再生水源热泵在城市轨道交通中应用技术研究

莫鑫宇

( 广州地铁集团有限公司，广州 510330 )

再生水源热泵在城市轨道交通中应用技术研究

莫鑫宇

( 广州地铁集团有限公司，广州 510330 )

随着我国城镇化进程加速，城镇人口持续增长，城市轨道交通作为高效、环保的公共交通工具被越来越多城市所采用，其线路一般经过城镇中心地带，传统车站制冷系统采取的冷却塔散热，不但带来环境污染，而且能耗高、占据空间大。本文探讨了了利用城市污水处理厂排出再生水的热泵系统，结合轨道交通车站的空调形式，对再生水源热泵在城市轨道交通中应用技术进行研究，解决轨道交通车站空调系统的冷热源问题。

再生水源热泵；城市轨道交通；节能

1 前言

随着我国城镇化进程加速，城镇人口持续增长，城市轨道交通作为高效、环保的公共交通工具被越来越多城市所采用，轨道交通的能耗也随之不断增加。根据国内已投入使用的地铁线路运营情况来看，每20km的地铁轨道交通线路，对于我国北方站内不设空调系统的地铁线路，为保证地铁系统正常运营，每年需耗电6000万kWh，若车内设有空调系统，年用电量还要增加至8000万kWh，故北京地铁能源费用支出占总运行费用达40%左右。对于夏热冬暖的南方城市来说，则平均每20km地铁轨道系统的年用电量甚至高达10000万kWh。

在轨道交通能耗中，列车牵引供电系统和通风空调系统是城市轨道交通两大用电系统，如北京城轨交通系统中，上述两系统能耗分别占轨道交通系统总能耗的50%和33%。因此开发推广节能型供暖和制冷方式对解决轨道交通的能源问题有着巨大的作用。由于热泵技术能有效回收低位能源达到制热和制冷的目的，已成为解决建筑供暖系统节能问题的首推技术之一，在国外已得到大量应用，国内已经开始逐步发展[1]，轨道交通车站也可借鉴此技术进行利用。

2 再生水源热泵的特点和工作原理

2.1 特点

再生水是指城市污水经处理设施深度净化处理后的水，包括污水处理厂经二级处理再进行深化处理后的水和大型建筑物、生活社区的洗浴水、洗菜水等集中经处理后的水。研究表明，夏季，再生水温低于最高气温，比平均气温低3℃左右；冬季，高于最高气温，比平均气温高10℃左右，每日水温变化温差较小，均小于3.0℃，小于气温变化的范围。污水处理厂二级出水具有的较好的水质，且使用不需另付费用，是各方面综合性较好的热泵低位能源[1]。

再生水源热泵系统主要是以上述再生水作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，主机消耗少量的电能，在冬天将水资源中的低品质能量提取出来，经管网供给室内采暖系统、生活热水系统；夏天，将室内的热量带走，并释放到污水中，给室内制冷并制取生活热水[2]。

2.2 工作原理

某污水处理厂出水水质达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)国家一级标准(中水)。出水水质检测结果如表1：

表1 水质检测结果

分析项目含量(mg/L)分析项目数值氯离子(Cl-)222.27pH7.2硫酸根离子230.26分析项目含量(us/cm)酸消耗量(以碳酸钙计)304.34电导率(25℃)1630总硬度(以碳酸钙计)455.01钙硬度(以碳酸钙计)314.5二氧化硅22.68氨氮6.21硝酸盐氮1.401溶解性总固体1095.3铁0.04铜<0.05悬浮物<30

注：其中部分指标波动范围：pH指标：6～8，氨氮：2～30mg/L

再生水源热泵利用上述污水处理厂出水作为冷热源，在冬季供热时，再生水侧的板式换热器4作为蒸发器，用户侧的换热器5作为冷凝器。液态制冷剂在蒸发器中蒸发吸热，吸取再生水里储存的热量，产生的蒸汽被压缩机1吸入并压缩至高压气体，气态制冷剂在冷凝器中冷凝放热，加热了热媒(水)的温度，满足供热系统的需要；液态制冷剂进入膨胀阀5，进行绝热膨胀，对外做功，达到很低的温度，又进入蒸发器，从再生水中吸收其储存的热量，进行下一轮循环[3]。

在该系统中，制冷剂连续地经过吸热、压缩、冷却、膨胀的过程，就可将再生水中赋存的热量转移到需供热的系统中去，达到供热的目的。夏季制冷时，用户侧换热器为蒸发器，污水侧换热器为冷凝器，其工作流程正好与冬季热泵的工作流程相反[4]、[5]。工作示意图如图1所示。

图1 再生水源热泵冷热水机组工作原理图
1-压缩机 2-四通换向阀
3、4-冷凝器/蒸发器 5-双向节流阀

3 在城市轨道交通中应用研究

城市轨道交通车站一般设置在城市中街道附近(地铁)，或者城市郊区(城轨)，均与市政管网较近，可使靠近污水处理厂附近的车站方便引入再生水，使得空调系统冷热源的选取上多一个选择。下面以某再生水源热泵实际项目为例进行技术分析，进而结合轨道交通的空调形式进行优化。

3.1 技术分析

虽然冷热源使用的是经过污水处理厂深度处理的生活污水，但再生水质中氯离子对紫铜换热管有腐蚀性，表1中水质化验的数据表明氯离子含量较高，故此污水不能够直接进入热泵主机，因此选用宽通道浅密板式换热器作为二次换热器，如图2中的5所示，污水经过换热器与二次循环水进行热交换，留下冷量或热量返回污水渠道，与其他设备或系统不接触，独立流动，不污染环境与其他设备或水系统。

图2 再生水源热泵系统结构及冬夏工作流程图
1-空调热泵机组 2-生活热水热泵机组
3、4-污水提升泵 5-二次板式换热器
V1、V2、V3、V4-阀门

根据水量、水温和水质情况，选取污水侧夏季设计供回水温度为26/31℃，冬季设计供回水温度为10/6℃。污水的低位能经板式换热器传给水源热泵机房的二次水源环路，进出换热机组的二次循环水，夏季设计供回水温度为27.5/32.5℃，冬季设计供回水温度为8.5/4.5℃。

主机房有一个空调水系统和一个生活热水系统：空调水系统的夏季设计供回水温度为7/12℃，冬季设计供回水温度为45/40℃，由2台污水源热泵机组来提供；生活热水的供回水温度为55/50℃，采用单独专设的2台污水源热泵机组，制成55℃热水供向住户。总的循环示意图如图3所示。

3.2 针对城市轨道交通应用优化

以一个寒冷地区的标准地铁地下车站为例，冷负荷约为600RT，空调用热泵机组选用2台制冷量为300RT的螺杆热泵机组，每台配备两个双螺杆压缩机。地铁车站一般不用供暖，但可供应生活热水供工作人员使用，因此设置热水机组选用1台制热量为120kW的螺杆热泵机组，配备一个双螺杆压缩机。

为节省能耗，回收夏季空调系统的废热，在夏季运行工况下，专设一组循环水泵，将一部分空调冷冻水直接进出生活热水热泵机组蒸发器，进行全热回收，参与部分生活热水的制备。运行如图3中所示，夏季时，阀门V1、V2关闭，阀门V3、V4开启，返回空调机组1的部分12℃的冷冻水进入热水机组2的蒸发器，产生7℃的冷冻水供水流入空调水系统，5℃温差的热量由热泵机组2制备55℃的生活热水，充分利用了从夏季空调房间带出的废热。冬季时，阀门V1、V2开启，阀门V3、V4关闭，并启用污水提升泵4。

考虑到节能及控制方便，再生水提升系统分为空调所用提升泵、卫生热水所用提升泵。春秋季节只运行卫生热水制备需要的再生水提升泵，避免能量、水量浪费。全系统采用变频恒压供水、设计工作压力0.4MPa。

4 优势对比

城市轨道交通是以城市为依托建设的公共交通，而城市每天又产生大量的废水废热，再生水源热泵就是利用了其中的能量作为空调系统的冷热源。我们的生活周边存在大量的低品位能源，作为一种低品位能源的利用系统，与传统地铁空调形式相比更具备环保、可持续的特点，特别是制冷模式时可减少冷却塔的使用，避免了城市噪声的污染，同时具有以下优势：

(1)再生水源产生持续可靠，低品位能源可持续利用。

(2)节省冷却塔占地面积，节省土建、征地等轨道交通建设前期投资。

(3)工作效率高，热泵机组比传统冷水螺杆机组具有天然的优势，拥有更高的COP。

5 结论

随着国家对节能要求水平的越来越高，轨道交通设备的高效运行也显得刻不容缓，再生水源热泵系统，利用城市废热，综合减少了碳排放，绿色又节能，特别是针对部分城市繁华地区地铁站点的制冷系统，该技术的推广可减少冷却塔的设置，降低噪声污染和征地拆迁费用，不但降低了能耗压力，更可以减轻环境压力。所以，再生水源热泵在城市轨道交通中应用前景广阔。

[1] 赵杰. 地铁通风空调系统能耗分析与研究[D].武汉理工大学， 2014

[2] 王奕然, 杨兴山. 城市轨道交通设备系统可持续发展的技术对策[J].都市快轨交通，2009，22(5):6-9

[3] 昝成, 史琳, 程邺,等. 再生水二级出水水温特点与热利用[J].华北电力大学学报(自然科学版)，2007，34(2):31-34

[4] 周志平，李念平. 某大型公共建筑污水源热泵应用分析[J].建筑技术，2013，44(4): 362-364

[5] 周志平，李念平. 长沙市某酒店污水源热泵应用可行性分析[J].节能，2013，31(12): 41-43

A Study on the Technology of Application Reclaimed Water Sourced Pump in City Metro

MO Xinyu

( Guangzhou Metro Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510330，China )

With the accelerating process of urbanization in the country,and the urban population rising consequently，city metro has been chosen as an efficient, environmentally-friendly public transport way by more and more cities′metro lines often traveling through the city center,traditional cooling system which adopts cooling towers，has led to environmental pollution,not to mention its high energy consumption and humongous occupation.This paper discusses the new heat pump system,which reuses the reclaimed water from city sewage treatment plant,and studies its application in city metro combining with the air conditioning forms in the stations，thus to solve the problem of cooling and heating source of air conditioning system for each station in the city metro.

Reclaimed water Heat Pump；City Metro；Energy saving

2017-2-10

莫鑫宇(1989-)，男，硕士研究生，助理工程师，主要从事城市轨道交通通风空调技术研究。Email:386781435@qq.com

ISSN1005-9180(2017)02-057-04

TU831 文献标示码：B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.012