218 供水厂采用水源热泵空调系统的应用研究

218供水厂采用水源热泵空调系统的应用研究水源热泵系统在供水厂的应用研究同济大学暖通空调及燃气研究所蔡龙俊刘松摘要：城镇供水厂水资源丰富、水质优良，若将水源热泵系统应用于供水厂，供给厂区日常办公和生活所需要的冷量和热量，将具有良好的节能效果。本文根据供水厂净化处理工艺和水源热泵系统特点，对水源热泵系统在供水厂的应用进行了研究，并结合某具体工程实例，提出合理的解决方案，论证了水源热泵系统应用于供水厂的可行性。关键字：供水厂；水源热泵；水质；可行性1引言水源热泵是一种高效环保的节能技术，其理论研究和工程应用引起业内人士普遍关注。目前海水源热泵与湖水源热泵的应用已有成功示范案例，随着上海2021年世博工程开工，利用黄浦江水作为冷热源的热泵项目也开始了应用。然而，目前为止国内对水源热泵技术在供水厂中的应用研究以及工程实践几乎处于空白。本文论述了水源热泵系统在供水厂应用的可行性，并通过具体工程案例，给出了解决方案，为水源热泵系统在供水厂中的应用研究提供参考。水源热泵系统由水源热泵.空调主机系统，水源水系统和末端三部分组成[1]。供热时，由电驱动的水源热泵机组把从水源中提取的低品位能送至高温热源，满足用户供热需求；供冷时，机组将用户室内的余热转移到水源中，满足用户制冷需求，其工作原理如图1所示。一般水源热泵性能系数COP≥3.0，即消耗1kWh的电能，可以得到3kWh以上的供热量[2]。水源热泵利用的是浅层地热能，冬季温度高于大气温度，夏季低于大气温度，所以其COP值明显高于空气源热泵。图1水源热泵系统工作原理示意图2供水厂采用水源热泵系统可行性分析水源热泵系统在我国工程应用方面的经验表明：充足的水量、合适的水温以及合格的水质是水源热泵系统正常运行的重要因素[2]；供水厂基本满足了上述要求。2.1供水厂水处理工艺供水厂净水处理目的是去除原水中的悬浮物质、胶体、细菌及其他有害成分，使净化后的水质满足生活饮用水或工业生产的需要。这里仅以地表水源为例，简单描述其典型净化处理工艺，如图2所示[3]。图2地表水典型净化处理工艺上图所示工艺，先在水中投加混凝剂，混凝剂在水泵叶轮搅拌下，迅速而充分的混合，然后在池中形成絮状沉淀物（矾花），矾花经沉淀和过滤后去除，然后经消毒进入清水池，由二级泵房供应用户。如用澄清池代替沉淀池，则含有混凝剂的原水直接进入澄清池，在池中同时完成絮凝和澄清过程。2.2供水厂水源水量随着我国城镇化速度的加快，我国城镇供水飞速发展。据统计，截至2021年，我国城镇公共供水能力达16744万m3/d；水厂数目达3479座，年供水总量达340亿万m3，城市人均日综合用水量达318L。对于单个供水厂而言，按其供水能力可以分为三类：日供水能力30万吨以上的供水厂属于大型供水厂；日供水能力在10万吨以下的属于小型供水厂；介于两者之间的属中型供水厂。目前，我国大多数供水厂都属于中小水厂范畴[4]。以日供水能力10万吨，5℃换热温差计算，理论上每小时可供给的热量为8.75×107kJ。从以上数据可以看出，即使中小型水厂，蕴含在水体中的热量都是巨大的，足以满足厂区一般日常生活的冷热量需求。而且水厂日常所需要的冷量和热量与供水厂规模即日供水能力正相关。负荷越大，水厂日供水能力也越大，水源资源也相对充足。这为水源热泵系统在供水厂的应用提供了水源水量的保证。2.3供水厂水源水质应用水源热泵技术时，除考虑水源水量外，水温、水体化学成分、浑浊度、硬度、矿化度以及腐蚀性等因素都应该在考虑的范围之内。目前，国内还没有明确的机组产品标准和相关规范限制水源热泵机组水质[5]，但若水源中含有泥砂，浊度太高会对机组和阀门等部件造成磨损，甚至造成管道堵塞等问题；水源中含有的不同离子、分子、化合物和气体，使得水具有酸碱度、硬度、矿化度和腐蚀性等，对机组材质有一定的影响。根据国家相关规范规定，供水厂选择水源所必须遵循的原则是：水质良好，便于防护，水量充沛可靠，且水质要符合《生活饮用水水源水质标准》CJ3020-93中关于水源水质的规定，同时供给城镇居民的生活饮用水水质必须符合《生活饮用水卫生标准》GB5749-2021中生活饮用水的水质标准，两者的主要指标参数如表1[6]、表2[7]所示。表1生活饮用水水质部分常规指标及限值（单位mg/L,浊度和PH值除外）表2生活饮用水水源水质部分常规指标及限值（单位mg/L,浊度和PH值除外）一级和二级水源水质良好，经过常规净化处理后水质即可达到GB5749-2021的相关规定，可供居民生活饮用。水质浓度超过二级标准限制的水源水是不宜作为生活饮用水水源的，实际情况是现有的城镇供水厂最终供给饮用水水质各项浓度指标都低于甚至远远低于国家标准的限值。综上所述，城镇供水厂由于其特定工艺特点以及实际需要，对于水源水以及最终供水的水量和水质都有严格要求，这一得天独厚的优势，完全满足水源热泵系统对于水量和水质的要求。将水源热泵系统应用于供水厂，结合了水处理与热泵两者的共同优势，充分利用资源，具有良好的节能效果，是可行的。3水源热泵系统取排水点的选择饮用水从水源引出，最终变成可以饮用的自来水，中间需要经过各种不同的净化处理工艺，不同工艺处理后的水质也有一定的差异，所以针对水处理的不同阶段以及水源热泵开系统对于水量水质的不同需求，可以从多个位置选择经济合理的取水排水点。3.1原水处取水城镇供水厂原水一般取自江河湖海以及水库，而生活饮用水国家标准对水源水质各项指标已有明确规定，所以原水理论上是能达到水源热泵系统对水量和水质的要求。且原水没有经过工艺处理，经济性好，但当天气发生变化，降雨频繁时，原水水体浑浊度急剧变大，如果不经过水质处理，将会严重削弱水源热泵机组换热器换热效果，尤其开式系统，长期运行甚至会造成换热器管道堵塞。如若在系统中设置专门水处理设备，设备初投资以及运行维护方面的经济性掩盖了供水厂自身水处理优势，使得供水厂自身资源没有得到充分利用，造成重复投资。3.2过滤池取水沉淀后的水体，通过一层或基层滤料使水中残余的细菌和悬浮物杂质进一步去除的处理方法叫过滤。原水经过混凝沉淀后还不能引用，必须经过过滤消毒后才能达到生活饮用水国家标准。水源热泵机组源水侧选择过滤后水体取水，能够有效避免由于雨水天气等不确定因素对水体水质造成的负面影响。过滤工艺一般能去除原水中80%~90%的杂质，过滤后水体浑浊度以及杂质浓度如硫酸根离子、矿化物等都控制在生活饮用水规定的限制范围内。经过过滤后的水源不论从水量还是水质都能达到水源热泵机组水源的要求，是理想的取水点之一。鉴于开式系统能够省去中间换热环节，换热温差小，换热效率高，且滤后水源水质优良，不会出现堵塞换热器的现象，系统投资以及运行维护方面的经济性能够得到充分体现。3.3清水池取水由于原水中含有对人体健康有害的病原细菌与致病性微生物，“生活饮用水卫生标准”明确规定，集中式供水均应有消毒设施。故过滤后的水需再经过消毒杀菌后才能供给用户。清水池可以调节水流变化，并贮存消防用水，清水池的有效容积包括调节容积、消防用水量和水厂自用水的调节量。调节容积按经验一般为日最高设计水量的10%~20%。清水池中存储的水即生活饮用水，水体中各种微生物以及杂质含量必须达到生活饮用水卫生标准相关指标规定，且一般远远优于标准规定水质，可以直接供给用户。经过消毒之后的水体（清水池储水以及二级供水管中流动水体）是水源热泵机组最佳取水点之一。同样根据前面的分析，开式水源热泵系统所要求的水质标准，经过过滤消毒后的清水是完全可以满足的，同时也可以充分发挥开式系统和清水两者的优势，降低系统投资及运行能耗。3.4排水不论是从滤池取水还是从清水池取水，经过热交换之后的回水是需要选择合适的位置排放的，且排水最好能够循环利用，以免造成水资源浪费，增加系统运行费用。水源热泵系统与供水厂水体仅仅是进行热量交换，并没有质的交换，热泵系统本身并不会对水体水质造成污染；至于水温的影响，因为供水厂水体一直处于流动状态，每天净化处理后的水都是直接供给城镇居民使用而不会储存或者直接回收，故排水水温对于水体水温的影响是很小的。热泵系统换热后的排水可以排放至同一级水处理工艺中直接利用或者回到上一级工艺重新过滤消毒后再利用，以保持水处理工艺水量总量平衡，节约水源资源，降低系统运行费用，同时也不会对供水厂水处理工艺产生不良影响。否则，在设计过程中，需要根据水源热泵系统取排水流量的大小，重新核算各水处理流程水处理能力及水池容量大小，有针对性的进行滤池以及清水池扩容以满足工艺需要和日供水量的需求，不对城镇居民生活饮用水的供给造成影响。4工程应用案例4.1工程概况本工程位于山东省某县城，设计日供水量10万吨，主要供给该县城居民生活饮用水。供冷供暖区域位于供水厂北面的办公综合楼。办公综合楼共三层，总建筑面积1624m2，该办公楼24小时办公。经过计算，该办公综合楼总建筑冷负荷（含新风）162.1kW，冷负荷指标100W/m2；总建筑热负荷146.1kW，热负荷指标为90W/m2。4.2水源热泵系统设计方案4.2.1冷热源方案该供水厂日供水规模为10万吨，而该厂区办公楼总建筑冷热负荷分别为162.1kW和146.1kW。选用2台型号为PRO25M-GR的水源热泵模块机组，单台机组名义制冷量为79.7kW，供热量78.1kW，源水侧水流量17.9m3/h，工作压力1.0MPa。机组置于办公综合楼1楼热泵机房内。系统形式选择开式，将源水直接引至水源热泵机组内进行热交换，以提高换热效率。4.2.2取排水方案水源热泵机组源水侧所需总流量为36m3/h，水量相对较小，而在办公综合楼南侧70m处有一高30m供水塔，为提高水源热泵机组运行效率，降低系统初投资及运行能耗，充分利用供水厂固有资源，将水源热泵系统取水点设于居民生活饮用水供水总管水塔底端，利用水塔30m高度扬程为动力为水源热泵机组供水。经过计算，水塔水压足以补偿源水侧循环水系统沿程阻力损失，局部阻力损失以及位置水头损失，同时还能省去水源侧循环水泵初投资以及日常运行维护费用。为保证回水不影响饮用水水质，回水回至上一级工艺过滤池中。冷冻循环水侧补水问题也由高位水塔解决。在水源热泵机组源水侧进水口处取一分支接至冷冻水循环泵吸入端，代替常规系统膨胀水箱，解决系统定压、补水问题。4.2.3辅助热源根据业主和建设方提供资料，该供水厂清水池位于地下2.5m深处，水温接近地下水水温，夏季低于室外大气温度，冬季高于室外大气温度，且极端低温不低于5℃，完全能够满足水源热泵机组正常工作所要求的温度条件。本方案在设计过程中，综合考虑各种不稳定因素，为确保机组正常安全运行，在机组源水侧前段并联一额定功率为30kW的电加热辅助热源，平时关闭，冬季当室外气象条件极端恶劣，使得供水水温低于5℃时，系统自动开启电加热器预热，提高供水水温，以保证水源热泵机组稳定高效运行。本方案原理图如图3所示。图3水源热泵系统原理图5初步结论与展望5.1初步结论通过对水源热泵系统在供水厂的应用进行研究，相关要点小结如下：1)城镇供水厂水资源丰富，水质优良，已经具备水源热泵系统应用的有利条件，只要设计合理，水源热泵系统在城镇供水厂的应用是完全可行的；2)开式系统应用于供水厂可以省去中间换热环节，提高系统运行效率，节约运行能耗；3)水源热泵系统取排水点的选择是多样的，具体工程项目应采用何种取水方式以及从何处取水需要根据项目情况具体分析，因地制宜，设计出经济合理的方案，而不能千篇一律；4)保证供水厂出厂水质要求是应用水源热泵的前提条件。水源热泵系统在运行过程中与水体只进行热交换，没有质交换，且水体处于流动状态，正常情况不会影响水体水质。5.2展望1)对已建好的供水厂，供冷供热系统改造时，应优先采用水源热泵技术；2)我国夏热冬冷地区的供水厂，适宜采用水源热泵系统；3)如供水厂靠近城市街区的商业中心等地时，可考虑利用水厂的水资源，进行集中供热；4)开式系统的排水点应设在过滤池或过滤池前的水处理工艺；如果万一发生工质泄漏能保证及时排放。参考文献[1]GB50366-2021.地源热泵系统工程技术规