水源熱泵系統在凈水廠中的應用及設計探討

陳彥龍

（北京中鐵生態環境設計院有限公司，北京100000）

1 水源熱泵技術簡介

水源熱泵技術是利用地球表面淺層水源（如江、河、湖泊及淺層地下水）吸收的太陽能和地熱能而形成的低溫低位熱能，采用熱泵原理，實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。

水源熱泵系統具有以下優點：

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

1.2 環保。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 系統形式與使用地區分析

2.1 閉式水源熱泵系統

閉式系統的特點:

閉式系統是通過安裝在水體中的換熱盤管與水體換熱，從而在冬季從水中取熱，而在夏季向水體中放熱，熱泵系統與水體之間僅有熱量交換，而無質量交換。

閉式系統主要具有下列優點：

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

b.閉式系統僅需克服循環系統沿程阻力及局部阻力，而不需要克服從取水點到熱泵機組的高度水頭，一般可以有效降低取水側泵耗。

c.當地表水冬季溫度低于4℃時，閉式系統具備優良的防凍設計措施，可以避免凍壞熱泵機組。

同時閉式系統的缺點也很明顯：

a.與開式系統相比，由于中間換熱環節傳熱溫差的原因，冬季熱泵機組蒸發側水溫會降低2～5℃，熱泵機組效率會有所下降。

b.換熱盤管直接安裝于水體內，盤管安裝應考慮到水池內機械操作的可能性，否則盤管有損壞的危險。

c.當水體流速較低、流動性差，盤管上容易產生污垢和水藻等生物沉積，影響換熱效率。

2.2 開式水源熱泵系統

開式水源熱泵系統形式簡單，組成構件較少，直接從取水點進行取水，將水抽取至熱泵機房內，經熱泵機組后排至水體。

開式系統的使用，在下列兩種情況下不適宜。

①取水點和熱泵機房間存在較大的高差，這將直接導致水源側取水泵功耗的增加，從而降低系統的綜合性能。

②當地表水冬季溫度低于4℃時，一般不宜采用開式系統。

其中，第3 條的影響因素主要為地理位置，參照國家設計規范《建筑給水排水設計標準》（GB50015-2019）[1]，第6.2.5 條推薦地表水冬季計算溫度為4℃的地區見表1。

表1 冬季地表水計算溫度為4℃的地區

3 設計注意事項

3.1 閉式系統防凍液

如2.2 節所述，在秦嶺-淮河以北的北方大部分地區，地表水溫均可能在4℃以下，因此，其系統防凍設計顯得尤為重要，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]

從對系統的運行角度考慮，應優先選用對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。

從對人的毒性來看，甲醇有強的毒性，對中樞神經系統有麻醉作用；對視神經和視網膜有特殊選擇作用，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、碳酸鉀相對無毒。

從對材料的腐蝕性來看，醋酸鉀對鋁、碳鋼和鍍鋅材料有腐蝕，碳酸鉀對低碳鋼和銅有腐蝕；氯化鈣、氯化鈉對金屬有較高的腐蝕性，須加入緩蝕劑。

綜上所述，防凍液優先推薦為氯化鈉。其各方面性能優良，且價格低廉。

3.2 換熱盤管管材

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

管材在露天安裝時，尤其是在靠近水面的位置安裝時，應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境下的管材性能，保證其正常工作強度，不發生脆化，從而保證不發生漏損。

銅管也是地表水源熱泵系統可選擇的換熱盤管管材。這是由于銅管的傳熱性能較好，管道長度比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的情況下，會產生銅綠，即堿式碳酸銅（化學式為Cu2(OH)2CO3），不但影響感官，而且會對水質產生不利影響。

3.3 盤管換熱器型式設計

盤管換熱器在水體中的布置有兩種常見形式：盤卷式和排圈式。

圖1 盤管換熱器常見兩種型式

在深度較大或流速較大的水池中宜采用盤卷式。此種換熱器的優點是對水池面積占用比較小，安裝簡單方便。缺點是會水池局部溫差較大，冬季時，盤管周邊水溫較低，而夏季盤管周邊水溫較高，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。此種型式盤管換熱器安裝難度較大，但是這種形式可以實現水池水溫的相對均勻，從而可以提高能源利用效率。在設計中，可以根據實際情況，選用適合的盤管換熱器型式。

3.4 盤管換熱器位置設計

對于新建或改擴建的凈水廠，盤管換熱器的位置選擇宜選在整個水處理流程水質較好的位置。具體得講，可以放在經混凝、沉淀、過濾后的清水池，其主要原因是清水池污垢、雜質及微生物含量較低，可以有效減少對盤管換熱器表面熱阻的影響，提升換熱效率，從而提升整個水源熱泵系統的能效，有效降低能耗及運行費用。

3.5 盤管換熱器設計步驟

盤管換熱器的設計步驟，可以參考下列順序：

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

3.5.2 根據建筑物的冷、熱負荷和水源側換熱溫差，綜合考慮換熱管道經濟比摩阻，初步確定換熱器的盤管直徑；

3.5.3 查閱當地水文資料，查出地表水溫度，如資料不夠充分，在條件充分的情況下，宜進行現場實測，然后分別計算夏季和冬季換熱器的傳熱溫差。基于計算得到的傳熱溫差，即可獲得熱泵機組換熱器的入口溫度；

3.5.4 根據換熱器的類型、管徑和傳熱溫差，計算可知該項目所需的換熱器選型參數；

3.5.5 應根據建筑物的冷熱負荷分別求出冷、熱負荷所需的換熱器長度，取其中最大值作為換熱器的實際長度；

3.5.6 確定換熱器總的循環流量，并求出所需并聯的環路數量。需要注意的是，盤管換熱器的主要熱阻在于管壁，因此盤管換熱器的管內流速對總傳熱系數影響不大，因此不必特意提高設計流速，從而可以降低盤管的阻力損失。

3.6 熱泵機組的選擇

對于大部分北方地區凈水廠而言，由于冬季部分生產車間具備防凍的需求，夏季這部分車間沒有制冷的需求，而只有部分辦公用房、宿舍等存在夏季制冷需求。這會導致整個水源熱泵系統冬季峰值熱負荷數值大于夏季峰值冷負荷數值，因此在選擇熱泵機組時，應優先選配不同容量的機組，以同時滿足夏季和冬季的冷熱需求。并需同時兼顧冬季供熱時的設備能效和夏季供冷時的部分負荷能效，以最大化實現節能環保的設計目標。

4 結論

本文對水源熱泵系統在凈水廠中的應用展開探討，分析了開式系統與閉式系統的的特點極其適用場景，針對閉式系統防凍液選取、換熱盤管管材、盤管換熱器型式、盤管換熱器位置設計進行分析，給出了設計建議。