利用城市再生水水源热泵技术研究

肖传山 潘红霞

1.商丘市环境监察支队，河南商丘 476000

2.康达环保（商丘）水务有限公司，河南商丘 476000

利用城市再生水水源热泵技术研究

肖传山1潘红霞2

1.商丘市环境监察支队，河南商丘 476000

2.康达环保（商丘）水务有限公司，河南商丘 476000

随着城市的快速发展，目前热电厂和热力公司供热能力远远不能满足现有和可能发展的供热需要，行政机关及居民小区的供暖需求与实际供暖能力之间的矛盾将越来越突出。根据一些城市的成功经验和对专业知识的研究，可以充分利用污水处理厂排放的次中水，运用水源热泵技术解决开发区和正在建设中的新区起步区的供热问题。

1.水源热泵技术的工作原理

水源热泵技术是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。

水源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，而冬季，则从水源中提取能量，由热泵原理通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中。通常水源热泵消耗1KW的能量，用户可以得到4KW以上的热量或冷量。

水源热泵根据对水源利用方式的不同，可以分为闭式系统和开式系统两种。闭式系统是指在水侧为一组闭式特循环的换热套管，该组套管一般水平或垂直埋于地下或湖水海水中，通过与地壤或海水换热来实现能量转移。

2.常用水源热泵系统

水源热泵又称地源热泵，其中央空调系统是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。其工作原理是：冬季，热泵机组从地源（浅层水体或岩土体）中吸收热量，向建筑物供暖；夏季，热泵机组从室内吸收热量并转移释放到地源中，实现建筑物空调制冷。根据地热交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统。

2.1 地下水源开式系统

地下水热泵系统，也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。地下水地源热泵系统应用条件：

2.1.1 建筑项目附近地下水资源丰富，并便于实施供回水工程。

2.1.2 地方政策允许利用地下水。

2.1.3 地下水温适度，水质适宜，供水稳定，回灌顺畅。

2.2 地表水源开式系统（利用次中水、中水）

地表水热泵系统是通过直接抽取或者间接换热的方式，利用包括江水、河水、湖水、水库水及海水等等作为热泵的冷热源。地表水地源热泵系统应用条件是建筑项目附近有丰富的地表水及水量充足，水温适宜，水质经简单处理能达到使用要求。

2.3 闭式水源系统

闭式水源系统是把热交换器埋于地下，通过水在由高强度塑料管组成的封闭环路中循环流动，实现与大地土壤进行冷热交换的目的。地下埋管换热器主要有水平埋管和垂直埋管两种形式。选择哪种形式取决于现场可用地表面积、当地岩土类型以及钻孔费用。尽管水平埋管通常是浅层埋管，可采用人工开挖，初投资比垂直埋管小些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积的限制，所以在实际工程应用中，一般都采用垂直埋管。

3.机组类型

3.1 螺杆式

因其关键部件（压缩机）采用螺杆式故名螺杆式冷水机，机组由蒸发器出来的状态为气体的冷媒；经压缩机绝热压缩以后，变成高温高压状态。被压缩后的气体冷媒，在冷凝器中，等压冷却冷凝，经冷凝后变化成液态冷媒，再经节流阀膨胀到低压，变成气液混合物。其中低温低压下的液态冷媒，在蒸发器中吸收被冷物质的热量，重新变成气态冷媒。气态冷媒经管道重新进入压缩机，开始新的循环，既冷冻循环的四个过程。

3.2 离心式

因其关键部件（压缩机）采用离心式故名离心式冷水机组，工作原理与螺杆式机组相同。制冷能力大，工作效率更高；结构紧凑，质量轻体积小；无磨损部件且工作可靠；运行平稳振动小，噪音低；运行时，制冷剂中不混有润滑油且双器换热效率高。目前还没有实现国产化。

3.3 其他机型

活塞式、涡旋式，在水源热泵中使用较少。少数能量需求小的小型建筑水源热泵采用涡旋式机组。

4.水源热泵使用受限条件

4.1 开式系统

4.1.1 可利用的水源条件限制

开式系统（使用地下水或地表）应用，关键在于能否寻找到合适的水源成为使用水源热泵的限制条件，较差的水质不能让机组正常运行，甚至损伤机组。地表水源通常全年温度变化区间太大不利于热泵机组的高效使用，甚至使机组不能正常开启。因此对开式系统，水源要求必须满足一定的温度、水量和清洁度。

4.1.2 水层的地理结构的限制

对于从地下抽水回灌的使用，必须考虑到使用地的地质的结构，确保可以在经济条件下打井找到合适的水源，同时还应当考虑当地的地质和土壤的条件，保证用后回水的回灌可以实现。目前地下水的回灌技术不完善，回灌不利将造成大量地下水资源的浪费并对局部地质环境造成破坏，甚至可能对建筑物基础结构造成破坏（如商丘市区属于沙质地层结构，地下水的回灌问题无法很好地解决，为了防止地面下沉，不宜使用这种技术）。

4.2 闭式系统

4.2.1 岩土热物性勘探不确定风险

地源热泵系统的性能好坏与当地土壤热特性密切相关，地热源的最佳间隔和深度取决于当地土壤的热物性和气候条件。土壤的热特性研究主要包括土壤的能量平衡、热工性能、土壤中的传热与传湿以及环境对土壤热物性的影响等。

4.2.2 换热器传热理论与实际不符合

地下换热器传热机的理论研究繁多，但缺乏理论与实际的有效结合，缺乏多环境下应用技术的系统研究以及实际有效的强化传热方法。

4.2.3 投资成本高

目前国内水地源热泵项目多为10万平方米以上大型建综合性社区，需要足够的空间且埋管量非常大。埋管成本占总成本的50%，大大提高了先期投资成本。

5.利用替代水源供热的可行性分析

内陆平原城市，地下水资源宝贵，地表水资源匮乏且受区域性及地下水开采受到限制。因此，根据目前各市已具备污水处理能力的实际情况，利用污水（中水）充当地下水、地表水、地埋管的替代品，实施水源热泵供热完全可行。在减少投资的同时，可有效保护自然水资源并且具有普遍性。

5.1 利用污水（如沈阳市）

污水源热泵，主要是以城市污水做为提取和储存能量的冷热源，借助热泵机组系统内部制冷剂的物态循环变化，消耗少量的电能，从而达到制冷制暖效果的一种创新技术。与其他热源相比，污水源热泵的技术关键和难点在于防堵塞、防污染、防腐蚀。

一种是利用防堵机技术把污水过滤后直接进入热泵机组，此种是对污水的直接利用，污水直接利用，进入热泵机组的热源温度较高，系统能效比较高；但是在实际应用中，防堵机和污水热泵需要经常清洗，防堵机和热泵机组都为电气机械产品，经常堵塞、腐蚀等问题，使得的系统运行寿命降低，且清洗时，系统不能运行。如果使用钛合金换热器则大大降低能耗，且机组成本提高50%以上。

另一种污水的利用方式是，污水经过离心污水换热器，间接利用，离心污水换热器不存在堵塞及腐蚀且清洗周期较长，由于间接利用，中介质水为软化水，进入热泵机组，不影响机组的寿命，清洗周期较长。

5.2 利用中水（优质节省高效，多数城市正在使用）

城市污水处理厂的功能是净化城市生活污水和工业废水，净化后的水称为次中水，再进行净化处理的水称为中水。根据中水的质量，可用于工业、农业、园林绿化、景观用水或排入水体。北方多个城市平均数据显示，冬季中水温度为10℃～20℃，夏季中水温度为18℃～26℃。将城市污水处理系统与水源热泵相结合的中水水源热泵，是一种理想的城市污水综合利用方法。根据国家污水处理二级标准，二级污水可到达无有机悬浮物，酸碱度不会对换热器内铜管造成腐蚀，长年温度变化区间小，水量充足。使用过程中不用考虑回灌问题，不会对生态环境造成破坏。

水源热泵机组可利用的水体温度冬季为10℃～22℃，而一般城市污水处理厂所产出二级污水温度平均值在10℃～20℃，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体温度为18℃～35℃，城市污水处理厂所产出二级污水温度平均值在18℃～26℃，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，从而提高机组运行效率。水源热泵消耗1kW.h的电量，用户可以得到4.3kW.h～5.0kW.h的热量或5.4kW.h～6.2kW.h的冷量。与空气源热泵相比，其运行效率要高出20%～60%，运行费用仅为普通中央空调的40%～60%。

以中水或城市二级污水为冷热源，向其放出热量或吸收热量，水源经过机组换热后可继续被用于工业冷却，浇灌、洗涤等用途。同时可以避免使用地下水或埋管式冷热源系统所存在的一系列问题。

与传统技术相比，中水源热泵供热技术有着诸多优势，但也受到一定限制。由于该技术需要以再生水为水源，长距离调水不仅提高了建设成本，还会使水温变低，降低热能的有效利用率。

6.使用中水源热泵的优势

6.1 环保

中水源热泵是利用了污水源水作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。供热时省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉房系统，没有燃烧过程，减少温室气体CO2和其它大气污染物的排放；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音及真菌污染，不产生任何废渣、废水、废气和烟尘。并且减少了生活污水的排放量，减轻了市政污水处理的压力，使环境更优美。

6.2 节能

中水源热泵机组可利用的二级污水温度冬季为11℃～15℃，温度比环境空气温度高，是较好的低温热源；夏季二级污水温度为17℃-21℃，温度比环境空气温度低，是较好的散热体。这种温度特性使得中水热泵比传统空调系统运行效率要高20%。同时将生活废水在换热过程中进行净化处理，使水资源得到了循环再利用，提高了水资源的利用率。

6.3 节资

热泵系统还可以集采暖、空调制冷和提供生活热水于一身。—套热泵系统可以替换原有的供热锅炉、制冷空调和生活热水加热的三套装置或系统。由于中水源热泵所使用的是相对于一般污水来说,有无杂质，污染程度远小于一般污水的特点，所以整个系统对热泵换热设备的技术要求要低很多，从而大大减少先期投资成本。

6.4 稳定

中水的温度相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。是很好的热泵热源和空调冷源，中水温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。

7.使用中水源热泵的实际问题及解决方法

7.1 先期投资成本

利用中水水源热泵供热和现行热电供热相比，管线建设投资部分相同；仅从供热方面讲，水源热泵机组和热电供热换热站建设投资相比较，水源热泵机组投资略高，但其运行成本仅为热电供热成本的二分之一，这部分投资完全可从较低的运行成本中回收。从夏季制冷及中水可综合利用方面上讲，在总投资及运行成本、环境保护及解决现行供热能力严重不足等方面综合分析，利用中水水源热泵供热有着明显的优势。

7.2 水流流量及温度

污水处理厂出水口水温一般为10℃～20℃，完全可以满足水源热泵对水源冬季温度为10℃～22℃，夏季水温为18℃～26℃的要求。

7.3 对中水水质的要求

无有机悬浮物，酸碱度不会对换热器内铜管造成腐蚀。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.007

肖传山，1974年1月，男，汉族，河南商丘，商丘市环境监察支队，环保工程师，大学本科，能源与环保技术研究；

潘红霞，1975年6月，女，汉族，河南商丘，康达环保（商丘）水务有限公司，环保工程师，大学本科，污水处理技术及其利用。

再生水； 热泵技术；可行性； 分析