利用城市再生水水源熱泵技術研究

肖傳山 潘紅霞

1.商丘市環境監察支隊，河南商丘 476000

2.康達環保（商丘）水務有限公司，河南商丘 476000

利用城市再生水水源熱泵技術研究

肖傳山1潘紅霞2

1.商丘市環境監察支隊，河南商丘 476000

2.康達環保（商丘）水務有限公司，河南商丘 476000

隨著城市的快速發展，目前熱電廠和熱力公司供熱能力遠遠不能滿足現有和可能發展的供熱需要，行政機關及居民小區的供暖需求與實際供暖能力之間的矛盾將越來越突出。根據一些城市的成功經驗和對專業知識的研究，可以充分利用污水處理廠排放的次中水，運用水源熱泵技術解決開發區和正在建設中的新區起步區的供熱問題。

1.水源熱泵技術的工作原理

水源熱泵技術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熱能而形成的低位熱能資源，并采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。

水源熱泵機組工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉移到水源中，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。

水源熱泵根據對水源利用方式的不同，可以分為閉式系統和開式系統兩種。閉式系統是指在水側為一組閉式特循環的換熱套管，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能量轉移。

2.常用水源熱泵系統

水源熱泵又稱地源熱泵，其中央空調系統是以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統組成的供熱空調系統。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，熱泵機組從室內吸收熱量并轉移釋放到地源中，實現建筑物空調制冷。根據地熱交換系統形式的不同，地源熱泵系統分為地下水地源熱泵系統、地表水地源熱泵系統和地埋管地源熱泵系統。

2.1 地下水源開式系統

地下水熱泵系統，也就是通常所說的深井回灌式水源熱泵系統。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應用條件：

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，水質適宜，供水穩定，回灌順暢。

2.2 地表水源開式系統（利用次中水、中水）

地表水熱泵系統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應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，水質經簡單處理能達到使用要求。

2.3 閉式水源系統

閉式水源系統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路中循環流動，實現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場可用地表面積、當地巖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，所以在實際工程應用中，一般都采用垂直埋管。

3.機組類型

3.1 螺桿式

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

3.2 離心式

因其關鍵部件（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；結構緊湊，質量輕體積小；無磨損部件且工作可靠；運行平穩振動小，噪音低；運行時，制冷劑中不混有潤滑油且雙器換熱效率高。目前還沒有實現國產化。

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

4.1.1 可利用的水源條件限制

開式系統（使用地下水或地表）應用，關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，水源要求必須滿足一定的溫度、水量和清潔度。

4.1.2 水層的地理結構的限制

對于從地下抽水回灌的使用，必須考慮到使用地的地質的結構，確保可以在經濟條件下打井找到合適的水源，同時還應當考慮當地的地質和土壤的條件，保證用后回水的回灌可以實現。目前地下水的回灌技術不完善，回灌不利將造成大量地下水資源的浪費并對局部地質環境造成破壞，甚至可能對建筑物基礎結構造成破壞（如商丘市區屬于沙質地層結構，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）。

4.2 閉式系統

4.2.1 巖土熱物性勘探不確定風險

地源熱泵系統的性能好壞與當地土壤熱特性密切相關，地熱源的最佳間隔和深度取決于當地土壤的熱物性和氣候條件。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

地下換熱器傳熱機的理論研究繁多，但缺乏理論與實際的有效結合，缺乏多環境下應用技術的系統研究以及實際有效的強化傳熱方法。

4.2.3 投資成本高

目前國內水地源熱泵項目多為10萬平方米以上大型建綜合性社區，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

內陸平原城市，地下水資源寶貴，地表水資源匱乏且受區域性及地下水開采受到限制。因此，根據目前各市已具備污水處理能力的實際情況，利用污水（中水）充當地下水、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，借助熱泵機組系統內部制冷劑的物態循環變化，消耗少量的電能，從而達到制冷制暖效果的一種創新技術。與其他熱源相比，污水源熱泵的技術關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，系統能效比較高；但是在實際應用中，防堵機和污水熱泵需要經常清洗，防堵機和熱泵機組都為電氣機械產品，經常堵塞、腐蝕等問題，使得的系統運行壽命降低，且清洗時，系統不能運行。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（優質節省高效，多數城市正在使用）

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。根據中水的質量，可用于工業、農業、園林綠化、景觀用水或排入水體。北方多個城市平均數據顯示，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與水源熱泵相結合的中水水源熱泵，是一種理想的城市污水綜合利用方法。根據國家污水處理二級標準，二級污水可到達無有機懸浮物，酸堿度不會對換熱器內銅管造成腐蝕，長年溫度變化區間小，水量充足。使用過程中不用考慮回灌問題，不會對生態環境造成破壞。

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出二級污水溫度平均值在10℃～20℃，水體溫度比環境空氣溫度高，所以熱泵循環的蒸發溫度提高，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出二級污水溫度平均值在18℃～26℃，水體溫度比環境空氣溫度低，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，水源經過機組換熱后可繼續被用于工業冷卻，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所存在的一系列問題。

與傳統技術相比，中水源熱泵供熱技術有著諸多優勢，但也受到一定限制。由于該技術需要以再生水為水源，長距離調水不僅提高了建設成本，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勢

6.1 環保

中水源熱泵是利用了污水源水作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。供熱時省去了燃煤、燃氣、燃油等鍋爐房系統，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，使環境更優美。

6.2 節能

中水源熱泵機組可利用的二級污水溫度冬季為11℃～15℃，溫度比環境空氣溫度高，是較好的低溫熱源；夏季二級污水溫度為17℃-21℃，溫度比環境空氣溫度低，是較好的散熱體。這種溫度特性使得中水熱泵比傳統空調系統運行效率要高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再利用，提高了水資源的利用率。

6.3 節資

熱泵系統還可以集采暖、空調制冷和提供生活熱水于一身?！谉岜孟到y可以替換原有的供熱鍋爐、制冷空調和生活熱水加熱的三套裝置或系統。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，污染程度遠小于一般污水的特點，所以整個系統對熱泵換熱設備的技術要求要低很多，從而大大減少先期投資成本。

6.4 穩定

中水的溫度相對穩定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動。是很好的熱泵熱源和空調冷源，中水溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。

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行熱電供熱相比，管線建設投資部分相同；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、環境保護及解決現行供熱能力嚴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 對中水水質的要求

無有機懸浮物，酸堿度不會對換熱器內銅管造成腐蝕。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.007

肖傳山，1974年1月，男，漢族，河南商丘，商丘市環境監察支隊，環保工程師，大學本科，能源與環保技術研究；

潘紅霞，1975年6月，女，漢族，河南商丘，康達環保（商丘）水務有限公司，環保工程師，大學本科，污水處理技術及其利用。

再生水； 熱泵技術；可行性； 分析