关于套管式城市自来水水源热泵的可行性分析

吴恭英　赵勇

摘 要 分析了套管式污水源热泵系统的优势，在此基础上构想出套管式城市自来水水源热泵系统。综合分析自来水水源热泵在实际工程应用中所需水质、水温、水量、所能承载的负荷等条件。本文还对套管式自来水水源热泵的优劣势进行分析，并与常见的几种热泵形式进行优劣势对比。分析结果表明套管式城市自来水水源热泵在实际工程应用中是可行的。

关键词 套管式 城市自来水 热泵

中图分类号：TU831 文献标识码：A

随着我国工业建筑与民用建筑总量和类型逐年上升，建筑能耗占能源总消费量的比例已从上世纪七十年代末的10%，上升到27.45%，逐渐接近三成。根据中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院徐伟发表的文件显示，为了创造舒适的室内工作生活环境，对建筑进行的采暖、通气、空气调节及相关系统工程占到建筑总能耗的一半。这也就是意味着，暖通空调行业占社会总能耗的比例约为15%。在能源供求形势日趋紧张的背景下，暖通空调行业的创新和技术进步不仅能有效促进建筑业的能效提高，而且对推进全社会节能减排具有重要的意义。我国从2006 年开始相继推出《可再生能源法》、《绿色建筑行动方案》等法案，并在“十一五”、“十二五”、“十三五”规划中将可再生能源发展作为节能工作的首要任务。

热泵系统因地制宜，形式多样，具有高效节能的特性，结合多种可再生能源，大大地改善了建筑能耗过高的现状。可再生能源的应用主要有太阳能、地热能、江海水源及污水源等。水源热泵技术是利用地球表面浅层水源中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。常见的水源有：地下水、河川水、海水、污水等。其中，套管式污水源热泵发展迅猛，被应用于诸多工程中，例如北京洋桥大厦等。

1套管式污水源热泵介绍

（图1）原生污水水质极其恶劣，包含各种尺度悬浮固态物质及溶解性化合物。其中大尺度污物会对流通断面形成堵塞，微尺度污物会在换热表面沉积、附着，形成污垢，降低传热效果，同时增大流动阻力。套管输送换热系统利用大管径套管换热法实现冷热量的提取：（1）污水或地表水在大管径套管中的内管中高速、湍流流动，通过内管壁面向大管径套管中的热载体传递能量；（2）热载体在大管径套管中的环空间内流动，将内管壁传递的能量输送到热泵机组的蒸发器或冷凝器，实现能源的利用。套管换热法有效解决了换热设备的阻塞问题。此种设计中污水与热载体没有直接接触，安全可靠。

类比于套管式污水源热泵系统，能否开发出套管式城市自来水水源热泵系统呢？通过换热设备只提取所需要的要能量，并保证两种能量的载体之间没有直接接触，不对两者的任意一方造成污染。比如利用换热设备只对自来水进行热量的转移，并且保证设备安全可靠，不对自来水水质产生较大的影响。除此之外，供水管道铺设在地表以下，近似的可以认为是小型的土壤源热泵系统。管网的自来水经过套管式换热器交换能量后在城市管网流动，与周围的介质发生能量传递，恢复到整体的平均水平。夏天把自身多余的热量散发出来，降低温度，冬天从周围的环境吸收能量提升温度，恢复到初始时的平均温度。

2套管式城市自来水水源热泵系统可行性分析

2.1城市自来水开发的法律规定分析

为了发展城市供水事业，保障城市生活、生产用水和其他各项建设用水，我国制定了《城市供水条例》。其中规定，实行有利于城市供水事业发展的政策，鼓励城市供水科学技术研究，推广先进技术。套管式换热器是在城市供水管网的施工基础上进行设计的，自来水与换热介质之间没有接触，仅仅有能量转移，没有构成污染风险。可见在法律层面上是可行的。

2.2开发水量基础分析

城乡建设厅为了切实加强全国城市基础设施建设，下发了《关于加强城市基础设施建设的实施意见》，促进供水厂及供水管网改造和建设。到2015年，城市供水普及率普遍超过95%。根据中国产业信息网数据显示，2015年10月中国自来水生产量产量为478026万立方米，其中城市用水量占65%以上。以下是对大庆市24h内城市供水分时段动态统计数据。实验组通过收集2005年8月14日至9月30日的时供水量数据，绘制大庆市时用水量变化曲线，以此为依据来划分大庆市优化调度的时段。下面列出大庆市典型日时用水量变化曲线。

根据上图所提供的数据，将典型日24小时分为两个时段，5：00～22：00为第一时段，是用水高峰阶段；22：00～5：00为第二时段，是用水低峰阶段。其中第一时段的供水量约占全天总供水量的74%，第二时段约占26%。类比于大庆市典型日时用水量变化特性，以济南为例，根据济南市城市计划节约用水管理办公室提供的资料，2015年最高日供水量80.6万m3，日均74万m3。可知，济南市第一时间段17h内供水量55万m3，1h约供水3万m3，能运载输送的能量庞大，可待开发的潜力巨大。

2.3自来水水质要求与温度关系分析

从2007年7月1日起，由国家标准委和卫生部联合修订出台的《生活饮用水卫生标准》正式实施。规定要求，常规检验项目42项，各地必须统一检定；非常规检验项目64项，由各省级人民政府根据情况确定。然而各项指标中没有提到对自来水水温的要求。温度升高主要是对自来水中的微生物生长和消毒杀菌所需时间有影响。根据王权老师的研究显示，氯溶于水后迅速水解成的次氯酸。次氯酸分子体积小、不带电荷，易于穿过细菌的细胞壁；除此之外，次氯酸是一种强氧化剂，容易损坏细菌的细胞膜，使内部的蛋白质、RNA、DNA等物质释出，并影响多种酶系统，从而使细菌死亡。在自来水的消毒杀菌过程中，自来水温度升高使次氯酸更易于透过细胞壁，并加快它们与酶的化学反应速度。因此，在加氯量相同的情况下，水温高则杀菌快。当改变供水温度时，管网的水质发生一定变化，其细菌的滋生情况也随之发生改变。根据实验验证的结果，10℃工况与 20℃工况下的自来水水质变化不大。在这个温度段内随着温度的升高浊度、TOC、 NH3-N、PH 和余氯的数值变化很小（变化幅值仅为0.6），细菌总数变化微大，由20增加到48，但 30℃工况的细菌总数增加明显，几乎是10℃工况的两倍，实验的数据表明20℃～30℃有利于微生物滋生。

夏季，一般水温较高，为了达到杀菌所需要的要求，往往增加氯量。依据供水规范，各工况下的水质都符合安全用水卫生标准，即自来水温度从 10℃到 30℃变化时，都可被人们使用。套管式城市自来水水源热泵对供水温度引起的变化，不影响水质，结果是可接受的。

由于城市供水管网中的水不断湍流输送，温度梯度小。据统计，济南黄河水厂夏季平均水温为22.5℃，冬季水温平均为3.7℃。自来水水源基本可以分为两种，一种是地下水为水源，夏季水温度较低，约为12～15℃；一种是采用地表水源，其温度和环境温度相似，约在23℃左右。通过自来水输送能量，小范围的提高或者降低自来水温度是完全可行的。夏季若将自来水温度控制在30℃，可以开发利用的温差接近7℃。冬季可以开发利用的温差控制在2℃，由于城市供水干管的流量大，管径粗，根据Q=CM△T公式，可传递输送的能量巨大。

2.4管材与管道施工可行性分析

供水管网中玻璃钢管材被广泛的应用，约为50%；其次为球墨铸铁，约占25%；其次是 UPVC和PE。玻璃钢管的基体是极其稳定的高分子材料，其破坏压力是按工作压力的6倍设计的，可以确保50年使用寿命。自来水管道的施工技术包括施工测量、沟槽开挖、管道防腐与铺设、砌筑检查井、管道冲洗等。自来水管道防腐措施有外环氧煤沥青、“四油二布”、“二底三面”等，在管道外壁，采用涂刷油漆、镀锌等防腐措施，防腐蚀效果非常理想。施工标准中规定，施工考虑到热胀冷缩、打压、荷载、耕种等多种因素，有关规定要求埋深70公分以下，安全可靠。管道施工留有一定空间，为套管式换热器的安装施工提供条件。

2.5套管式换热系统的优势对比分析

套管输送换热法中自来水在内管中流动，换热介质在环形空间中流动，两者没有直接接触，不会污染。自来水在输送过程中有效地进行了能量转移，而换热面积的大小取决于自来水干管与建筑物之间的距离。套管输送换热法的内管管径大可以达到3m/s，管径200mm，接近城市自来水供水管网管径，而且设计流速高，扰动性好，流量大，换热面积可变，换热效率可观。除此之外，整个系统不消耗一滴自来水，是达到最好的节水效果。

2.6与其他可再生能源热泵比较分析

土壤源热泵、地下水源热泵初投资大，施工工艺复杂，工期长，风险大，打井占地面积大，城市应用局（下转第157页）（上接第148页）限多。空气源热泵在低温环境中容易结霜，且体积较大，机组的重量相对较重，浪费建筑空间影响其美观。太阳能热泵应用中问题更多。太阳能辐射能地面处的能流密度仅约为0.5kW/㎡，而且随昼夜、季节、纬度和海拔等因素变化，更易受到天气的随机性变化影响。常设辅助热源，投资高，效益低。且技术有待突破，设备运行效率低。污水中有悬浮物、盐类等杂质，需要解决阻塞、腐蚀、结垢、微生物滋生等问题。污水质量、温度与城市所处的位置、生活水平、工业污水、生活污水及季节等诸多因素有关，不确定性太大，极不稳定。自来水管网，以24h为短周期，以年为长周期，运动规律且稳定，为后期的开发利用提供极大便利。

3套管式城市自来水水源热泵的不足

城市供水管网中，玻璃钢管材的导热系数O.20KcaL/（m.h.℃），在以此为基础开发的套管式换热器中，换热效果有待提高。冬季自来水温度接近4℃，应用于热泵时换热温差有限，对换热器的设计要求高。套管式城市自来水水源热泵用于工程时，需要选择在靠近城市供水的主干（一级供水管网）管线附近，才能使得系统稳定性提高，可以被开发被利用的工程有限。

4结论

套管式城市自来水水源热泵不但可以用于新建筑，新规划区域，还可以对旧的高耗能建筑进行节能改造，这是其他能源无法代替的。“饮用水安全问题关系到广大人民群众的健康，必须高度重视。”它和百姓饮水安全及市政工程息息相关，所以必须得到政府的大力支持，供水单位的大力配合，政府可以组织专家对整个城市自来水资源储量、地下管道敷设状况、流量、温度等工艺数据等进行详细调查，制定综合开发规划。

套管式城市自来水水源热泵，从理论上分析得出的结论是可行的。一项新技术的实施，需多技术分析，需要更多的同行业的工作人员共同努力。

参考文献

[1] 廖佳.暖通空调行业约占社会总能耗15%[Z].新华网，2014-12.

[2] 吴荣华.城市原生污水冷热源污水流动阻塞与换热特性[J]. 暖通空调，2005，35（2）：54-56.

[3] 李坤.城市供水管网系统宏观优化调度的研究[D].哈尔滨工业大学，2005.

[4] 济南日供水量达最高点一个大明湖不够两天喝[N].济南日报，2015-7.

[5] 卢升鹏，张明德，蔡云龙.我国城市供水发展特征分析[J].中国人口资源环境，2010（20）.

[6] 王权，郑传林，邵洪.给水处理中加氯量的影响因素[J].山东建筑工程学院学报，2000，15（1）.

[7] 丛乐.给水管网水力运行参数及温度对水质影响的实验研究[D].哈尔滨工业大学，2011.