第四节　热泵技术的应用形式

一、地下水源热泵

地下水位于地表以下的含水层中，温度常年稳定，水量也比较稳定，水质比地表水好；地下水的水温、水量和水质基本不受外部环境条件的影响，取水也比较容易。在几种形式的热泵技术中，地下水源热泵最为简单和实用，应用也最为普遍。在地下水比较丰富的地区，如果能够通过勘察获取准确的水文地质资料，并根据项目需求和实际条件进行合理的设计，严格按照工程规范进行施工，地下水源热泵就能取得很好的供暖制冷效果和节能效果。

（一）地下水源热泵系统的组成

地下水源热泵分为直接式和间接式两种。直接式地下水源热泵系统将地下水直接供给热泵机组；间接式地下水源热泵系统使用板式换热器把水源热泵的水源系统和地下水系统分开，地下水井与板式换热器形成地下水的回路，板式换热器与热泵机组形成中介水的回路，地下水通过板式换热器与中介水进行换热，中介水再作为低位热源进入热泵机组。

由于中介水与地下水之间存在温差，供热时其温度低于地下水，制冷时其温度高于地下水，因此间接式地下水源热泵系统的效率低于直接式；再加上中介水自身循环需要消耗一定的能量，所以间接式地下水源热泵系统的运行成本高于相同条件的直接式热泵系统，并且投资增加。但是，如果出现地下水因水质不好而引起的结垢、泥沙和腐蚀等问题，间接式系统有利于保护热泵机组，可以减少设备的维护费用和提高设备的使用寿命。

对于泥沙问题，应该尽量从地下水成井工艺上解决。只有保证地下水中的泥沙含量在规定范围以内，才能保证地下水源热泵系统长期稳定正常地运行，并且不对地质环境产生影响。

如果地下水具有腐蚀性，则既可以采用间接式系统，也可以采用直接式系统。如果选用间接式系统，需要采用抗腐蚀的板式换热器。如果选用直接式系统，必须采用抗腐蚀的热泵机组；可以根据地下水所含腐蚀性物质的成分和浓度，在生产热泵设备时选用合适的材料。

对于结垢问题，虽然利用间接式系统只需要清洗板式换热器，但是仍然会给运行维护带来不小的麻烦，并会降低系统的效率，提高运行的成本。因此，当Fe2+、Ca2+、Mg2+等容易形成垢质的成分含量较高时，应安装能够满足使用要求的防结垢装置，否则应慎重选择地下水源热泵技术。

如图1-14所示为集中式地下水源热泵空调系统，由能量采集系统、能量提升系统和能量释放系统三个部分组成。

能量采集系统即地下水换热系统，主要由抽水井、回灌井、潜水泵、除砂器和管道阀门等组成；其功能是将地下水从地下含水层中提取出来，输送给热泵机组进行热交换，完成换热后再将地下水回灌到地下同一含水层中。抽水井和回灌井也称为热源井，两者均位于地下，如果出现问题很难维修和改造，对系统的运行将产生致命的影响。

能量提升系统即热泵机组，它将地下水中的能量提取出来，转移给用户。地下水源热泵机组一般都采用压缩式热泵。

能量释放系统即室内末端及其循环系统，主要由末端设备（风机盘管、暖气片、地板采暖以及空调机组等）、循环水泵、分集水器、除污器以及补水装置和定压装置组成；其功能是将热泵产生的冷或热输送到需要的地方。

热泵机组、电气控制设备及能量释放系统中的循环水泵、分集水器、除污器、补水装置、定压装置以及能量采集系统中的除砂器等设备均位于热泵机房内。

（二）地下水源热泵应用中的关键问题

地下水源热泵技术的特点是既能供热又能制冷，并且既节能又环保，投资相对于其他地源热泵方式也是最低的。但是这一技术对水文地质条件的要求较高，对施工安装的技术水平和规范程度要求也很高。如果水文地质条件不合适，或者施工安装不合格，很容易出现问题。笔者有着十几年热泵技术研究和实践的经验，经过认真总结，认为以下几方面的问题需要地下水源热泵技术的建设使用单位和设计施工单位特别注意。

1.水文地质条件与取水和回灌

地下水源热泵技术对水文地质条件的要求很高。项目所在地既要有丰富稳定的地下水资源，又要求含水层有很好的渗透性，能把抽取上来的地下水顺畅地回灌回去。回灌是目前制约地下水源热泵技术应用的主要瓶颈之一。根据表1-10可以初步判断一个地区是否适合应用地下水源热泵技术。

（1）地下水量的稳定性

由地下水中提取的能量在地下水源热泵系统向建筑提供的总能量中占75%左右，因此充足而且稳定的地下水资源是地下水源热泵应用的先决条件。地下水量不足、地下水量不稳定以及没有足够的布置地下水井的场地等原因都会限制地下水源热泵技术的应用。而且，这些问题都取决于客观实际条件，无法从技术上和主观态度上解决。因此应用地下水源热泵技术必须尊重客观实际，因地制宜；决策前需要充分做好水文地质勘察和水资源论证，不可盲目、轻率。

浅层地下水是动态的，它和地表水一样，也不断地由高处或压力大的地方，向低处或压力小的地方流动。地下水还可以通过土壤毛细管上升到地表，蒸发到空气中。所以，一个地方地下水的流失是不可避免的，要保持这个地方的地下水量，就要有稳定的补给。地下水补给一般有两个来源，一是大气降水渗入地下，称为大气补给，大气补给可靠性小；二是外区地下水由地下透水层渗流到本区，也称泾流补给，泾流补给可靠性好。如果地下水的流失多于补给，水位就会下降，水位持续下降就会影响地下水源热泵系统的正常使用。

要应用地下水源热泵，就必须充分了解地下水的储存量、流失情况和补给情况，根据这些情况分析和判断地下水资源的稳定性。一旦地下水的水量存在不断减少的风险，就不能采用地下水源热泵。切不可麻痹大意，否则会造成热泵系统无法使用的严重后果。

（2）地下水的回灌

地下水的回灌是限制地下水源热泵技术应用最为重要的因素之一。地下水不仅是优质的热泵冷热源，更是宝贵的淡水资源，所以经热泵换热后的地下水必须回灌。一方面，回灌可以储能，可以为热泵机组提供持续充足的冷热源；另一方面，回灌可以保护地下水资源。如果回灌出现问题，不仅会造成水资源的大量浪费，而且会增加城市排水量和污水处理的成本；并且由于冬季气温往往低于0℃，如果不能有效回灌，地下水一旦溢出，就会造成浅层土壤渗水冻结，有时候会导致非常严重的后果，这些都是在工程实践中遇到过的问题。

从技术角度讲，地下水的回灌要比地下水的抽取困难得多，要保证地下水能够长期稳定顺畅地回灌则更为困难。但在实际的工程应用中，无论是在勘察设计上还是在施工工艺上，人们对回灌的重视都远远不够，这也是很多项目出现回灌困难的主要原因。

在含水层渗透性比较好的地区（如含水层为中粗砂、卵砾石等），只要采取合理的技术，认真做好设计和施工，回灌问题就完全可以解决；但是在含水层渗透性比较差的地区（如含水层为中细砂、粉细砂、砂黏土等），则要慎重采用或不采用地下水源热泵技术。

在设计和使用中，为了保证地下水资源不被浪费，必须采取有效的回灌措施。地下水有效回灌还可保持含水层的稳定，防止地面下沉。在井水回灌过程中，要注意回灌水的水质，保证回灌后不会发生区域性地下水污染的问题。

为了防止管井堵塞影响回灌，在设计时应尽量采取抽水井与回灌井互换使用的方式。

2.地下水的腐蚀和结垢问题

尽管大部分地下水都是没有腐蚀性的淡水，但也有不少地方的地下水受到了严重污染，不同程度地含有酸碱盐等腐蚀性物质。在这种情况下如果水井、管道、水泵、热泵机组等相关设施的材料选择达不到要求，很容易造成腐蚀，对热泵系统来说是致命的。

水中的Ca2+、Mg2+易在换热面上沉积，形成水垢，会影响换热效果，降低热泵机组的运行效率。但更严重的是Fe2+，不仅容易在换热面上凝聚沉积，而且Fe2+遇到氧气会发生氧化反应，生成Fe3+，在碱性条件下转化为呈絮状的氢氧化铁沉积而阻塞管道，影响换热装置或热泵机组的正常运行。

如果在地下水水质不明确的地区应用地下水源热泵，必须对地下水进行取样化验，根据水质情况采取相应的措施。若井水的水质不符合热泵机组的使用要求，可以采取相应的技术措施（如系统中加装除砂器、净水过滤器、电子水处理仪、除铁设备等）进行水质处理；或采取加装板式换热器的间接供水方式，使井水与机组隔开，避免井水对机组等可能产生的腐蚀、结垢和堵塞作用。只要正确对待，地下水的水质问题和结垢问题都是可以解决的。

3.地下水的含沙问题

这是地下水源热泵应用中常见的问题，也是一个容易被忽视的问题。如果地下水中含沙量过多，不仅会造成换热器和管道的堵塞，还会引发地质问题。只要成井工艺科学合理，地下水的含沙量是完全可以控制在规范要求的二十万分之一以内的。

4.地下水的温度平衡问题

当建筑的冬季负荷与夏季负荷相差较大时，冬天从地下水中吸收的热量和夏天向地下水中释放的热量就会相差很大；这时如果地下水没有很好的流动性，不能把积聚的冷或热及时带走，地下水的温度就会逐步发生变化，就需要进行冷或热补偿；如果地下水的温度变低，就需要用太阳能或锅炉进行热量补偿；如果地下水的温度升高，就需要用冷却水塔进行冷量补偿。

在地质条件可行的地区，可以采用反季节储能的办法解决这一问题。

5.冬夏转换阀门的质量问题

地源热泵系统冬季可以向建筑的末端系统供热，夏季可以向建筑的末端系统供冷；但其冬夏的转换一般不是在机组内实现的，而是在机组外靠阀门的切换实现，如图1-14中的阀门13所示。冬夏切换的阀门如果质量不好或者水中杂质较多，就会关闭不严，造成热泵机组冷凝器加热过的热水和蒸发器冷却过的冷水相互混合，即空调水和水源水相互混合；不仅造成能量的巨大损失，而且由于空调水多为软化水，含盐高，且因长期运行，含有很多铁屑等杂质，一旦进入水源水系统，就会对地下水等水源造成污染；同时水源水水质千差万别，一旦进入空调水系统也会对空调水系统造成污染。例如有些地下水源热泵项目在空调末端中发现大量沙子，就是这个原因，如果水源水是污水或海水，那危害就会更大。

6.热泵机组输出功率随工况变化的问题

热泵的输出功率并不是一个固定的值。制热时，水源水的温度越高，末端空调系统的供水温度越低，热泵系统的效率就越高，热泵系统的制热量也越大；制冷时，正好相反。所以进行系统设计时，必须考虑实际应用时的工况。

二、土壤源热泵

采用地下水源热泵技术利用浅层地热能效率高而且成本低，但其对项目所在地的水文地质条件要求很高；需要有丰富的地下水，并且含水层的渗透性要好，这样的水文地质条件不是到处都有的。有很多地区没有丰富的浅层地下水资源，或者由于含水层渗透系数太小致使回灌很困难，在这种情况下，可以把换热管埋在地下土壤中，让循环水在换热管中流动；循环水经换热管管壁与土壤进行热交换，这种换热形式只有热量交换而没有物质的交换。夏季地埋管换热器将热泵机组产生的热量释放到土壤中，冬季从土壤吸热并将热量提供给热泵机组，这种热泵技术称为土壤源热泵。

（一）土壤源热泵系统组成

土壤源热泵系统与地下水源热泵系统类似，也由能量采集系统、能量提升系统和能量释放系统组成，如图1-15所示。

能量采集系统即地埋管换热系统，主要由地埋管换热器、循环水泵、定压补水装置和循环管路组成。地埋管换热器是由埋设在地下的高密度聚乙烯管组成的封闭循环回路；循环介质为水或含防冻剂的水溶液，冬季从周围土壤中吸收热量，夏季向土壤中释放热量；循环由水泵实现。

地埋管换热器是土壤源热泵系统中最重要的部分，通过它所获取的浅层地热能占热泵系统输出总能量的70%～80%。

能量提升系统即热泵机组。土壤源热泵系统对热泵机组的要求与地下水源热泵系统基本相同。有所不同的是，土壤源热泵系统提供给热泵机组的热源水温度制热时低于地下土壤和地下水的温度；制冷时高于地下土壤和地下水的温度；温差的大小取决于地埋管换热器的换热能力，地埋管换热器的换热能力越低，其内的循环水与地下土壤之间温差越大，进入热泵机组的水温就越低（冬季）或越高（夏季），对热泵机组效率及输出功率的影响也就越大。

能量释放系统即末端及其循环系统，与地下水源热泵系统基本一样。

（二）土壤源热泵应用中的关键问题

1.水文地质条件

土壤源热泵降低了对水文地质的要求，原则上在任何地质条件下都可以应用，有没有地下水和地下水有没有腐蚀性都不会影响它的应用；它不再受地下水水量和水质的制约，并且不受地下水回灌、地下水含沙等问题的困扰。但是在不同的地质条件下埋设换热管的成本差异很大，在岩石层或颗粒较大的卵石层埋设换热管的造价很高，在黏土层或细砂层埋设换热管的造价就较低，总体来讲，土壤源热泵系统的造价高于地下水源热泵系统。另外在地下埋设换热管还需要很大的场地，这也限制了土壤源热泵在很多项目中的应用。根据表1-11可以初步判断一个地区是否适合应用土壤源热泵。

2.换热管长度设计

设计换热管的长度具有一定难度。换热管长度增加就会增加系统的造价，并需要更大的场地。换热管长度不足就会影响与地下土壤的换热效果，加大换热管内循环水与土壤之间的温差，温差越大，热泵系统的效率就越低，系统的运行成本就越高；如果循环水的温度低于热泵的设计参数，热泵系统就无法正常运行。

3.回填的施工质量

回填的质量问题是造成很多土壤源热泵项目应用效果不理想的主要原因之一，所以必须引起足够的重视。

在进行地埋管换热器的设计时，一般以热物性试验结果为依据，计算换热管的长度和换热孔的个数。在进行热物性试验时，由于只需要埋几根试验管，因此埋管和回填的质量是容易保证的。但在大面积施工时，很难保证每个孔的回填质量都能达到试验孔的标准。而一旦回填质量达不到要求，换热管和土壤之间就会形成空隙，而且会越来越大，使换热管和土壤之间的传热热阻大大增加，使地埋管换热器从土壤中获得的热量达不到设计要求，热泵系统的运行效果和节能效果当然就会受到很大影响。

换热管与土壤之间的换热能力和埋设换热管的施工质量有很大关系，尤其是与回填的密实程度关系很大。如果回填不够密实或者存在其他的施工质量问题，就会影响换热管的传热效果，形成很大的热阻，也会导致换热管内的循环水与地下土壤之间温差过大，降低热泵系统的效率，增加系统的运行成本。

4.热平衡问题

应用土壤源热泵时另外一个需要注意的问题是地下土壤的温度恢复。如果热泵系统夏季向地下土壤释放的热量大于冬季从地下土壤吸收的热量，则有可能会导致土壤温度逐年上升，最终会影响夏季供冷时系统的能效及供冷效果，甚至导致系统不能正常运行；反之，热泵系统冬季从地下土壤吸收的热量大于夏季向地下土壤释放的热量，则有可能会导致土壤温度逐年下降，最终会影响冬季供暖时系统的能效及供暖效果，甚至导致系统不能正常运行。长时间的冷/热堆积，还会导致对土壤环境的热污染，甚至引发生态问题。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范附条文说明[另册]》GB 50736条文中明确指出，如果夏季向地下释放的热量与冬季从地下吸收的热量之比超出80%～125%，就需要在热泵系统中增加热源或冷源以调节地下土壤的温度使其保持平衡。

5.场地问题

在应用土壤源热泵技术时，为了保证换热效果，需要埋设大量的换热管，这往往需要很大的场地。现在城市中心区域建筑密度很大，很难有足够的场地和空间去埋设换热管，这是土壤源热泵技术不能普遍应用的主要原因之一。

6.造价问题

土壤源热泵技术不再受地下水量、水质和回灌的限制，理论上在任何地区都可以应用。但在不同的地质条件下，埋设换热管的造价差异很大。在岩石层和卵石层钻孔的难度大、成本高，一般情况下不宜采用土壤源热泵技术。

三、地表水源热泵

地表水是一种容易获得的资源，采用地表水源热泵技术不需要进行地质勘察，系统的造价也低于地下水源热泵和土壤源热泵。如果项目附近有比较好的地表水资源，水量充足、温度稳定，应该首先考虑采用地表水源热泵技术。

（一）地表水换热系统的形式

地表水源热泵系统也由能量采集系统、能量提升系统（即热泵机组）和能量释放系统（即末端及其循环系统）组成，其中能量提升系统和能量释放系统与前面两种热泵系统的一样，就不再介绍了，这里重点介绍一下能量采集系统，即地表水换热系统。

地表水换热系统的形式根据其利用水源的方式可分为闭式系统（图1-16）和开式系统，其中开式系统又可分为直接式系统（图1-17）和间接式系统（图1-18）。

1.闭式地表水换热系统

闭式地表水换热系统将塑料盘管抛入地表水源中，以盘管作为换热器；盘管内的中介水与地表水通过盘管进行热交换，不提取地表水，故不需设置地表水取水口和排放口，对地表水不产生任何影响。

闭式系统可以采用洁净水或者含防冻液的水溶液作为换热介质，这使热泵机组结垢的可能性降低。闭式系统不需要将地表水水体提升到一定的高度，因此其循环水泵的扬程较低，水源输送能耗不大。

闭式系统换热盘管的材料常用耐腐蚀的高密度聚乙烯管，也可采用热导率大的不锈钢管、铜管或钛合金管。用金属管所需的换热面积比塑料管要小，而且比塑料管具有更高的抗冲击强度，可用于流速较高的动水中；但造价要比塑料管换热器高得多，金属管的表面也容易腐蚀。

在利用湖水及水库水时，盘管外表面完全浸泡在流速不高的水体中，其换热方式基本是自然对流，换热系数较低；且盘管的外表面受地表水水质的影响往往会结垢，使换热效率进一步降低。因此在湖水或水库水中抛管的方式只适用于小型建筑的供暖和制冷。

江水、河水则不适合采用换热盘管式热泵系统。这是因为：一方面，江河的水位通常随季节变化波动较大，为避免因水位变化而使换热盘管暴露于水面以上引起江水换热失效，应将盘管换热器置于水体内底部；另一方面，江河水中通常含有大量泥沙和杂物，且江河水泥沙含量通常随着水深而增加，如将换热盘管置于水体底部，则泥沙以及水中杂物必然要覆盖换热器表面而难以达到换热效果。这就需要随时调整换热器的位置以便与水位的变化保持同步，这在江河水水位变化大的流域可操作性比较差，因此目前在江河水源热泵系统中很少采用闭式系统。

2.开式地表水换热系统

开式地表水换热系统直接抽取地表水，送入换热器或直接送入热泵机组进行换热。如图1-17所示为开式直接系统，地表水直接进入热泵机组；如图1-18所示为开式间接系统，地表水进入换热器先与中介水换热，中介水再进入热泵机组进行换热。

开式系统将地表水送入换热器或热泵机组以强制对流的方式进行换热，与闭式系统自然对流的换热方式相比，换热效率大大提高。但开式系统需要解决地表水中泥沙和杂物堵塞换热器的问题，并要考虑换热产生的结垢、腐蚀、微生物滋长等现象对系统的影响。尤其是对于开式直接系统，由于地表水直接进入热泵机组，需要根据其水质情况进行处理并采取有效的防堵和防腐措施。

（二）地表水源热泵应用关键问题

1.水资源量

地表水源热泵由于利用看得见摸得着的地表水，因此它与地质条件没有过多的关系，但是它对地表水资源条件的要求很苛刻。首先是水量要充足，采用江、河水时水流要稳定，采用湖水或水库水时水体要足够大、水深要足够深。如果是没有流入流出的封闭小湖，很容易出现水温受热泵运行的影响出现大幅波动的情况。其次是水温要稳定，地表水温度不像地下水温度那样常年恒定，而是随气温的变化而波动。故《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范附条文说明[另册]》GB 50736条文中明确指出，湖水水体的周平均最大温升不大于1℃，周最大平均温降不大于2℃。在长江流域及以南的地区，如果项目既需要供暖又需要制冷，并且项目附近有比较好的地表水资源，水量充足、温度基本稳定，就可以采用地表水源热泵技术。

2.水质

地表水由于暴露在环境中，其水量、水温和水质都要受到外部环境的直接影响。要使地表水源热泵系统正常运行，一是要取到水量、水温和水质基本稳定并适合热泵系统应用的地表水，二是要想办法应对地表水水量、水温和水质变化可能对热泵系统的影响。保证地表水水量和水温符合热泵系统应用的要求主要应在取水环节解决，本节主要讨论地表水水质对热泵系统应用的影响及应对措施。

（1）结垢问题

地表水中的无机物、有机物和微生物在系统长时间运行后会在金属表面产生污垢物，这个过程称为结垢。通常由于不同的水质会产生不同成分的污垢。

析晶污垢：在江河水流动条件下，呈过饱和溶解状态的无机盐析出并沉淀在金属表面形成的结晶体，这种污垢通常也称为水垢。

微粒污垢：悬浮在江河水中的固体微粒在金属表面上的积聚，包括沉淀污垢（即重力污垢）和其他胶体粒子沉淀物。

化学反应污垢：由化学反应形成的金属表面上的沉积物，不包括金属材料本身参加的反应。化学反应污垢通常和有机化学联系在一起。和微粒污垢及析晶污垢不同的是，防止化学反应污垢最重要的是要弄清污垢形成的机理。化学反应通常是复杂的，并可能涉及很多机制，诸如自然氧化、化合及分解等。

腐蚀污垢：金属表面材料本身参与化学反应所产生的腐蚀物的积聚。这种污垢不仅本身污染了换热面，而且还可能促使其他潜在的污秽物质附着于换热面而形成垢层。

生物污垢：由宏观生物体和微生物体附着于金属表面上形成的污垢，生物污垢产生黏泥，黏泥反过来又为生物污垢繁殖提供条件。

凝固污垢：由纯净液体或多组分溶液的高溶解成分在过冷的金属表面上凝固而成。

实际上换热设备表面的污垢并不是单纯的一种，通常是好几种污垢协同作用的结果，尤其像江河水作为热源水时，江水中存在有机物、无机物、生物、泥沙以及其他悬浮物，使得各种污垢协同作用，形成混合污垢。

（2）堵塞问题

地表水中存在泥沙以及其他悬浮物，在换热器以及输送管道中，由于流动条件的改变，会产生一定的堵塞现象。出现和影响堵塞主要有如下几个方面：

①由于地表水在管道中长期流动，泥沙及悬浮物黏附在管道上，长时间积累，使得管道截面积变小，甚至完全堵塞。

②由于管道截面变化或者流动方向变化，地表水中的固体颗粒流动方向改变，接触壁面的概率增加，会加大堵塞。

③当换热器内流动空间较大时，水的速度变小，泥沙容易沉淀，出现泥沙堆积，堵塞流道。在壳管式换热器的封头内，地表水进入换热管前容易出现这种情况。

④当流动空间出现强旋流时，容易在漩涡部沉淀堵塞。

解决泥沙的堵塞和沉淀问题，可采用如下方案。

江河水在换热管外流动，换热介质在换热管内流动，具体实施如图1-19和图1-20所示。含有泥沙的江河水，由入口进入，从换热器壳体（简称壳程）由右上部向下流动（图1-19）；经过右部挡板底部时，会继续在右部挡板和中间挡板之间向壳体上部流动，到达壳体上部时，沿着中间挡板和左部挡板之间向壳体下部流动；然后经过左部挡板底部后，折流向上，由出口流出（为增加江水流动速度，挡板可设置多个，图1-19中仅示出三个挡板）。在流动过程中，由于含有泥沙的江河水和管内流体存在温度差，两种流体会在整个壳体内通过换热管束表面进行热交换。被冷却或者加热的换热介质由右下部进入管箱（图1-20），然后进入下部换热管束；通过换热管束表面与含有固体杂质的流体进行热交换后，流入左侧的管箱；从管箱再进入上部管束；再次进行热交换，最后由出口流出。

含有固体杂质的江河水在壳程流动时，江河水中的固体杂质颗粒由于重量和壳体内流体流动速度较小等原因，会产生一定的沉淀；沉淀的泥沙会落在挡板、换热管束、集沙斗边壁和底部，由于重量作用，泥沙最终会滑落到集沙斗中形成堆积。可以利用集沙斗底部的排沙管将泥沙排除，排泥沙方式可以选择连续排沙和定期排沙。

为方便换热器的清洗，换热器壳体与盖板应活动连接，即将换热器盖板设计成可以拆卸的；当需要冲洗换热器时，可将盖板打开，对换热管束进行彻底清洗。

（3）腐蚀问题

地表水中以海水的腐蚀性为最强，如果能应对海水的腐蚀问题，其他地表水如江、河、湖水等就都不是问题了。

海水对金属尤其是黑色金属有强烈的腐蚀作用。如何解决海水对设备和管道的腐蚀问题，而且要简单易行，成为海水源热泵技术的关键。应用海水源热泵技术时，在材料选择和结构上都要考虑海水的腐蚀性，同时应采取相应的防腐措施。

应对海水腐蚀的方案有：

①采用耐腐蚀的材料及设备，如采用铝黄铜、镍铜、铸铁、钛合金以及非金属材料制作的管道、管件、阀件等，采用专门设计的耐海水腐蚀的循环泵等；

②表面涂敷防护，如管内壁涂防腐涂料，采用有内衬防腐材料的管件、阀件等，涂料有环氧树脂漆、环氧沥青涂料、硅酸锌漆等；

③采用阴极保护，通常的做法有牺牲阳极保护法和外加电流的阴极保护法；

④采用强度等级较高的抗硫酸盐水泥及制品，或采用混凝土表面涂敷防腐技术。

金属钛在海水，特别是污染海水中具有良好的耐蚀性，耐海水高速冲刷腐蚀的性能尤为突出。表1-12列出了钛管与其他冷凝器管材腐蚀性能的相对比较。因为钛在所有浓度的硫化物中都不受腐蚀，所以钛不仅在洁净的海水中完全耐腐蚀，而且在含硫化物的污染海水中也具有良好的耐蚀性。同时钛在水流速高达20m/s和含沙量高达40g/L的条件下，均具有优良的耐腐蚀性能。

采用金属钛虽然解决了腐蚀问题，但是也带来了其他问题。首先是换热性能问题。钛管的热导率约为B30的58.4%，其导热性能较差。但是实验表明换热器的传热性能并不只取决于管材的热导率，它还与管壁厚度、两侧流体的对流换热系数以及运行期间管壁面的结垢状况等一系列因素有关，可以通过采用薄壁钛管和使用强化传热表面来弥补以上不足。其次是经济性问题。钛板换热器价格昂贵，造价较高，一次性投资大。但由于钛的密度小、比强度高，在设计与制造同样设备时与传统材料B30铜镍合金相比，投料可减少一半；且由于其使用寿命长，因而折算的年投资费用并不高。此外，钛管耐海水腐蚀能力强，在整个运行期间可以避免因换热器损坏而检修、检漏、换管、堵管和停机等引起的大量损失，大大提高了运行的安全可靠性，降低了运行成本。因此，从长期运行的经济性角度来讲，薄壁钛管换热器的综合经济效益仍优于其他管材换热器。

另外，钛管在使用过程中具有表面光洁、不易结垢的优良特性，所以在实际应用中钛管的综合性能仍优于其他管材。

除了采用钛管以外，海水换热器也可采用塑料换热器、特种合金换热器等。取水水泵的腐蚀问题也是海水源热泵的技术难点之一。海水取水泵主要的保护对象包括：外接管（水泵泵壳）内外壁、内接管（轴套）、泵轴、叶轮、导叶体及哈夫锁环等。目前国内滨海电厂循环水泵的保护主要是：泵内采用涂层加外加电流阴极保护技术；泵外采用涂层加牺牲阳极保护方法。泵腔内比较狭小，不适宜安装牺牲阳极。另外泵腔内海水流动过程工艺参数变化大，而外加电流阴极保护法恰恰具有电压、电流可调节性，并可随工艺参数及外界条件的不同而实现自动控制；同时外加电流用的辅助阳极具有体积小、排流量大的特点，通过法兰接口将电极置入泵内，可实现对海水循环泵内壁、泵轴、导叶体、叶轮等的保护。在对泵轴、叶轮、导叶体的保护设计中，为降低泵壳、导叶体与泵轴、叶轮等的接触电阻，降低泵轴杂散电流腐蚀，提高外加电流阴极保护效果，一般于泵壳与泵轴间安装导电环、电刷装置。泵壳外壁不受空间等条件限制，而牺牲阳极具有结构简单、安装方便、可靠以及电位均匀等优点，因此常采用牺牲阳极保护。

（4）水生生物的影响

地表水中生长着大量的水生生物，其中海洋中的生物最丰富。海洋生物包括固着生物（藤壶类、牡蛎等）、黏附微生物（细菌、硅藻和真菌等）、附着生物（海藻类等）和吸营生物（贻贝、海葵等）。这些水生生物在适宜条件下都能大量繁殖，给地表水循环带来极大危害。有些水生生物极易大量黏附在管壁上，形成黏泥沉积，严重时可直接堵塞管道；同时海洋生物还会促进海水的腐蚀问题。因此控制水生生物也是地表水源热泵系统正常运行的必要措施之一。

常用水生生物控制的措施有：

①设置过滤装置。如拦污栅、隔栅、筛网等粗过滤和精过滤设施。

②投放药物。如氧化型杀生剂（氯气、二氧化氯、臭氧）和非氧化型杀生剂（十六烷基化吡啶、异氰尿酸酯等）。通常加氯法采用较多，效果较好。

③电解海水法。电解产生的次氯酸钠可杀死海洋生物幼虫或虫卵。

④含毒涂料防护法等。

⑤防污涂漆。防污涂漆的主要成分以有机锡系和硅系漆为主，涂层的主要部位包括循环水系统（水管、冷凝水室、循环水泵等）和吸水口周围设备（旋转筛网等）。防污漆法是通过漆膜中防污剂的药物作用和漆膜表面的物理作用来防止水生生物生长和附着的。

四、污水源热泵技术

污水源热泵以城市原生污水或再生水作为热泵的低位热源，冬季通过热泵把污水中的低温热能转变为更高品位的热能给用户供热；夏季通过热泵制取低温冷水以满足用户制冷空调的需求。这种装置既可用于供热采暖，又可用于制冷降温，从而实现一机两用。

（一）污水源热泵系统组成

污水源热泵系统按污水是否进入热泵机组分为直接式系统和间接式系统两种。

1.直接式系统

污水经过初步过滤后，直接进入污水源热泵机组。如图1-21所示，污水从干渠引到提升井，经过潜污泵加压后，供入污水过滤装置；然后通过二级污水泵加压后供入热泵机组，经过换热后的污水连同污水过滤装置过滤掉的杂质一同排到退水井后进入干渠下游。

热泵系统的冬夏季转换通过机组内部的氟路系统完成。

优点：污水的能量能够被充分利用，可减小传热温差损失。

缺点：对污水的初步过滤和污水源热泵机组的要求非常严格，热泵机组的成本较高，热泵机组的维护工作量大、维护成本高。对污水中大块悬浮物含量有要求，如果污水中大块悬浮物含量高系统可能运行不稳定。

2.间接式系统

污水经过初步过滤后进入污水专用换热器换热，然后退回污水干渠。换热器另一侧与热泵机组之间的循环介质为清水，清水通过换热器吸收污水的能量后传递给热泵机组。如图1-22所示，污水从干渠引到提升井，经过潜污泵加压后进入污水专用换热器，吸收（释放）能量后的污水通过退水井排到干渠下游。

热泵系统的冬夏季转换通过水路系统完成，如图1-22所示冬季运行阀门F1打开、F2关闭；夏季运行阀门F2打开、F1关闭。

优点：通过中间换热器实现能量传递，对热泵机组无特殊要求，机组维护量小、维护成本低。

缺点：通过中间换热器存在传热损失，中间介质的循环也需要消耗能量，对系统效率有所影响。

（二）污水源热泵应用的关键问题

尽管污水、江河水、湖水、地下水、海水等都是理想的低品位冷、热源，但由于这些水源水质极不稳定，不能满足换热设备运行的要求，因此取水换热过程是利用这些水源的关键问题。这些水源以城市污水水质最差，污水源热泵系统在实际工程中遇到的问题最为突出。城市污水含有各种大尺度污杂物及小尺度悬浮固体和溶解性化合物，前者表现为对管路与设备的阻塞，后者表现为对流动换热参数的影响以及导致换热管内结垢现象，形成相当高的热阻，严重影响了热泵系统的正常运行。

下面以污水为例针对系统设计、问题及对策进行详细分析。

1.污杂物问题

污水含有大量大尺度污杂物及小尺度悬浮固体，前者会对污水源热泵系统的管路与设备造成堵塞，后者会增大换热设备的热阻并影响流体的流动。对原生污水进行处理后再利用其热能是不可行的，因为污水处理的最低费用也要高于从污水中提取热量或冷量的价值。对污水进行过滤也不是好办法，最主要的问题是无法及时清除过滤网上的污物，很容易造成过滤网的堵塞。由于城市污水水质很差，过滤格栅上污杂物的清除量大、频率高，必须采用机械格栅。但其造价高、占地大，而且还有污杂物的处理和设备间空气洁净的保持问题；另外，从城市污水干渠到过滤格栅之间的引水段管路也存在污杂物的淤积与清理问题。因此，最好的办法是将污杂物阻隔在污水干渠中，不让大尺度杂物进入系统。

实现无堵塞连续换热是城市原生污水作为热泵冷、热源的技术关键。

（1）防堵机

污水防堵机采集污水将污水中指定粒径以上的固体、悬浮物截留，允许该粒径以下固体悬浮物进入污水换热器或热泵机组实现无堵塞换热；换热后的污水回到污水防堵机另一通道，与被截留污杂物一起退回到污水干渠。

防堵机工作原理为滤面自身旋转，在任意时刻都有一部分滤面位于过滤的工作区，另一部分滤面位于水力反冲区。在旋转一周的时间内，每一个滤孔都有一部分时间在过滤的工作区行使过滤功能，另一部分时间在反冲洗区被反洗，以恢复过滤功能。污水经过滤后去换热设备无堵塞换热，换热后的污水回到防堵机的反冲洗区对过滤面实施反冲，并将反冲掉的污杂物全部带走排回污水干渠。如图1-23所示，用污水泵1抽吸污水干渠中的污水进入筒外供水区A，经旋转的圆筒形格栅滤网2过滤后进入筒内供水区B，此时污水中已不再含有会引起污水换热器或机组堵塞的大粒径污杂物；利用污水泵3将筒内供水区B中的污水引至污水换热器4中，换热后污水回到筒内回水区C，在压力下经过圆筒形格栅滤网2时，对在圆筒格栅外表面上已经淤积的污杂物进行反冲洗；反冲洗后的污水进入筒外回水区D，并被重新排回污水干渠中。

（2）宽流道换热器

实现无堵塞连续换热的另一种方式就是采用宽流道式污水换热器。这类换热器的特点就是污水侧流道比较宽，可以直接通过大尺度的污杂物，不会堵塞。这类换热器的体积较大，主要需要解决承压的问题、换热效率的问题。这类换热器已在实践中得到较好的应用。

2.污垢问题

污染物会堵塞系统设备及管道，而污垢则会附着在系统设备及管道的内表面，增大热阻，影响换热。

污垢沉积是一个复杂的物理、化学过程，它是动量、能量及质量传递综合作用的结果；其理论基础除传热学外，还涉及化学动力学、流体力学、胶体化学、热力学与统计物理、微生物学、非线性科学以及界面科学等相关知识，是一个典型的多学科交叉的问题，因而形成机制的清晰理解和准确把握是一项十分重要的任务。本节将对污水取水换热过程中的污垢成分进行分析，探讨污水取水换热过程中的污垢形成机理。

当水质较差时换热器中水流速应大于1m/s。即使如此，在污水源热泵系统的实际工程中仍然出现污垢的沉积，导致系统换热性能显著下降。研究人员通过实验方法测定了不锈钢、铜两种材质的螺旋管换热器在不同污水温度下结垢热阻随时间的变化规律，采用质量分析法和X射线衍射分析，得出污垢以微生物垢为主。南方某地铁冷站采用江水经三道物理过滤直接进入制冷机组的壳管式冷凝器中进行冷却，清洗时发现换热管内有约1～2mm厚的软垢；从污垢成分来看，有机物的含量将近20%，其中主要以微生物垢为主，并夹杂非常细小的泥沙。大量实践与实验表明，低位冷、热源利用中堵塞换热器的污垢主要由软性物质组成；污水源热泵系统取水换热过程中出现的污垢以生物污垢为主，并夹杂少量的颗粒污垢，形成“生物膜”。

污垢对系统性能的影响主要有：

（1）换热性能下降

污水源热泵技术应用主要障碍之一就是污垢引起的换热性能下降问题。换热管与污垢物质的热导率见表1-13。可以看出由于污垢的导热性能较差，即使较薄的一层污垢也将导致换热设备性能急剧下降。

（2）阻力增大

换热管流通截面积随垢层增厚而减小。在流量恒定的情况下，这必然导致平均流动速度的增加，从而引起整个换热设备流动阻力的增大，进而增大水泵的耗电功率。由泵与管道的性能曲线可知，水泵流量将减小，这将导致污垢的增长，进一步降低机组效率。

去除污垢的方法如下。

（1）防污措施

当采用未经处理的城市污水作为水源时，污水中的悬浮物可能堵塞热交换器。对此除了用格栅、防堵机拦截粗大的漂浮物，在热交换器前设置自动筛滤器，截留污水中的毛发、纸片等纤维类悬浮物外，还应做到以下两方面：

①合理选择设备。合理选择换热器的形式和管材；为便于拆卸和清洗，换热器应留有清洗开口或拆装端头；换热器形式设计简单，设备越复杂越难清洗。采用淋激式换热器蛇形布管，形式简单、结构开放，不易结垢还易于清洗，且适于处理腐蚀性流体，结垢方面的问题相对较小，喷淋液膜薄，换热系数较高。因此，比常规的壳管式、浸没式换热器更适合于污水环境。

②改变污水酸碱度。可投放杀生剂、缓蚀剂、阻垢剂并控制污水的pH值。研究表明，污垢组分的溶解能力随pH值的减小而增大，因此，向污水中加酸的方法使pH值维持在6.5～7.5，对抑制污垢有利。

（2）去除污垢的方法

污水源热泵的除污，可以采用物理清洗而不宜采用化学清洗。物理清洗是靠流体的流动或机械力作用，提供一种大于污垢黏附力的力而使之从设备表面上剥落的清洗方法。根据清洗时间间隔的长短，物理清洗又分为在线清洗和定期清洗。由于定期清洗浪费大量人力物力，且难以保证系统高效运行，因此下面不探讨定期清洗的除污方法。

①胶球在线清洗法。该法清洗机理是将湿态密度与水相近的海绵胶球送入循环水入口，使湿态直径比管内径大1～2mm的胶球在循环水的带动下，挤压变形后进入管内，借助海绵体的弹力对管壁施加摩擦力达到除垢目的；当胶球流出管时在自弹力的作用下，恢复原状，继而随循环水流入回水管，汇集于收球网底部，然后在胶球泵作用下被送进装球室重复上述运动。采用胶球清洗系统，能及时除去聚集在换热管表面的杂物，保持管表面清洁，提高机组运行经济性。

②小水量强力轮替冲洗部分换热管工艺法。除污法原理：在管壳换热器封头内设置在电动机带动下可以自动旋转的主轴（兼作进水管），主轴两侧通过轴承分别与管板和封头连接。高压冲污水泵吸入的非清洁水通过主轴上的接头进入主轴内腔中，再经主轴出水口进入随主轴一同旋转的冲污注水头，强力注入换热管束内进行冲污；冲污注水头随着主轴的旋转紧贴各个换热管的入口转动，从而完成轮替冲洗的过程，完成冲污后的非清洁水通过污水出口单独排出或由污水进口和污水出口共同排出。

3.腐蚀问题

污水成分复杂、杂质含量高，直接进入热泵机组或换热器需要解决腐蚀问题，否则热泵系统将无法正常运行。经过防堵机初步处理后，污水中大尺寸杂质以及密度较大颗粒物已经消除，但依然含有小颗粒物理杂质，铵根、氯离子等化学成分，以及微生物、藻类及胶体等杂质。因此对于污水直供的污水源热泵机组要求非常高，尤其是机组换热器的设计和选型。

解决方法有：

（1）换热器

污水换热器污垢主要形式有：①污泥，由污水中物理杂质在换热器内形成的体积较大的片状物。②腐蚀产物，由污水中化学成分与换热管发生化学反应形成。③生物沉积物，由细菌、藻类以及排泄物长期积累形成。

应为换热器选择合适的换热管材料：①铜管具有换热系数高的特点，但在Cl-、NH4+存在时，极易腐蚀。②钛管对硫化物、氯以及氨都有很好的耐腐蚀性，可以应用于海水以及高污染污水，但价格昂贵。③镍铜管可以应用于海水及污水环境中，根据水质对镍铜比例进行调整，价格适中。

同时，改善管内水流方式，降低污垢形成速率；优化换热器布管；选择合适的污垢热阻；设置换热器清洗预警系统。

由于污水来源的不稳定性，可能出现实际运行时不到一个供暖（制冷）季就出现污垢热阻超过临界值的情况，影响机组运行效率，因此机组内应集成换热器清洗预警系统。

（2）专用机组

由于污水水质不良，制冷和供暖时采用水路切换的方式对末端不利，因此由华誉能源公司开发出氟路切换污水源热泵机组，有效解决了上述问题。

华誉能源公司生产的螺杆满液式污水源热泵机组是自主研发的专利产品，采用特殊的防腐蚀技术，实现污水或海水的直接利用，减少中间换热器的热损耗环节，提高了水源热量的利用率，提高了机组的蒸发温度从而提高热泵机组的能效，还因省掉了换热设备而大幅度减少了机房的占地面积。