利用城市再生水水源熱泵技術(shù)研究

肖傳山 潘紅霞

1.商丘市環(huán)境監(jiān)察支隊，河南商丘 476000

2.康達(dá)環(huán)保（商丘）水務(wù)有限公司，河南商丘 476000

利用城市再生水水源熱泵技術(shù)研究

肖傳山1潘紅霞2

1.商丘市環(huán)境監(jiān)察支隊，河南商丘 476000

2.康達(dá)環(huán)保（商丘）水務(wù)有限公司，河南商丘 476000

隨著城市的快速發(fā)展，目前熱電廠和熱力公司供熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)有和可能發(fā)展的供熱需要，行政機關(guān)及居民小區(qū)的供暖需求與實際供暖能力之間的矛盾將越來越突出。根據(jù)一些城市的成功經(jīng)驗和對專業(yè)知識的研究，可以充分利用污水處理廠排放的次中水，運用水源熱泵技術(shù)解決開發(fā)區(qū)和正在建設(shè)中的新區(qū)起步區(qū)的供熱問題。

1.水源熱泵技術(shù)的工作原理

水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽能和地?zé)崮芏纬傻牡臀粺崮苜Y源，并采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。

水源熱泵機組工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，而冬季，則從水源中提取能量，由熱泵原理通過空氣或水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中。通常水源熱泵消耗1KW的能量，用戶可以得到4KW以上的熱量或冷量。

水源熱泵根據(jù)對水源利用方式的不同，可以分為閉式系統(tǒng)和開式系統(tǒng)兩種。閉式系統(tǒng)是指在水側(cè)為一組閉式特循環(huán)的換熱套管，該組套管一般水平或垂直埋于地下或湖水海水中，通過與地壤或海水換熱來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。

2.常用水源熱泵系統(tǒng)

水源熱泵又稱地源熱泵，其中央空調(diào)系統(tǒng)是以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩?，由水源熱泵機組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)。其工作原理是：冬季，熱泵機組從地源（淺層水體或巖土體）中吸收熱量，向建筑物供暖；夏季，熱泵機組從室內(nèi)吸收熱量并轉(zhuǎn)移釋放到地源中，實現(xiàn)建筑物空調(diào)制冷。根據(jù)地?zé)峤粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地下水地源熱泵系統(tǒng)、地表水地源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

2.1 地下水源開式系統(tǒng)

地下水熱泵系統(tǒng)，也就是通常所說的深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)。通過建造抽水井群將地下水抽出，通過二次換熱或直接送至水源熱泵機組，經(jīng)提取熱量或釋放熱量后，由回灌井群灌回地下。地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用條件：

2.1.1 建筑項目附近地下水資源豐富，并便于實施供回水工程。

2.1.2 地方政策允許利用地下水。

2.1.3 地下水溫適度，水質(zhì)適宜，供水穩(wěn)定，回灌順暢。

2.2 地表水源開式系統(tǒng)（利用次中水、中水）

地表水熱泵系統(tǒng)是通過直接抽取或者間接換熱的方式，利用包括江水、河水、湖水、水庫水及海水等等作為熱泵的冷熱源。地表水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用條件是建筑項目附近有豐富的地表水及水量充足，水溫適宜，水質(zhì)經(jīng)簡單處理能達(dá)到使用要求。

2.3 閉式水源系統(tǒng)

閉式水源系統(tǒng)是把熱交換器埋于地下，通過水在由高強度塑料管組成的封閉環(huán)路中循環(huán)流動，實現(xiàn)與大地土壤進行冷熱交換的目的。地下埋管換熱器主要有水平埋管和垂直埋管兩種形式。選擇哪種形式取決于現(xiàn)場可用地表面積、當(dāng)?shù)貛r土類型以及鉆孔費用。盡管水平埋管通常是淺層埋管，可采用人工開挖，初投資比垂直埋管小些，但它的換熱性能比豎埋管小很多，并且往往受可利用土地面積的限制，所以在實際工程應(yīng)用中，一般都采用垂直埋管。

3.機組類型

3.1 螺桿式

因其關(guān)鍵部件（壓縮機）采用螺桿式故名螺桿式冷水機，機組由蒸發(fā)器出來的狀態(tài)為氣體的冷媒；經(jīng)壓縮機絕熱壓縮以后，變成高溫高壓狀態(tài)。被壓縮后的氣體冷媒，在冷凝器中，等壓冷卻冷凝，經(jīng)冷凝后變化成液態(tài)冷媒，再經(jīng)節(jié)流閥膨脹到低壓，變成氣液混合物。其中低溫低壓下的液態(tài)冷媒，在蒸發(fā)器中吸收被冷物質(zhì)的熱量，重新變成氣態(tài)冷媒。氣態(tài)冷媒經(jīng)管道重新進入壓縮機，開始新的循環(huán)，既冷凍循環(huán)的四個過程。

3.2 離心式

因其關(guān)鍵部件（壓縮機）采用離心式故名離心式冷水機組，工作原理與螺桿式機組相同。制冷能力大，工作效率更高；結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕體積??；無磨損部件且工作可靠；運行平穩(wěn)振動小，噪音低；運行時，制冷劑中不混有潤滑油且雙器換熱效率高。目前還沒有實現(xiàn)國產(chǎn)化。

3.3 其他機型

活塞式、渦旋式，在水源熱泵中使用較少。少數(shù)能量需求小的小型建筑水源熱泵采用渦旋式機組。

4.水源熱泵使用受限條件

4.1 開式系統(tǒng)

4.1.1 可利用的水源條件限制

開式系統(tǒng)（使用地下水或地表）應(yīng)用，關(guān)鍵在于能否尋找到合適的水源成為使用水源熱泵的限制條件，較差的水質(zhì)不能讓機組正常運行，甚至損傷機組。地表水源通常全年溫度變化區(qū)間太大不利于熱泵機組的高效使用，甚至使機組不能正常開啟。因此對開式系統(tǒng)，水源要求必須滿足一定的溫度、水量和清潔度。

4.1.2 水層的地理結(jié)構(gòu)的限制

對于從地下抽水回灌的使用，必須考慮到使用地的地質(zhì)的結(jié)構(gòu)，確?？梢栽诮?jīng)濟條件下打井找到合適的水源，同時還應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)和土壤的條件，保證用后回水的回灌可以實現(xiàn)。目前地下水的回灌技術(shù)不完善，回灌不利將造成大量地下水資源的浪費并對局部地質(zhì)環(huán)境造成破壞，甚至可能對建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造成破壞（如商丘市區(qū)屬于沙質(zhì)地層結(jié)構(gòu)，地下水的回灌問題無法很好地解決，為了防止地面下沉，不宜使用這種技術(shù)）。

4.2 閉式系統(tǒng)

4.2.1 巖土熱物性勘探不確定風(fēng)險

地源熱泵系統(tǒng)的性能好壞與當(dāng)?shù)赝寥罒崽匦悦芮邢嚓P(guān)，地?zé)嵩吹淖罴验g隔和深度取決于當(dāng)?shù)赝寥赖臒嵛镄院蜌夂驐l件。土壤的熱特性研究主要包括土壤的能量平衡、熱工性能、土壤中的傳熱與傳濕以及環(huán)境對土壤熱物性的影響等。

4.2.2 換熱器傳熱理論與實際不符合

地下?lián)Q熱器傳熱機的理論研究繁多，但缺乏理論與實際的有效結(jié)合，缺乏多環(huán)境下應(yīng)用技術(shù)的系統(tǒng)研究以及實際有效的強化傳熱方法。

4.2.3 投資成本高

目前國內(nèi)水地源熱泵項目多為10萬平方米以上大型建綜合性社區(qū)，需要足夠的空間且埋管量非常大。埋管成本占總成本的50%，大大提高了先期投資成本。

5.利用替代水源供熱的可行性分析

內(nèi)陸平原城市，地下水資源寶貴，地表水資源匱乏且受區(qū)域性及地下水開采受到限制。因此，根據(jù)目前各市已具備污水處理能力的實際情況，利用污水（中水）充當(dāng)?shù)叵滤?、地表水、地埋管的替代品，實施水源熱泵供熱完全可行。在減少投資的同時，可有效保護自然水資源并且具有普遍性。

5.1 利用污水（如沈陽市）

污水源熱泵，主要是以城市污水做為提取和儲存能量的冷熱源，借助熱泵機組系統(tǒng)內(nèi)部制冷劑的物態(tài)循環(huán)變化，消耗少量的電能，從而達(dá)到制冷制暖效果的一種創(chuàng)新技術(shù)。與其他熱源相比，污水源熱泵的技術(shù)關(guān)鍵和難點在于防堵塞、防污染、防腐蝕。

一種是利用防堵機技術(shù)把污水過濾后直接進入熱泵機組，此種是對污水的直接利用，污水直接利用，進入熱泵機組的熱源溫度較高，系統(tǒng)能效比較高；但是在實際應(yīng)用中，防堵機和污水熱泵需要經(jīng)常清洗，防堵機和熱泵機組都為電氣機械產(chǎn)品，經(jīng)常堵塞、腐蝕等問題，使得的系統(tǒng)運行壽命降低，且清洗時，系統(tǒng)不能運行。如果使用鈦合金換熱器則大大降低能耗，且機組成本提高50%以上。

另一種污水的利用方式是，污水經(jīng)過離心污水換熱器，間接利用，離心污水換熱器不存在堵塞及腐蝕且清洗周期較長，由于間接利用，中介質(zhì)水為軟化水，進入熱泵機組，不影響機組的壽命，清洗周期較長。

5.2 利用中水（優(yōu)質(zhì)節(jié)省高效，多數(shù)城市正在使用）

城市污水處理廠的功能是凈化城市生活污水和工業(yè)廢水，凈化后的水稱為次中水，再進行凈化處理的水稱為中水。根據(jù)中水的質(zhì)量，可用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、園林綠化、景觀用水或排入水體。北方多個城市平均數(shù)據(jù)顯示，冬季中水溫度為10℃～20℃，夏季中水溫度為18℃～26℃。將城市污水處理系統(tǒng)與水源熱泵相結(jié)合的中水水源熱泵，是一種理想的城市污水綜合利用方法。根據(jù)國家污水處理二級標(biāo)準(zhǔn)，二級污水可到達(dá)無有機懸浮物，酸堿度不會對換熱器內(nèi)銅管造成腐蝕，長年溫度變化區(qū)間小，水量充足。使用過程中不用考慮回灌問題，不會對生態(tài)環(huán)境造成破壞。

水源熱泵機組可利用的水體溫度冬季為10℃～22℃，而一般城市污水處理廠所產(chǎn)出二級污水溫度平均值在10℃～20℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。而夏季水體溫度為18℃～35℃，城市污水處理廠所產(chǎn)出二級污水溫度平均值在18℃～26℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風(fēng)冷式和冷卻塔式，從而提高機組運行效率。水源熱泵消耗1kW.h的電量，用戶可以得到4.3kW.h～5.0kW.h的熱量或5.4kW.h～6.2kW.h的冷量。與空氣源熱泵相比，其運行效率要高出20%～60%，運行費用僅為普通中央空調(diào)的40%～60%。

以中水或城市二級污水為冷熱源，向其放出熱量或吸收熱量，水源經(jīng)過機組換熱后可繼續(xù)被用于工業(yè)冷卻，澆灌、洗滌等用途。同時可以避免使用地下水或埋管式冷熱源系統(tǒng)所存在的一系列問題。

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，中水源熱泵供熱技術(shù)有著諸多優(yōu)勢，但也受到一定限制。由于該技術(shù)需要以再生水為水源，長距離調(diào)水不僅提高了建設(shè)成本，還會使水溫變低，降低熱能的有效利用率。

6.使用中水源熱泵的優(yōu)勢

6.1 環(huán)保

中水源熱泵是利用了污水源水作為冷熱源，進行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。供熱時省去了燃煤、燃?xì)狻⑷加偷儒仩t房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，減少溫室氣體CO2和其它大氣污染物的排放；供冷時省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音及真菌污染，不產(chǎn)生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵。并且減少了生活污水的排放量，減輕了市政污水處理的壓力，使環(huán)境更優(yōu)美。

6.2 節(jié)能

中水源熱泵機組可利用的二級污水溫度冬季為11℃～15℃，溫度比環(huán)境空氣溫度高，是較好的低溫?zé)嵩?；夏季二級污水溫度?7℃-21℃，溫度比環(huán)境空氣溫度低，是較好的散熱體。這種溫度特性使得中水熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運行效率要高20%。同時將生活廢水在換熱過程中進行凈化處理，使水資源得到了循環(huán)再利用，提高了水資源的利用率。

6.3 節(jié)資

熱泵系統(tǒng)還可以集采暖、空調(diào)制冷和提供生活熱水于一身?！谉岜孟到y(tǒng)可以替換原有的供熱鍋爐、制冷空調(diào)和生活熱水加熱的三套裝置或系統(tǒng)。由于中水源熱泵所使用的是相對于一般污水來說,有無雜質(zhì)，污染程度遠(yuǎn)小于一般污水的特點，所以整個系統(tǒng)對熱泵換熱設(shè)備的技術(shù)要求要低很多，從而大大減少先期投資成本。

6.4 穩(wěn)定

中水的溫度相對穩(wěn)定，其波動的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動。是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，中水溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。

7.使用中水源熱泵的實際問題及解決方法

7.1 先期投資成本

利用中水水源熱泵供熱和現(xiàn)行熱電供熱相比，管線建設(shè)投資部分相同；僅從供熱方面講，水源熱泵機組和熱電供熱換熱站建設(shè)投資相比較，水源熱泵機組投資略高，但其運行成本僅為熱電供熱成本的二分之一，這部分投資完全可從較低的運行成本中回收。從夏季制冷及中水可綜合利用方面上講，在總投資及運行成本、環(huán)境保護及解決現(xiàn)行供熱能力嚴(yán)重不足等方面綜合分析，利用中水水源熱泵供熱有著明顯的優(yōu)勢。

7.2 水流流量及溫度

污水處理廠出水口水溫一般為10℃～20℃，完全可以滿足水源熱泵對水源冬季溫度為10℃～22℃，夏季水溫為18℃～26℃的要求。

7.3 對中水水質(zhì)的要求

無有機懸浮物，酸堿度不會對換熱器內(nèi)銅管造成腐蝕。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.007

肖傳山，1974年1月，男，漢族，河南商丘，商丘市環(huán)境監(jiān)察支隊，環(huán)保工程師，大學(xué)本科，能源與環(huán)保技術(shù)研究；

潘紅霞，1975年6月，女，漢族，河南商丘，康達(dá)環(huán)保（商丘）水務(wù)有限公司，環(huán)保工程師，大學(xué)本科，污水處理技術(shù)及其利用。

再生水； 熱泵技術(shù)；可行性； 分析