淺析華北地區(qū)凈水廠工程冷、熱源選擇

□黃 崗

凈水廠是從河流或地下進行取水，對原水進行消毒、過濾等工藝處理，將優(yōu)質水供給到用戶，凈水廠分為生活區(qū)和生產區(qū)，生活區(qū)的管理用房和生產區(qū)的制水車間均需要進行冬季供暖，夏季供冷。綜合考慮水源和城市規(guī)劃，凈水廠選址一般距市中心較遠，利用市政資源難度大，難以實現集中供熱，需采用熱泵系統(tǒng)進行供冷供熱。常規(guī)凈水廠內，需要供熱的建筑物有管理用房、門衛(wèi)、凈水間、加藥間、加氯及活性炭間、送水泵房等，需要供冷的建筑物有管理用房、門衛(wèi)、生產用房值班室等。在華北地區(qū)，常規(guī)凈水廠冬季供熱負荷約為夏季供冷負荷的2～3倍。目前市面上比較常見的熱泵系統(tǒng)有3種，水源熱泵系統(tǒng)、土壤源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)。

1.水源熱泵系統(tǒng)

水源熱泵系統(tǒng)是一種以地下水、地表水、海水、城市污水等水體作為低品位熱源，利用熱泵機組進行換熱，實現供熱供冷的系統(tǒng)。水源熱泵系統(tǒng)的特點見表1。

表1 水源熱泵優(yōu)缺點分析表

針對常規(guī)凈水廠工程，水源熱泵系統(tǒng)平穩(wěn)性好，運行維護難度小，有較好的經濟效益，有效降低了凈水廠的運行成本。但同時存在一定的局限性

一是取水許可難度大。就華北地區(qū)而言，部分地區(qū)地下水超采嚴重，各級政府積極推進水源置換的進程，嚴格控制地下水開采，水源熱泵系統(tǒng)使用地下水時應符合當地水資源管理政策并經水源主管部門批準，難度較大。

二是回灌水質隱患大。凈水廠屬于水源保護區(qū)，保護范圍內不能進行污水排放。采用地下水作為水源時，在機組中進行循環(huán)換熱過程中存在被污染的風險，對受污染的水體進行回灌會造成區(qū)域性地下水水質污染。

三是井群布置難度大。凈水廠內建構筑物較多，且廠區(qū)內敷設有工藝、雨污水、電力、熱力等管線，布置錯綜復雜。根據《供水管井技術規(guī)范》（GB50296-2014）中4.1.12要求“熱源管井應布置在建筑物場地周邊，與建（構）筑物、市政管網設施的距離不得小于10m。”，增加了井群布置及取水管網敷設難度，造成凈水廠占地的增加。

綜上所述，水源熱泵系統(tǒng)不為常規(guī)凈水廠最佳的冷、熱源選擇。

2.土壤源熱泵系統(tǒng)

土壤源熱泵系統(tǒng)是利用地下土壤溫度相對穩(wěn)定的特性，通過深埋于建筑物周圍的管路系統(tǒng)與建筑物內部完成熱交換的裝置。冬季從土壤中取熱，向建筑物供暖，夏季向土壤排熱，為建筑物制冷。它以土壤作為冷、熱源，通過高效熱泵機組向建筑物供冷或供熱。土壤源熱泵系統(tǒng)的特點見表2。

表2 土壤源熱泵系統(tǒng)優(yōu)缺點分析

較水源熱泵系統(tǒng)，土壤源熱泵系統(tǒng)同樣具備運行平穩(wěn)性好，運行維護難度小，綠色環(huán)保等優(yōu)點，但初期投資較大，會增加凈水廠的建設成本，同時也存在一定的局限性。

一是地埋管占地大、投資高。地埋管單管換熱量較小，為達到較好的換熱效果，滿足凈水廠冬季供熱，夏季供冷的要求，需建設幾十眼甚至上百眼換熱井，增加了凈水廠的建設成本，同時增加了凈水廠的征遷量。

二是地層熱平衡難度大。根據常規(guī)凈水廠供熱供冷特點，冬季供熱負荷約為夏季供冷負荷的2～3倍。全年冷、熱負荷平衡失調，長期運行會導致地埋管區(qū)域的地層溫度持續(xù)降低，從而影響地埋管換熱器的換熱性能，降低系統(tǒng)的換熱效率。

綜上所述，與水源熱泵系統(tǒng)相同，土壤源熱泵系統(tǒng)亦不為常規(guī)凈水廠最佳的冷、熱源選擇。

3.空氣源熱泵系統(tǒng)

空氣源熱泵系統(tǒng)采用逆卡諾循環(huán)原理，利用室外空氣的能量通過機械做功，使能量從低位熱源向高位熱源轉移，它以冷凝器放出熱量來供熱，以蒸發(fā)器吸收熱量來供冷。空氣源熱泵系統(tǒng)的特點見表3。

表3 空氣源熱泵系統(tǒng)優(yōu)缺點分析表

空氣源熱泵系統(tǒng)在實用中，存在因外界環(huán)境溫度較低，機組結霜的問題，所以在選用時，要充分考慮到使用地冬季溫度，必要時選用自帶除霜功能的超低溫機組。

空氣源熱泵系統(tǒng)較水源、土壤源兩種熱泵系統(tǒng)能效比略低，但遠優(yōu)于傳統(tǒng)燃煤、燃氣取暖方式的能效比。同時就華北地區(qū)常規(guī)凈水廠而言，適用性優(yōu)于其他兩種熱泵系統(tǒng)，沒有明顯的局限性，投資小，安裝周期短，運行維護難度小。

4.結語

綜上所述，常規(guī)凈水廠工程在選擇冷、熱源時，要充分分析和結合外界因素，因地制宜，綜合考慮適用性、經濟性、安全性、可靠性，做出最優(yōu)選擇。