我国典型再生水源热泵工程调查分析

前言

城市污水中所赋存的热能是一种公认的尚未有效开发和利用的清洁能源，利用热泵技术可以回收城市污水中不能直接利用的低品位能量。城市污水源热泵具有节能、环保、节水和减少温室气体排放等诸多优点，属高效利用可再生能源技术的产品，可以大大降低一次能源的消耗。

1978年，原苏联的扬图夫斯基等人首次对河水、污水、海水的热能利用进行了研究探讨，提出利用莫斯科河水作为热泵热源进行区域供热的方案，并从宏观角度分析了水源热泵系统(包括污水源热泵)的应用价值和前景[1]。20世纪80年代开始，日本、瑞典、挪威等供热发达国家对再生水源热泵开始了相关的应用研究及实践，并建立了一批大型热泵站。

我国的污水源热泵技术推广应用起步较晚，但是势头很好。目前在北京、沈阳、河北、山东、大连等地均建立了再生水源热泵项目。但是与国外的大型热泵站相比，我国已投入使用的再生水源热泵系统大多比较小，而且一些项目采用了国外的核心技术。此外，国内对再生水源热泵系统的可行性、经济性、环保性的研究比较多，对实际工程应用研究很少，对于再生水源热泵的系统设计及运行经验也相当缺乏。本文将对我国20个典型的再生水源热泵工程进行调查分析和总结，讨论工程中出现的问题，并给出建议，从而为实际工程设计、运行管理提供有益的参考。

再生水源热泵工程分析

基本情况分析

表1为调查的20个工程的基本情况。由表1可以看出，再生水源热泵在北京、辽宁、河北等地使用较多。最早的再生水源热泵项目是2000年北京高碑店污水处理厂的实验项目，此后随时间的推移，工程项目有逐年增加的趋势，特别是近几年投入使用的项目较多。但是系统相对国外而言偏小，目前国内最大的是奥运村再生水源热泵项目，其建筑面积51.7万m2。从应用场合来看，特别是在我国应用再生水源热泵系统的最初几年，再生水源热泵系统多应用于污水处理厂自身的空调采暖，在近两年，才出现了将再生水源热泵系统应用于住宅和商业建筑的工程，扩大了再生水源热泵系统在我国应用范围。

各样本水温、水质、水量分析

再生水源热泵系统是水源热泵的一种，水源状况是水源热泵系统成功应用的关键，水源系统的水温、水质、水量和供水稳定性决定了水源热泵系统的运行效果。水源热泵系统运行时对水源的要求是：水量充足，水温适度，水质适宜，供水稳定。由于再生水源的特殊性，再生水源的水温、水量和水质对再生水源热泵系统的运行更是起着非常重要的作用。

水源热泵中央空调系统在制热运行工况时，水源水温应为12℃～22℃;在制冷运行工况时，水温应为18℃～30℃。样本各工程项目再生水水温冬季大约在12℃～15℃左右，夏季大约在20℃～25℃左右，总体上可很好地满足水源热泵系统水源侧的温度要求。再生水源热泵工程所采用的水源为城市污水处理厂二级出水，都基本满足或好于国家城市污水二级排放标准。处理后污水中的悬浮物、油脂类、硫化氢等均要比原生污水小十倍乃至几十倍，由于再生水水质比原生水要好的多，再生水作为热泵热源要优于原生污水做热源，热泵的制热性能系数和制冷性能系数都较大[5]，所以在能够使用再生水为热源/汇时，尽量使用再生水。由于目前工程项目一般较小，项目需水量只占污水厂出水量很少的部分，污水厂出水量的变化不会影响到工程水源用水。

设备分析

样本工程选用热泵机组并没有统一标准，但从中还是可以发现一些规律：各种形式的压缩机均有使用，负荷小的项目采用螺杆式稍多，负荷大的项目多采用离心式;工质采用R134a居多，国外品牌占大多数。各工程的防堵、防腐蚀和结垢设备由于水质不同，而不尽相同。再生水在进入换热器前一般经过两到三次过滤，在吸入口处设置格栅或过滤网，除去较大的悬浮物，为了能够连续运行，在进入换热器前一般会采用精度更高的自动清洗过滤器，但也有为了费用问题而设置备用过滤和管路，不采用自动清洗过滤器的。由于水质不同，有些工程还设置了除砂器和电子水处理仪，电子水处理仪能够起到一定的防垢、除垢、杀菌灭藻和缓蚀的作用。换热器的腐蚀和结垢是不可避免的，这就需要对换热器定期清洗，在已知样本中一般采用反冲和定期拆卸清洗的方式，也有项目采用了胶球自动清洁装置。胶球清洗技术是20世纪80年代在国外发展起来，起初在热电行业凝汽器系统中使用。其除垢机理是：密度与水相近的海绵胶球通过管内微受压缩，胶球受流体的推动力在管内流动，并借助海绵体的弹力对管壁施加压力达到除垢的目的[6]。

系统形式分析

再生水利用方式

在20个样本中，采用直接利用方式的，即再生水直接进入热泵机组进行换热有5个;采用间接利用方式的有9个;未知的有5个;另有1个样本同时采用了这两种方式(供热水的机组采用间接方式，采暖制冷的机组采用直接方式)。也就是说在已知利用方式的样本中，单独采用直接利用方式的占3 3.3%，单独采用间接利用方式的占60%，既有间接利用方式又有直接利用方式的占6.7%。间接利用方式中再生水不进入热泵机组，可有效避免热泵机组换热器的腐蚀和堵塞问题，增加系统设备运行的可靠性，但是会增加设备投资。直接利用方式简单、投资少，但是会增加机组换热器堵塞和腐蚀。从分析结果来看，采用间接利用方式的项目占多数。

工况转换方式

样本中冬夏季工况转换采用制冷剂切换系统，即通过四通换向阀来选择制冷或制热工况的有2个;采用水路切换方式，即通过阀门改变水流来实现工况的转换的有10个;未知的有8个。即在已知转换方式的样本中，采用四通换向阀来实现工况转换的占16.67%，采用水路切换方式来实现工况转换的占83.33%。水路切换方式中，热泵机组省去了的为切换工况而设的四通换向阀，也避免了因工质切换而造成的匹配失调。从分析结果来看，采用水路切换方式来实现工况转换的项目占大多数。

再生水换热器

样本中，与再生水进行热交换的换热器采用光管浸没式换热器的有2个，采用管壳式换热器的有6个，采用板式换热器有6个，未知的有6个。在已知换热器形式的样本中，采用浸没式的占14.28%，采用管壳式的占42.86%，采用板式的占42.86%。从分析结果来看，采用管壳式换热器和板式换热器所占比例相同，采用浸没式所占比例较小。在已知换热器材料的样本中，换热器所用到的材料有紫铜、钛合金、不锈钢和PEX塑料。

运行效果分析

从工程样本看，各项目投入使用后基本都能满足用户需求，如北京延庆县法院办公楼污水热泵项目，该工程于2002年11月投入使用，已运行了两个采暖季节和两个制冷季，系统运行稳定，经现场测试，制热和制冷效果良好。夏季空调室内温度在24℃～28℃，冬季空调室内温度在18℃～22℃。但也有不尽如人意的，如卢沟桥污水处理厂热泵系统个别区域的供热效果不佳，但这是由于末端管路设计造成的，与热泵系统并没有关系。此外，样本系统基本上都采用集中控制，对系统远程控制，机房可实现无人值守。

系统初投资和运行费用差别很大，在已知初投资的样本中，最低的是南通新城小区120元/m²～130元/m²，最高的是石家庄桥东污水处理厂项目328.65元/m²;在已知运行费用的样本中，大多数项目年运费在50元/m²～70元/m²，最低的是延庆法院办公楼项目，年运行费用为18.38元/m²，最高的是石家庄桥东污水处理厂项目74.46元/m²。系统的投资和运行费用与建筑格局、水源条件、设备的选择以及当地的能源价格有关，各地会有不同。

再生水源热泵系统的经济节能作用在样本中，得到了充分的体现。如电谷锦江国际酒店污水源热泵工程，系统年运行费比水冷螺杆加蒸汽系统节省188.5万元，每年可节电188万度，节约标准煤752吨，减少CO2排放量546吨，SO2排放量16.54吨，NOX排放量7.52吨，烟尘排放量12.78吨。

工程中存在问题分析与建议

水源

首先，从水温来看，在多数情况下，再生水水温可以很好的满足水源热泵的使用要求，但在某些极端情况下，再生水水温不能使水源热泵在高效节能的范围内运行，甚至危及热泵机组。如延庆县法院办公楼污水热泵项目的再生水水源会出现9℃的低温，秦皇岛污水处理厂项目的再生水水温更是会低至7℃。其次，从水质来看，各工程所使用的污水处理厂二级出水理论上都能达到国家二级或以上排放标准，可以满足水源热泵机组的水质要求，一般情况下经过简单的过滤就可以使用，甚至可以直接进入机组。但是实际上并是不一定能够做到的。其一，城市污水处理厂出水的水质并不是一直稳定的。其二，若原生污水水量超过污水厂的处理能力的情况下或污水厂运行的间歇期等，会有部分原生污水混在处理水中排出，这时的出水水质就比较差。第三，水量问题。城市污水厂的出水量与进水量是动态平衡的，与季节、降雨等诸多因数有关，水量是有波动的。从前面的工程样本中，我们可以看到，在样本中一般项目的用水量只占出水量的很少的部分，污水厂出水量的变化对工程用水量基本没有任何影响。今后如果出现用水量较大的工程项目时，污水厂出水的变化就不得不考虑了。最后，取水地与热泵机房的距离。若距离较远，再生水输送管线的铺设将有一定的难度，要考虑检修、腐蚀、城市建设等，而且管线较长水泵功耗会比较大，很难实现节能。

水源状况是水源热泵系统成功应用的关键，对于再生水水源可能出现的问题是不能忽视的。对水温问题，可以设置备用水源或其他冷热源。水质问题，要慎重考虑水源的前期处理，若处理简单，可能不满足要求，但复杂处理又可能造成费用过高。另外，从工程样本中，我们可以看出，一般项目主要考虑的是去除再生水水源中的杂质，而藻类等易形成微生物粘膜的物质并未 去除，这点在以后的设计中也要加以考虑。当污水厂水量波动可能出现水源用水不足时，可设置备用水源或水量调节池。

系统的性能系数

根据工程样本数据，系统的性能系数大多在3～4之间，比普通水源热泵系统低，这是由于再生水水质特性造成的，利用再生水水源的换热器更容易结垢或形成微生物粘膜，其直接影响是换热热阻的增大，换热效果的降低。因此在设备选型的时候要加以考虑。

再生水换热器

由于再生水的水质特点，与再生水接触的换热器的堵塞、腐蚀以及结垢问题是不可避免的。这些现象的存在将导致换热器换热效果的下降，缩短换热器的使用寿命，有时甚至无法工作。为保证换热器正常连续的工作，样本对水源前置处理采取的措施是，条件好的采用自动清洗过滤器、电子水处理仪等，考虑到经济因素，有些样本工程采用备用管路和备用过滤器，以解决在不停机状态下的过滤器清洗。但不管采用何种方式，换热器的堵塞、腐蚀以及结垢问题还是非常不乐观的，这就需要对换热器进行清洗。在已知样本中一般采用反冲和定期拆卸清洗的方式，耗费人力及能源，也有采用胶球自动清洁装置的，但是费用较高。因此，针对污水水质的特点，设计和优化与再生水接触的换热器的构造，使换热器具有一定的防堵塞、防腐蚀、防结垢等功能显得尤为重要。针对此问题，根据再生水的水质特点，哈尔滨工业大学首次提出了污水走壳程，制冷剂或循环介质水走管程的自动除污换热器，并申请了国家发明专利。

经济性

从样本数据来看，系统的初投资和运行费用相差很大，这和再生水水源情况、用户及当地的能源政策和价格等有关。水源情况包括水温、水质、水量以及取水地与热泵机房的距离，水温、水量直接决定了系统能否正常运行以及运行后的经济性，不同水质的前置处理成本相差很大，而距离关系到运输成本和冷热量的损失，因此对水源情况做详细的调查。末端用户形式也会对系统初投资和运行费用造成很大的影响，当地的能源政策和价格则直接影响了再生水热泵系统和其他系统的经济比较。综上所述，根据实际情况对再生水源热泵的技术经济评价是十分有必要的，不能盲目跟风采用再生水源热泵。

结论

再生水源热泵系统在国外已有20年左右的运行经验，发展至今已成为一项比较成熟的技术，虽然在我国起步相对较晚，但发展形势较好。本文总结了我国20个已建或在建的再生水源热泵项目，从水源、设备、系统形式、运行效果等方面对我国的再生水源热泵系统做了分析，并针对存在问题给出一些建议：在今后的工作中应加强再生水换热器以及在位清洗方式的研究;此外，再生水水源热泵系统作为一个系统工程，系统的节能、环保、经济性以及可靠性问题必须从系统的各个环节考虑，优化设计方法。