水源熱泵系統(tǒng)在凈水廠中的應(yīng)用及設(shè)計(jì)探討

陳彥龍

（北京中鐵生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)院有限公司，北京100000）

1 水源熱泵技術(shù)簡(jiǎn)介

水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源（如江、河、湖泊及淺層地下水）吸收的太陽(yáng)能和地?zé)崮芏纬傻牡蜏氐臀粺崮?，采用熱泵原理，?shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。

水源熱泵系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.1 節(jié)能。資料顯示，水源熱泵比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量。

1.2 環(huán)保。水源熱泵較電鍋爐和燃料鍋爐減少一次能源消耗30%以上，減少污染物和溫室氣體的排放50%以上。

2 系統(tǒng)形式與使用地區(qū)分析

2.1 閉式水源熱泵系統(tǒng)

閉式系統(tǒng)的特點(diǎn):

閉式系統(tǒng)是通過(guò)安裝在水體中的換熱盤(pán)管與水體換熱，從而在冬季從水中取熱，而在夏季向水體中放熱，熱泵系統(tǒng)與水體之間僅有熱量交換，而無(wú)質(zhì)量交換。

閉式系統(tǒng)主要具有下列優(yōu)點(diǎn)：

a.閉式系統(tǒng)不受地表水的水質(zhì)的影響，可以有效防止管路系統(tǒng)的阻塞，減少水處理設(shè)備投資和水處理能耗。

b.閉式系統(tǒng)僅需克服循環(huán)系統(tǒng)沿程阻力及局部阻力，而不需要克服從取水點(diǎn)到熱泵機(jī)組的高度水頭，一般可以有效降低取水側(cè)泵耗。

c.當(dāng)?shù)乇硭緶囟鹊陀?℃時(shí)，閉式系統(tǒng)具備優(yōu)良的防凍設(shè)計(jì)措施，可以避免凍壞熱泵機(jī)組。

同時(shí)閉式系統(tǒng)的缺點(diǎn)也很明顯：

a.與開(kāi)式系統(tǒng)相比，由于中間換熱環(huán)節(jié)傳熱溫差的原因，冬季熱泵機(jī)組蒸發(fā)側(cè)水溫會(huì)降低2～5℃，熱泵機(jī)組效率會(huì)有所下降。

b.換熱盤(pán)管直接安裝于水體內(nèi)，盤(pán)管安裝應(yīng)考慮到水池內(nèi)機(jī)械操作的可能性，否則盤(pán)管有損壞的危險(xiǎn)。

c.當(dāng)水體流速較低、流動(dòng)性差，盤(pán)管上容易產(chǎn)生污垢和水藻等生物沉積，影響換熱效率。

2.2 開(kāi)式水源熱泵系統(tǒng)

開(kāi)式水源熱泵系統(tǒng)形式簡(jiǎn)單，組成構(gòu)件較少，直接從取水點(diǎn)進(jìn)行取水，將水抽取至熱泵機(jī)房?jī)?nèi)，經(jīng)熱泵機(jī)組后排至水體。

開(kāi)式系統(tǒng)的使用，在下列兩種情況下不適宜。

①取水點(diǎn)和熱泵機(jī)房間存在較大的高差，這將直接導(dǎo)致水源側(cè)取水泵功耗的增加，從而降低系統(tǒng)的綜合性能。

②當(dāng)?shù)乇硭緶囟鹊陀?℃時(shí)，一般不宜采用開(kāi)式系統(tǒng)。

其中，第3 條的影響因素主要為地理位置，參照國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50015-2019）[1]，第6.2.5 條推薦地表水冬季計(jì)算溫度為4℃的地區(qū)見(jiàn)表1。

表1 冬季地表水計(jì)算溫度為4℃的地區(qū)

3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3.1 閉式系統(tǒng)防凍液

如2.2 節(jié)所述，在秦嶺-淮河以北的北方大部分地區(qū)，地表水溫均可能在4℃以下，因此，其系統(tǒng)防凍設(shè)計(jì)顯得尤為重要，在防凍液的選擇上，需要考慮諸多因素，如表2 所示。

表2 防凍液的比較[2]

從對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行角度考慮，應(yīng)優(yōu)先選用對(duì)熱泵換熱器傳熱能力影響較小，而泵耗功率越低越好。從表2 可知，氯化鈉和氯化鈣對(duì)熱泵換熱器傳熱能力影響較小。而甲醇具有最小的泵耗功量。

從對(duì)人的毒性來(lái)看，甲醇有強(qiáng)的毒性，對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)有麻醉作用；對(duì)視神經(jīng)和視網(wǎng)膜有特殊選擇作用，引起病變；可致代謝性酸中毒。乙二醇有中等毒性，其中毒心肺癥狀明顯，嚴(yán)重病例可有肺水腫，支氣管肺炎，心力衰竭；氯化鈣、氯化鈉、醋酸鉀、碳酸鉀相對(duì)無(wú)毒。

從對(duì)材料的腐蝕性來(lái)看，醋酸鉀對(duì)鋁、碳鋼和鍍鋅材料有腐蝕，碳酸鉀對(duì)低碳鋼和銅有腐蝕；氯化鈣、氯化鈉對(duì)金屬有較高的腐蝕性，須加入緩蝕劑。

綜上所述，防凍液優(yōu)先推薦為氯化鈉。其各方面性能優(yōu)良，且價(jià)格低廉。

3.2 換熱盤(pán)管管材

閉式系統(tǒng)換熱盤(pán)管的管材，目前多采用高密度聚乙烯管道，其性能參數(shù)需滿足《給水用聚乙烯（PE）管道系統(tǒng)第2 部分：管材》（GB/T 13663.2-2018）[3]相關(guān)條文的規(guī)定，連接形式為熱熔連接。

管材在露天安裝時(shí)，尤其是在靠近水面的位置安裝時(shí)，應(yīng)該具有抗日照輻射能力及防凍能力，主要是為了保證在露天日曬和冬季低溫環(huán)境下的管材性能，保證其正常工作強(qiáng)度，不發(fā)生脆化，從而保證不發(fā)生漏損。

銅管也是地表水源熱泵系統(tǒng)可選擇的換熱盤(pán)管管材。這是由于銅管的傳熱性能較好，管道長(zhǎng)度比PE 管可減少約25%。但是尤其需要注意的是，在凈水廠水源熱泵的盤(pán)管管材選取上，不推薦使用銅管，其主要原因是銅管在使用不當(dāng)?shù)那闆r下，會(huì)產(chǎn)生銅綠，即堿式碳酸銅（化學(xué)式為Cu2(OH)2CO3），不但影響感官，而且會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生不利影響。

3.3 盤(pán)管換熱器型式設(shè)計(jì)

盤(pán)管換熱器在水體中的布置有兩種常見(jiàn)形式：盤(pán)卷式和排圈式。

圖1 盤(pán)管換熱器常見(jiàn)兩種型式

在深度較大或流速較大的水池中宜采用盤(pán)卷式。此種換熱器的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)水池面積占用比較小，安裝簡(jiǎn)單方便。缺點(diǎn)是會(huì)水池局部溫差較大，冬季時(shí)，盤(pán)管周邊水溫較低，而夏季盤(pán)管周邊水溫較高，不利于充分利用天然能源。

在深度較小或流速較小的水池中宜采用排圈式。此種型式盤(pán)管換熱器安裝難度較大，但是這種形式可以實(shí)現(xiàn)水池水溫的相對(duì)均勻，從而可以提高能源利用效率。在設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)實(shí)際情況，選用適合的盤(pán)管換熱器型式。

3.4 盤(pán)管換熱器位置設(shè)計(jì)

對(duì)于新建或改擴(kuò)建的凈水廠，盤(pán)管換熱器的位置選擇宜選在整個(gè)水處理流程水質(zhì)較好的位置。具體得講，可以放在經(jīng)混凝、沉淀、過(guò)濾后的清水池，其主要原因是清水池污垢、雜質(zhì)及微生物含量較低，可以有效減少對(duì)盤(pán)管換熱器表面熱阻的影響，提升換熱效率，從而提升整個(gè)水源熱泵系統(tǒng)的能效，有效降低能耗及運(yùn)行費(fèi)用。

3.5 盤(pán)管換熱器設(shè)計(jì)步驟

盤(pán)管換熱器的設(shè)計(jì)步驟，可以參考下列順序：

3.5.1 確定換熱器的形式，根據(jù)凈水廠清水池尺寸、形狀等因素，選擇采用盤(pán)卷式或排圈式換熱器；

3.5.2 根據(jù)建筑物的冷、熱負(fù)荷和水源側(cè)換熱溫差，綜合考慮換熱管道經(jīng)濟(jì)比摩阻，初步確定換熱器的盤(pán)管直徑；

3.5.3 查閱當(dāng)?shù)厮馁Y料，查出地表水溫度，如資料不夠充分，在條件充分的情況下，宜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，然后分別計(jì)算夏季和冬季換熱器的傳熱溫差?；谟?jì)算得到的傳熱溫差，即可獲得熱泵機(jī)組換熱器的入口溫度；

3.5.4 根據(jù)換熱器的類型、管徑和傳熱溫差，計(jì)算可知該項(xiàng)目所需的換熱器選型參數(shù)；

3.5.5 應(yīng)根據(jù)建筑物的冷熱負(fù)荷分別求出冷、熱負(fù)荷所需的換熱器長(zhǎng)度，取其中最大值作為換熱器的實(shí)際長(zhǎng)度；

3.5.6 確定換熱器總的循環(huán)流量，并求出所需并聯(lián)的環(huán)路數(shù)量。需要注意的是，盤(pán)管換熱器的主要熱阻在于管壁，因此盤(pán)管換熱器的管內(nèi)流速對(duì)總傳熱系數(shù)影響不大，因此不必特意提高設(shè)計(jì)流速，從而可以降低盤(pán)管的阻力損失。

3.6 熱泵機(jī)組的選擇

對(duì)于大部分北方地區(qū)凈水廠而言，由于冬季部分生產(chǎn)車間具備防凍的需求，夏季這部分車間沒(méi)有制冷的需求，而只有部分辦公用房、宿舍等存在夏季制冷需求。這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)水源熱泵系統(tǒng)冬季峰值熱負(fù)荷數(shù)值大于夏季峰值冷負(fù)荷數(shù)值，因此在選擇熱泵機(jī)組時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選配不同容量的機(jī)組，以同時(shí)滿足夏季和冬季的冷熱需求。并需同時(shí)兼顧冬季供熱時(shí)的設(shè)備能效和夏季供冷時(shí)的部分負(fù)荷能效，以最大化實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

本文對(duì)水源熱泵系統(tǒng)在凈水廠中的應(yīng)用展開(kāi)探討，分析了開(kāi)式系統(tǒng)與閉式系統(tǒng)的的特點(diǎn)極其適用場(chǎng)景，針對(duì)閉式系統(tǒng)防凍液選取、換熱盤(pán)管管材、盤(pán)管換熱器型式、盤(pán)管換熱器位置設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，給出了設(shè)計(jì)建議。