重要原则：原则一是保护半岛北面和西面的旅游航线，保证航线段视线的静谧不受干扰。原则二是对半岛生态景观和自然地形的保护。根据主管部门要求和规划条件，建筑专业对整个岛屿地块做了整体科学布置，本案总平面布置图如图3 所示。

图3 本案总平面布置图

结合项目湖岸陡峭，湖岸线曲折的现状特点，取水点设置在喇叭口处，排水点就近排至湖水水体上部，取（排）水点位置示意图如图4 所示。取（排）水系统装置均不露出湖面和岛屿自然景观，对项目周边生态环境和景观不造成影响。取水口和排水口在水平距离约220 m，竖向距离约30 m，排水口不会对取水口造成影响。取水装置和系统维保检修平台位于C 区（客房楼）附近，冷冻机房位于C 区（客房楼）最底层。

图4 取（排）水点位置示意图

2.4 运行效果

该项目2017 年4 月酒店正式开业，运行至今3 年多，项目整体运行安全可靠，可满足客户需求，受到业主高度肯定。经酒店运营工程部反馈，相关运行情况主要有如下三点。

1）每年空调运行周期为：每年2～5 月份空调停止使用，5～11 月份空调制冷，11～次年2 月份空调制热。空调停运期间，根据客户需求，可开启房间内空调末端来实现室内空气的循环，同时向房间送新风，即可满足客户舒适性需求。

2）2018～2020 年房间制冷期间，一直运行湖水直供工况。冷负荷大且每天使用率不高的空调房间（比如A 楼大型宴会厅），当这些房间需要使用时，空调冷负荷会“突增”，会存在湖水直供工况不满足需求而需要开启夏季制冷工况（冷冻机组开启）的可能。为解决该问题，需将以上房间的空调在房间投入使用之前提前4 小时打开运行，即可满足客户需求。

3）在满足卫生热水需求的前提下，冬季供暖可满足客户需求。

3 结论

该项目2012 年3 月首次施工图完成，2014 年9月机电深化设计完成，设计师全程参与，针对具体问题做到持续优化，对设计效果的保证起到有力的技术支撑。

该项目取排水系统设计具有示范作用，运行可靠、维保方便，不仅可充分发挥地表水水源热泵系统节能潜力，而且可以做到对项目周边生态环境和景观不造成影响，具有可推广性。

湖水直供工况是地表水水源热泵系统最理想的运行工况，实现免费供冷，湖水直供运行工况与夏季制冷工况相比可节约耗电80%以上，大幅降低运行费用。同时还减少系统向水体的排热量，进一步降低对水体生态的影响。

综上所述，取排水系统设计是地表水水源热泵系统节能运行的前提。在有较大天然湖泊的条件下，可充分利用天然冷源，值得推广和深入研究。