關(guān)于套管式城市自來水水源熱泵的可行性分析

吳恭英　趙勇

摘 要 分析了套管式污水源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)上構(gòu)想出套管式城市自來水水源熱泵系統(tǒng)。綜合分析自來水水源熱泵在實際工程應(yīng)用中所需水質(zhì)、水溫、水量、所能承載的負荷等條件。本文還對套管式自來水水源熱泵的優(yōu)劣勢進行分析，并與常見的幾種熱泵形式進行優(yōu)劣勢對比。分析結(jié)果表明套管式城市自來水水源熱泵在實際工程應(yīng)用中是可行的。

關(guān)鍵詞 套管式 城市自來水 熱泵

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A

隨著我國工業(yè)建筑與民用建筑總量和類型逐年上升，建筑能耗占能源總消費量的比例已從上世紀七十年代末的10%，上升到27.45%，逐漸接近三成。根據(jù)中國建筑科學(xué)研究院建筑環(huán)境與節(jié)能研究院徐偉發(fā)表的文件顯示，為了創(chuàng)造舒適的室內(nèi)工作生活環(huán)境，對建筑進行的采暖、通氣、空氣調(diào)節(jié)及相關(guān)系統(tǒng)工程占到建筑總能耗的一半。這也就是意味著，暖通空調(diào)行業(yè)占社會總能耗的比例約為15%。在能源供求形勢日趨緊張的背景下，暖通空調(diào)行業(yè)的創(chuàng)新和技術(shù)進步不僅能有效促進建筑業(yè)的能效提高，而且對推進全社會節(jié)能減排具有重要的意義。我國從2006 年開始相繼推出《可再生能源法》、《綠色建筑行動方案》等法案，并在“十一五”、“十二五”、“十三五”規(guī)劃中將可再生能源發(fā)展作為節(jié)能工作的首要任務(wù)。

熱泵系統(tǒng)因地制宜，形式多樣，具有高效節(jié)能的特性，結(jié)合多種可再生能源，大大地改善了建筑能耗過高的現(xiàn)狀。可再生能源的應(yīng)用主要有太陽能、地?zé)崮堋⒔Ｋ醇拔鬯吹?。水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源中吸收的太陽能和地?zé)崮芏纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源，并采用熱泵原理，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。常見的水源有：地下水、河川水、海水、污水等。其中，套管式污水源熱泵發(fā)展迅猛，被應(yīng)用于諸多工程中，例如北京洋橋大廈等。

1套管式污水源熱泵介紹

（圖1）原生污水水質(zhì)極其惡劣，包含各種尺度懸浮固態(tài)物質(zhì)及溶解性化合物。其中大尺度污物會對流通斷面形成堵塞，微尺度污物會在換熱表面沉積、附著，形成污垢，降低傳熱效果，同時增大流動阻力。套管輸送換熱系統(tǒng)利用大管徑套管換熱法實現(xiàn)冷熱量的提?。海?）污水或地表水在大管徑套管中的內(nèi)管中高速、湍流流動，通過內(nèi)管壁面向大管徑套管中的熱載體傳遞能量；（2）熱載體在大管徑套管中的環(huán)空間內(nèi)流動，將內(nèi)管壁傳遞的能量輸送到熱泵機組的蒸發(fā)器或冷凝器，實現(xiàn)能源的利用。套管換熱法有效解決了換熱設(shè)備的阻塞問題。此種設(shè)計中污水與熱載體沒有直接接觸，安全可靠。

類比于套管式污水源熱泵系統(tǒng)，能否開發(fā)出套管式城市自來水水源熱泵系統(tǒng)呢？通過換熱設(shè)備只提取所需要的要能量，并保證兩種能量的載體之間沒有直接接觸，不對兩者的任意一方造成污染。比如利用換熱設(shè)備只對自來水進行熱量的轉(zhuǎn)移，并且保證設(shè)備安全可靠，不對自來水水質(zhì)產(chǎn)生較大的影響。除此之外，供水管道鋪設(shè)在地表以下，近似的可以認為是小型的土壤源熱泵系統(tǒng)。管網(wǎng)的自來水經(jīng)過套管式換熱器交換能量后在城市管網(wǎng)流動，與周圍的介質(zhì)發(fā)生能量傳遞，恢復(fù)到整體的平均水平。夏天把自身多余的熱量散發(fā)出來，降低溫度，冬天從周圍的環(huán)境吸收能量提升溫度，恢復(fù)到初始時的平均溫度。

2套管式城市自來水水源熱泵系統(tǒng)可行性分析

2.1城市自來水開發(fā)的法律規(guī)定分析

為了發(fā)展城市供水事業(yè)，保障城市生活、生產(chǎn)用水和其他各項建設(shè)用水，我國制定了《城市供水條例》。其中規(guī)定，實行有利于城市供水事業(yè)發(fā)展的政策，鼓勵城市供水科學(xué)技術(shù)研究，推廣先進技術(shù)。套管式換熱器是在城市供水管網(wǎng)的施工基礎(chǔ)上進行設(shè)計的，自來水與換熱介質(zhì)之間沒有接觸，僅僅有能量轉(zhuǎn)移，沒有構(gòu)成污染風(fēng)險?？梢娫诜蓪用嫔鲜强尚械?。

2.2開發(fā)水量基礎(chǔ)分析

城鄉(xiāng)建設(shè)廳為了切實加強全國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，下發(fā)了《關(guān)于加強城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的實施意見》，促進供水廠及供水管網(wǎng)改造和建設(shè)。到2015年，城市供水普及率普遍超過95%。根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，2015年10月中國自來水生產(chǎn)量產(chǎn)量為478026萬立方米，其中城市用水量占65%以上。以下是對大慶市24h內(nèi)城市供水分時段動態(tài)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。實驗組通過收集2005年8月14日至9月30日的時供水量數(shù)據(jù)，繪制大慶市時用水量變化曲線，以此為依據(jù)來劃分大慶市優(yōu)化調(diào)度的時段。下面列出大慶市典型日時用水量變化曲線。

根據(jù)上圖所提供的數(shù)據(jù)，將典型日24小時分為兩個時段，5：00～22：00為第一時段，是用水高峰階段；22：00～5：00為第二時段，是用水低峰階段。其中第一時段的供水量約占全天總供水量的74%，第二時段約占26%。類比于大慶市典型日時用水量變化特性，以濟南為例，根據(jù)濟南市城市計劃節(jié)約用水管理辦公室提供的資料，2015年最高日供水量80.6萬m3，日均74萬m3?？芍?，濟南市第一時間段17h內(nèi)供水量55萬m3，1h約供水3萬m3，能運載輸送的能量龐大，可待開發(fā)的潛力巨大。

2.3自來水水質(zhì)要求與溫度關(guān)系分析

從2007年7月1日起，由國家標準委和衛(wèi)生部聯(lián)合修訂出臺的《生活飲用水衛(wèi)生標準》正式實施。規(guī)定要求，常規(guī)檢驗項目42項，各地必須統(tǒng)一檢定；非常規(guī)檢驗項目64項，由各省級人民政府根據(jù)情況確定。然而各項指標中沒有提到對自來水水溫的要求。溫度升高主要是對自來水中的微生物生長和消毒殺菌所需時間有影響。根據(jù)王權(quán)老師的研究顯示，氯溶于水后迅速水解成的次氯酸。次氯酸分子體積小、不帶電荷，易于穿過細菌的細胞壁；除此之外，次氯酸是一種強氧化劑，容易損壞細菌的細胞膜，使內(nèi)部的蛋白質(zhì)、RNA、DNA等物質(zhì)釋出，并影響多種酶系統(tǒng)，從而使細菌死亡。在自來水的消毒殺菌過程中，自來水溫度升高使次氯酸更易于透過細胞壁，并加快它們與酶的化學(xué)反應(yīng)速度。因此，在加氯量相同的情況下，水溫高則殺菌快。當(dāng)改變供水溫度時，管網(wǎng)的水質(zhì)發(fā)生一定變化，其細菌的滋生情況也隨之發(fā)生改變。根據(jù)實驗驗證的結(jié)果，10℃工況與 20℃工況下的自來水水質(zhì)變化不大。在這個溫度段內(nèi)隨著溫度的升高濁度、TOC、 NH3-N、PH 和余氯的數(shù)值變化很?。ㄗ兓祪H為0.6），細菌總數(shù)變化微大，由20增加到48，但 30℃工況的細菌總數(shù)增加明顯，幾乎是10℃工況的兩倍，實驗的數(shù)據(jù)表明20℃～30℃有利于微生物滋生。

夏季，一般水溫較高，為了達到殺菌所需要的要求，往往增加氯量。依據(jù)供水規(guī)范，各工況下的水質(zhì)都符合安全用水衛(wèi)生標準，即自來水溫度從 10℃到 30℃變化時，都可被人們使用。套管式城市自來水水源熱泵對供水溫度引起的變化，不影響水質(zhì)，結(jié)果是可接受的。

由于城市供水管網(wǎng)中的水不斷湍流輸送，溫度梯度小。據(jù)統(tǒng)計，濟南黃河水廠夏季平均水溫為22.5℃，冬季水溫平均為3.7℃。自來水水源基本可以分為兩種，一種是地下水為水源，夏季水溫度較低，約為12～15℃；一種是采用地表水源，其溫度和環(huán)境溫度相似，約在23℃左右。通過自來水輸送能量，小范圍的提高或者降低自來水溫度是完全可行的。夏季若將自來水溫度控制在30℃，可以開發(fā)利用的溫差接近7℃。冬季可以開發(fā)利用的溫差控制在2℃，由于城市供水干管的流量大，管徑粗，根據(jù)Q=CM△T公式，可傳遞輸送的能量巨大。

2.4管材與管道施工可行性分析

供水管網(wǎng)中玻璃鋼管材被廣泛的應(yīng)用，約為50%；其次為球墨鑄鐵，約占25%；其次是 UPVC和PE。玻璃鋼管的基體是極其穩(wěn)定的高分子材料，其破壞壓力是按工作壓力的6倍設(shè)計的，可以確保50年使用壽命。自來水管道的施工技術(shù)包括施工測量、溝槽開挖、管道防腐與鋪設(shè)、砌筑檢查井、管道沖洗等。自來水管道防腐措施有外環(huán)氧煤瀝青、“四油二布”、“二底三面”等，在管道外壁，采用涂刷油漆、鍍鋅等防腐措施，防腐蝕效果非常理想。施工標準中規(guī)定，施工考慮到熱脹冷縮、打壓、荷載、耕種等多種因素，有關(guān)規(guī)定要求埋深70公分以下，安全可靠。管道施工留有一定空間，為套管式換熱器的安裝施工提供條件。

2.5套管式換熱系統(tǒng)的優(yōu)勢對比分析

套管輸送換熱法中自來水在內(nèi)管中流動，換熱介質(zhì)在環(huán)形空間中流動，兩者沒有直接接觸，不會污染。自來水在輸送過程中有效地進行了能量轉(zhuǎn)移，而換熱面積的大小取決于自來水干管與建筑物之間的距離。套管輸送換熱法的內(nèi)管管徑大可以達到3m/s，管徑200mm，接近城市自來水供水管網(wǎng)管徑，而且設(shè)計流速高，擾動性好，流量大，換熱面積可變，換熱效率可觀。除此之外，整個系統(tǒng)不消耗一滴自來水，是達到最好的節(jié)水效果。

2.6與其他可再生能源熱泵比較分析

土壤源熱泵、地下水源熱泵初投資大，施工工藝復(fù)雜，工期長，風(fēng)險大，打井占地面積大，城市應(yīng)用局（下轉(zhuǎn)第157頁）（上接第148頁）限多?？諝庠礋岜迷诘蜏丨h(huán)境中容易結(jié)霜，且體積較大，機組的重量相對較重，浪費建筑空間影響其美觀。太陽能熱泵應(yīng)用中問題更多。太陽能輻射能地面處的能流密度僅約為0.5kW/㎡，而且隨晝夜、季節(jié)、緯度和海拔等因素變化，更易受到天氣的隨機性變化影響。常設(shè)輔助熱源，投資高，效益低。且技術(shù)有待突破，設(shè)備運行效率低。污水中有懸浮物、鹽類等雜質(zhì)，需要解決阻塞、腐蝕、結(jié)垢、微生物滋生等問題。污水質(zhì)量、溫度與城市所處的位置、生活水平、工業(yè)污水、生活污水及季節(jié)等諸多因素有關(guān)，不確定性太大，極不穩(wěn)定。自來水管網(wǎng)，以24h為短周期，以年為長周期，運動規(guī)律且穩(wěn)定，為后期的開發(fā)利用提供極大便利。

3套管式城市自來水水源熱泵的不足

城市供水管網(wǎng)中，玻璃鋼管材的導(dǎo)熱系數(shù)O.20KcaL/（m.h.℃），在以此為基礎(chǔ)開發(fā)的套管式換熱器中，換熱效果有待提高。冬季自來水溫度接近4℃，應(yīng)用于熱泵時換熱溫差有限，對換熱器的設(shè)計要求高。套管式城市自來水水源熱泵用于工程時，需要選擇在靠近城市供水的主干（一級供水管網(wǎng)）管線附近，才能使得系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，可以被開發(fā)被利用的工程有限。

4結(jié)論

套管式城市自來水水源熱泵不但可以用于新建筑，新規(guī)劃區(qū)域，還可以對舊的高耗能建筑進行節(jié)能改造，這是其他能源無法代替的。“飲用水安全問題關(guān)系到廣大人民群眾的健康，必須高度重視?！彼桶傩诊嬎踩笆姓こ滔⑾⑾嚓P(guān)，所以必須得到政府的大力支持，供水單位的大力配合，政府可以組織專家對整個城市自來水資源儲量、地下管道敷設(shè)狀況、流量、溫度等工藝數(shù)據(jù)等進行詳細調(diào)查，制定綜合開發(fā)規(guī)劃。

套管式城市自來水水源熱泵，從理論上分析得出的結(jié)論是可行的。一項新技術(shù)的實施，需多技術(shù)分析，需要更多的同行業(yè)的工作人員共同努力。

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