水源热泵系统在净水厂中的应用及设计探讨

陈彦龙

（北京中铁生态环境设计院有限公司，北京100000）

1 水源热泵技术简介

水源热泵技术是利用地球表面浅层水源（如江、河、湖泊及浅层地下水）吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能，采用热泵原理，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。

水源热泵系统具有以下优点：

1.1 节能。资料显示，水源热泵比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量。

1.2 环保。水源热泵较电锅炉和燃料锅炉减少一次能源消耗30%以上，减少污染物和温室气体的排放50%以上。

2 系统形式与使用地区分析

2.1 闭式水源热泵系统

闭式系统的特点:

闭式系统是通过安装在水体中的换热盘管与水体换热，从而在冬季从水中取热，而在夏季向水体中放热，热泵系统与水体之间仅有热量交换，而无质量交换。

闭式系统主要具有下列优点：

a.闭式系统不受地表水的水质的影响，可以有效防止管路系统的阻塞，减少水处理设备投资和水处理能耗。

b.闭式系统仅需克服循环系统沿程阻力及局部阻力，而不需要克服从取水点到热泵机组的高度水头，一般可以有效降低取水侧泵耗。

c.当地表水冬季温度低于4℃时，闭式系统具备优良的防冻设计措施，可以避免冻坏热泵机组。

同时闭式系统的缺点也很明显：

a.与开式系统相比，由于中间换热环节传热温差的原因，冬季热泵机组蒸发侧水温会降低2～5℃，热泵机组效率会有所下降。

b.换热盘管直接安装于水体内，盘管安装应考虑到水池内机械操作的可能性，否则盘管有损坏的危险。

c.当水体流速较低、流动性差，盘管上容易产生污垢和水藻等生物沉积，影响换热效率。

2.2 开式水源热泵系统

开式水源热泵系统形式简单，组成构件较少，直接从取水点进行取水，将水抽取至热泵机房内，经热泵机组后排至水体。

开式系统的使用，在下列两种情况下不适宜。

①取水点和热泵机房间存在较大的高差，这将直接导致水源侧取水泵功耗的增加，从而降低系统的综合性能。

②当地表水冬季温度低于4℃时，一般不宜采用开式系统。

其中，第3 条的影响因素主要为地理位置，参照国家设计规范《建筑给水排水设计标准》（GB50015-2019）[1]，第6.2.5 条推荐地表水冬季计算温度为4℃的地区见表1。

表1 冬季地表水计算温度为4℃的地区

3 设计注意事项

3.1 闭式系统防冻液

如2.2 节所述，在秦岭-淮河以北的北方大部分地区，地表水温均可能在4℃以下，因此，其系统防冻设计显得尤为重要，在防冻液的选择上，需要考虑诸多因素，如表2 所示。

表2 防冻液的比较[2]

从对系统的运行角度考虑，应优先选用对热泵换热器传热能力影响较小，而泵耗功率越低越好。从表2 可知，氯化钠和氯化钙对热泵换热器传热能力影响较小。而甲醇具有最小的泵耗功量。

从对人的毒性来看，甲醇有强的毒性，对中枢神经系统有麻醉作用；对视神经和视网膜有特殊选择作用，引起病变；可致代谢性酸中毒。乙二醇有中等毒性，其中毒心肺症状明显，严重病例可有肺水肿，支气管肺炎，心力衰竭；氯化钙、氯化钠、醋酸钾、碳酸钾相对无毒。

从对材料的腐蚀性来看，醋酸钾对铝、碳钢和镀锌材料有腐蚀，碳酸钾对低碳钢和铜有腐蚀；氯化钙、氯化钠对金属有较高的腐蚀性，须加入缓蚀剂。

综上所述，防冻液优先推荐为氯化钠。其各方面性能优良，且价格低廉。

3.2 换热盘管管材

闭式系统换热盘管的管材，目前多采用高密度聚乙烯管道，其性能参数需满足《给水用聚乙烯（PE）管道系统第2 部分：管材》（GB/T 13663.2-2018）[3]相关条文的规定，连接形式为热熔连接。

管材在露天安装时，尤其是在靠近水面的位置安装时，应该具有抗日照辐射能力及防冻能力，主要是为了保证在露天日晒和冬季低温环境下的管材性能，保证其正常工作强度，不发生脆化，从而保证不发生漏损。

铜管也是地表水源热泵系统可选择的换热盘管管材。这是由于铜管的传热性能较好，管道长度比PE 管可减少约25%。但是尤其需要注意的是，在净水厂水源热泵的盘管管材选取上，不推荐使用铜管，其主要原因是铜管在使用不当的情况下，会产生铜绿，即碱式碳酸铜（化学式为Cu2(OH)2CO3），不但影响感官，而且会对水质产生不利影响。

3.3 盘管换热器型式设计

盘管换热器在水体中的布置有两种常见形式：盘卷式和排圈式。

图1 盘管换热器常见两种型式

在深度较大或流速较大的水池中宜采用盘卷式。此种换热器的优点是对水池面积占用比较小，安装简单方便。缺点是会水池局部温差较大，冬季时，盘管周边水温较低，而夏季盘管周边水温较高，不利于充分利用天然能源。

在深度较小或流速较小的水池中宜采用排圈式。此种型式盘管换热器安装难度较大，但是这种形式可以实现水池水温的相对均匀，从而可以提高能源利用效率。在设计中，可以根据实际情况，选用适合的盘管换热器型式。

3.4 盘管换热器位置设计

对于新建或改扩建的净水厂，盘管换热器的位置选择宜选在整个水处理流程水质较好的位置。具体得讲，可以放在经混凝、沉淀、过滤后的清水池，其主要原因是清水池污垢、杂质及微生物含量较低，可以有效减少对盘管换热器表面热阻的影响，提升换热效率，从而提升整个水源热泵系统的能效，有效降低能耗及运行费用。

3.5 盘管换热器设计步骤

盘管换热器的设计步骤，可以参考下列顺序：

3.5.1 确定换热器的形式，根据净水厂清水池尺寸、形状等因素，选择采用盘卷式或排圈式换热器；

3.5.2 根据建筑物的冷、热负荷和水源侧换热温差，综合考虑换热管道经济比摩阻，初步确定换热器的盘管直径；

3.5.3 查阅当地水文资料，查出地表水温度，如资料不够充分，在条件充分的情况下，宜进行现场实测，然后分别计算夏季和冬季换热器的传热温差。基于计算得到的传热温差，即可获得热泵机组换热器的入口温度；

3.5.4 根据换热器的类型、管径和传热温差，计算可知该项目所需的换热器选型参数；

3.5.5 应根据建筑物的冷热负荷分别求出冷、热负荷所需的换热器长度，取其中最大值作为换热器的实际长度；

3.5.6 确定换热器总的循环流量，并求出所需并联的环路数量。需要注意的是，盘管换热器的主要热阻在于管壁，因此盘管换热器的管内流速对总传热系数影响不大，因此不必特意提高设计流速，从而可以降低盘管的阻力损失。

3.6 热泵机组的选择

对于大部分北方地区净水厂而言，由于冬季部分生产车间具备防冻的需求，夏季这部分车间没有制冷的需求，而只有部分办公用房、宿舍等存在夏季制冷需求。这会导致整个水源热泵系统冬季峰值热负荷数值大于夏季峰值冷负荷数值，因此在选择热泵机组时，应优先选配不同容量的机组，以同时满足夏季和冬季的冷热需求。并需同时兼顾冬季供热时的设备能效和夏季供冷时的部分负荷能效，以最大化实现节能环保的设计目标。

4 结论

本文对水源热泵系统在净水厂中的应用展开探讨，分析了开式系统与闭式系统的的特点极其适用场景，针对闭式系统防冻液选取、换热盘管管材、盘管换热器型式、盘管换热器位置设计进行分析，给出了设计建议。