污水源热泵空调在某污水处理厂中的设计应用

关键词：污水源热泵系统、设计、节能
1 引言
随着我国经济的发展，对能源的需求不断增加，对可再生能源的利用开发被提到了议事日程上。因此，开发新的可利用能源是目前各领域研究的重点和热点。城市污水是一种蕴含丰富低位热能的可再生热能资源，随着热泵技术的发展，城市污水热能的利用系统也日趋增多，污水源热泵是利用污水处理厂的中水或原生污水作为热源进行冬季供热、夏季供冷和全年供应生活热水的重要技术，具有热量输出稳定，机组能效高等特点，是一种高效、节能、环保的空调系统，污水热泵系统在北欧、日本和我国均得到了一定程度的应用。本文通过某污水处理厂项目，分析探讨该技术的优点及应用前景。
2 工程概况
某污水处理厂负责对市区的生活污水进行处理，日处理污水能力约30万m3，一期占地面积21701 m2，安装中央空调的建筑面积合计为12763㎡。
厂区内有２４小时不间断的处理后中水，夏季温度在18℃～20℃，冬季温度在12℃～16℃。
３ 空调系统设计
本工程空调主要用于综合办公楼、生活楼、设备工作间等建筑，其中综合办公楼、生活楼、部分设备工作间需要夏季制冷、冬季采暖，其他设备间只考虑冬季采暖。
3.1　冷、热负荷的计算：
冷、热负荷须考虑以下影响因素：

• 本项目位于海边，周围没有建筑群的遮挡，冬季季风大，环境温度偏低；
  
• 建筑建成时间较早，建筑保温效果不理想；
  
• 厂区面积大，单体建筑多，部分建筑层较高，相对建筑散热面积大；
  
• 外管网辐射面积大，管道铺设距离远，热量输送损失较大；
  
• 部分建筑对通风要求比较高，冷、热损失大导致负荷增加。
  

按照当地气候参数，夏季空调年使用９０天，每天按照１０小时运行计算，冬季年使用时间１２０天，每天按照１８小时运行计算。
通过负荷计算软件得出本项目夏季最大冷负荷950kw，冬季最大热负荷14[NextPage]00kw，无生活热水负荷。
3.2 热源水情况：
热源水类型：城市污水（中水）；
热源水温度：夏季温度在18℃～20℃
冬季下雪天现场测得污水污水在12℃～16℃，基本判断热源水可利用；
热源水质分析：Cl-含量、全硬度值偏高，腐蚀性偏高，含少量絮状杂质（见表2）。

检 验 报 告
品 名： 水 样
检验项目	温度	PH	电导率	Cl-	全硬度	钙硬度	SO42-	NH4+	Cu
用户名称	℃	—	us/cm	%	mg/l	mg/l	mg/l	ppm	ppm
污水处理厂	25	7.6	4040	0.095	655	62	<1	<1	1
结论	Cl-含量、全硬度值偏高，腐蚀性偏高，含少量絮状杂质
备注

3.3 冷热源设备选型及性能参数
考虑到本工程为市政投资的采暖系统改造重点工程，其中有重要污水处理设备有防冻要求，为确保采暖系统稳定可靠，在冬季采暖工况时至少要保证一台机组能运行，热泵机组选用烟台荏原生产的2台螺杆降膜式热泵机组（型号：RHSBW-185HJ）
满负荷制冷量：688kW/台×2台=1376kW（中水温度20℃—27℃ ，COP为6.0）
满负荷制热量：729 kW/台×2台=1458kW （中水温度12℃—6℃ ，COP为4.8）
可以看到夏季制冷时，利用中水作为机组的冷却水，COP值高于传统的冷却塔+电制冷机组或分体空调。
根据水质检测报告分析，污水腐蚀性偏高，使用普通传热管会减少机组寿命，增加中间换热器会降低热效率，而且增加投资。针对此情况，机组的蒸发器、冷凝器换热管材质选用铝黄铜合金传热管。

• 空调水系统
  

本工程共2套水系统：空调水循环系统、热源水循环系统。其中热源水侧是利用污水处理厂内的中水，从中水干渠引一根管道到机房外沉淀池内，中水在沉淀池首先沉淀部分杂质，再由设置在沉淀池内的潜污泵加压通过全自动清污过滤器过滤掉剩余杂质后，进入主机蒸发器或冷凝器（通过冷、热转换阀切换），保证了热泵机组运行的稳定性。
空调水循环系统管路在建筑物内采用同程式设计，外网管道采用带护套的保温管直埋方式，并在每个建筑物管道入口处安装平衡阀，有效的保证了水系统的平衡。
为了满足系统水压恒定和补水需求，在机房内设置一套定压补水系统，由定压泵+定压罐+软化水箱+全自动软水器组成。

• 空调风系统
  

由于原建筑物内采用散热器采暖，现需改造成风机盘管形式，综合办公楼内，采用卧式暗装风机盘管侧送侧回方式，风机盘管设置在走廊吊顶内。其它建筑物内采用立式或卧式明装风机盘管形式。

• 空调自控系统
  

为了有效地控制室内温度和保证系统安全可靠的运行，方便维护运行管理，节约能[NextPage]耗，设置以下自动控制措施；

• 末端风机盘管控制，采用温度控制器根据设定的室内温度调整风机盘管的送风量，达到控制室内温度、节约能源的目的。
  
• 机房内潜污泵和冷温水泵采用变频运行方式，根据水温通过变频器调整水泵的电机转速，达到节约能源的目的。
  
• 机房内设备的运行参数通过上位机监控系统采集到监控室内，如沉淀池的水温、水位，系统的水温、水压，水泵和主机的运行状态，室外空气的温湿度等参数。
  

• 初投资及运行费用对比
  

目前该系统已经运行了一个采暖季节，下表为采用污水源热泵系统采暖与传统城市热网采暖的初投资及运行费用对比。

采暖方式	初投资	冬季采暖运行费用	说明
污水源热泵	335.0万元	241786元/采暖季	建筑面积：12763m2 城市热网采暖费用按建筑面积33.5元/㎡·年
城市热网	319.0万元	427561元/采暖季
总结	1、一个采暖季节省运行费用：约18.6万元/年，多增加的初投资一年即可回收。 （且城市热网方式未加上夏季制冷系统的初投资） 2、城市热网只能解决采暖，污水源热泵即能制冷又能采暖。

5 结语
随着国家对可再生能源的应用及建筑节能的不断重视，《可再生能源法》、《节约能源法》、《可再生能源中长期发展规划》、《民用建筑节能管理条例》等法律法规的相继颁布及实施，加之地方政府的补贴等扶[NextPage]持政策，水源热泵技术必然迎来其高速发展时期。
全国每年排放城市生活污水500亿吨左右，按温度升高或降低5℃计算，若全部开发所贡献出的热或冷10亿MJ，这部分热量可供20亿m2建筑供热和制冷。对污水热量加以利用，不但可以大大降低投资及运行费用，而且减缓气候日益变暖趋势，因此污水源热泵技术前景非常广阔。