污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在烏魯木齊地區(qū)的運用

張衛(wèi)江，龔建新，謝玉琴，王曉燕

（新疆烏魯木齊水文水資源勘測局，烏魯木齊 830000）

1 引言

烏魯木齊市委、市政府在會議上多次強調(diào)將解決烏魯木齊市冬季大氣污染問題，這項工作將繼續(xù)作為市委、市政府今后的重點工作，下決心抓緊時間完成“藍天工程”。

目前，烏魯木齊市政府相關部門在總結前階段“藍天工程”實施經(jīng)驗的基礎上，結合烏魯木齊市地理、環(huán)境、污染類型、能源結構等，提出了在烏魯木齊市實際可操作的供熱能源消耗結構和冬季大氣污染治理綜合方案。烏魯木齊市有較充沛、集中的污水源，為可再生能源的利用提供了多元化的能源支撐。

2 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)概述

熱泵技術是應用低品位再生能源的重要技術之一。按熱泵利用的低位冷熱源的不同，熱泵可分為空氣源熱泵、土壤源熱泵、水源熱泵。從系統(tǒng)的能效、設備的投資、運行的經(jīng)濟性等綜合考慮，水源熱泵比空氣源熱泵、土壤熱泵更具優(yōu)勢。按水的來源，水熱泵又可分為地下水源熱泵、地表水源熱泵、污水源熱泵、海水源熱泵等。

3 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在烏魯木齊市應用的可行性分析

3.1 烏魯木齊市氣候條件

烏魯木齊地區(qū)平均高程低，降水稀少。平原區(qū)年降水量約300 mm，山區(qū)年降水量約400 mm。降水年內(nèi)分配主要集中在春、夏季，尤其是5、6月份較多，秋，冬季降水較少，多以積雪形式堆積，春季氣溫回升，產(chǎn)生融雪洪水。烏魯木齊山區(qū)年平均氣溫約2.6℃，平原區(qū)平均氣溫為4.1℃。氣溫年際變化不大，年內(nèi)變化較大，一月份最冷，平均-15.2℃，實測極端最低氣溫-42.2℃（烏魯木齊幸福路氣象站，1956年）;七月份最熱，平均24.7℃，極端最高氣溫43.5℃，＞10℃年積溫3500，無霜期一般174 d。

3.2 烏魯木齊市水資源條件

烏魯木齊供水量是指各種水源工程為用戶提供的（包括輸水損失）供水量。按地表水源、地下水源和污水回用量分類統(tǒng)計。用水量是指分配給用戶的（包括輸水損失）水量，按農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水分類統(tǒng)計。農(nóng)業(yè)用水包括農(nóng)田灌溉用水和林牧漁業(yè)用水;生活用水包括城鎮(zhèn)居民、公共用水和農(nóng)村居民、牲畜用水;工業(yè)用水為取水量，不包括企業(yè)內(nèi)部的重復利用量。

2008年烏魯木齊總供水量9.9億m3，地表水供水量5.3億m3，占供水量的53%，地下水供水量4.3億m3，占供水量的44%，污水回用量0.28億m3，占供水量的5%。

2008年烏魯木齊農(nóng)業(yè)用水約6.0億m3，占用水總量的65%，工業(yè)用水1.1億m3，占用水總量的 12%，生活用水2.1億m3，占總水量的23%。

根據(jù)烏魯木齊市水資源公報編委會編制的《2008年度水資源公報》，2008年烏魯木齊市污水排放總量達1.9億t，其中城市市政排水管末端廢污水處理量8 763萬t，占排放總量的46%。市政排水管網(wǎng)現(xiàn)狀原生污水利用量幾乎為零。

烏魯木齊市區(qū)地形南高北低，自南向北呈狹長地帶。烏魯木齊市排水系統(tǒng)按照地勢和區(qū)域分為河東、河西污水排水系統(tǒng)、水磨溝排水系統(tǒng)、頭屯河區(qū)排水系統(tǒng)等8個排水系統(tǒng)。水磨溝排水系統(tǒng)、河東排水系統(tǒng)、河西排水系統(tǒng)的部分管線污水排放總量為43.1萬m3/d，年污水排放量為1.6億m3。以上污水量不包括排入管線的春季融雪水量和夏秋季的雨水水量。

4 某建筑群污水源熱泵系統(tǒng)

4.1 項目概述

為響應國家提倡的綠色建筑理念，從節(jié)約能源、減低污染的角度出發(fā)，新疆某新能源有限公司根據(jù)當?shù)厮Y源條件，決定在新疆烏魯木齊市建設的“萬星小區(qū)”水源熱泵供熱/制冷系統(tǒng)，開展可再生能源建筑應用水源熱泵示范工程。項目供熱/冷服務建筑面積共50萬m2，采用城市生活污水為水源的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進行冬季采暖、夏季制冷。

建設項目供熱/制冷服務建筑面積共50萬m2，總熱負荷約3.9萬kW，均為新建建筑，滿足國家建筑節(jié)能≥50%的標準。污水源熱泵冬季每天運行24 h，取水規(guī)模4 543 m3/h，其中一期17萬m2，取水規(guī)模1 462 m3/h;夏季平均每天運行8 h，需水3 760 m3/h，取水水源為城市排水管網(wǎng)污水。

4.2 污水水量和水溫監(jiān)測

4.2.1 污水監(jiān)測測次

為了分析計算河灘快速路河南路立交橋西北側(cè)地下箱涵污水主管線污水水量、水溫，烏魯木齊水文水資源勘測局進行了為期6個月的實地監(jiān)測，自2009年12月～2010年4月累積監(jiān)測36個測次。

4.2.2 污水監(jiān)測的主要原則

1）通過監(jiān)測2組24 h流量、水溫日過程，1組為節(jié)假日24 h變化過程，另1組為非節(jié)假日24 h變化過程，分析排污管線中污水水量、水溫的日變化規(guī)律，得出日污水水量最低谷時段。

2）根據(jù)排污管線中污水水量、水溫的日變化規(guī)律及水量最低谷時段，在冬季各月（12～4月）合理分布測次，監(jiān)測最低谷時段的水量、水溫。以最低谷的水量監(jiān)測數(shù)據(jù)來分析論證來水量能否滿足污水源熱泵系統(tǒng)的用水量。

3）最低谷時段的監(jiān)測盡可能涵蓋每周周一至周日，每月上、中、下旬，以提高其監(jiān)測數(shù)據(jù)的代表性。

4）1月份為烏魯木齊市氣溫較低的月份，1月份環(huán)境溫度是比較低的，所需要的熱量是較高的，因此在1月份加大測驗次數(shù)，增加監(jiān)測測次的密度。

4.2.3 污水監(jiān)測成果

根據(jù)污水監(jiān)測測次和監(jiān)測主要原則，對烏魯木齊市河灘快速路河南路立交橋西北側(cè)地下箱涵排水管檢查井污水水量和水溫進行監(jiān)測，監(jiān)測成果見表1和表2。

表1 烏魯木齊市河灘路排污管線污水監(jiān)測點流量、水溫過程

表2 烏魯木齊市河灘路排污管線污水監(jiān)測點實測最小流量、水溫過程

通過上述實測水量資料分析可知：若按日平均流量計算，則烏魯木齊市河灘路排污管線1.8 m×1.8 m箱涵管日水量在10.7萬m3/d～12.8萬m3/d，河灘路直徑為1.2 m園管排污管線日水量為7.3萬m3/d左右，河灘路排污管線污水總量在17.9萬m3/d～20.1萬m3/d。若按最小流量計算，則烏魯木齊市河灘路排污管線1.8 m×1.8 m箱涵管日水量為7.8萬m3/d，河灘路直徑為1.2 m園管排污管線日水量為4.9萬m3/d，河灘路排污管線污水總量在12.7萬m3/d。

4.3 可靠性分析

烏魯木齊市地形為南北長20～30 km，東西最窄處3～5 km，南高北低，按照城市布局，工業(yè)區(qū)主要位于烏魯木齊市西北部，烏魯木齊市南端是水源保護區(qū)，無重工業(yè)。河灘路為烏魯木齊市天山區(qū)和沙依巴克區(qū)的界限，天山區(qū)和沙依巴克區(qū)是烏魯木齊市人口密度和建筑密度最高的兩個區(qū)，因此河灘路主排污管線匯集了天山區(qū)和沙依巴克區(qū)的生活污水。河灘路主排污管線（河灘路排污管線1.8 m×1.8 m箱涵管及直徑為1.2 m園管排污管線）目前檢測到的水深只有20余厘米，遠未達到設計標準。由此分析河灘路主排污管線污水主要為生活污水，水源是可靠的。

4.4 可行性分析

通過烏魯木齊市河灘路排污管線污水水量、水溫監(jiān)測分析，烏魯木齊市河灘路排污管線按最小流量計算，其污水總量為12.7萬m3/d，按日平均流量計算，則污水總量在17.9萬m3/d～20.1萬m3/d。因此，烏魯木齊市河灘路排污管線污水水量可以滿足污水源熱泵系統(tǒng)的用水要求。

通過實測水溫資料分析最低水溫為13.2℃，冬季水溫變化范圍在14.8℃ ～13.2℃，夏季水溫變化范圍在17.9℃ ～14.6℃，可以滿足水源熱泵提取4℃水溫的要求。

5 結論

1）污水源熱泵系統(tǒng)是采用城市原生污水或處理水作為水源的一種熱泵技術，是城市可再生能源應用的一個重要組成部分。烏魯木齊高新區(qū)50萬m2建筑可再生能源建筑應用污水源熱泵示范工程取水所在區(qū)域人口居住相對集中，其污水量比較大，水量、水溫相對穩(wěn)定。并且，隨著城市規(guī)模的不斷發(fā)展，污水量將會不斷增加，城市污水熱源具備相當大的開發(fā)潛力。

2）河灘快速路河南路立交橋西北側(cè)地下箱涵排水管檢查井污水水量為每日水量為7.8萬m3/d，旁邊污水園管檢查井為每日水量為4.9萬m3/d，合計12.7萬m3/d，可以保證水源熱泵用水要求。

3）在自然條件下，監(jiān)測點實測污水溫度在14.0℃左右，污水水溫在13.2℃ ～14.8℃，且長年穩(wěn)定，本項目擬計劃從污水中提取4℃的熱量，則其退水水溫將降為9.2℃左右，取水口距離下游污水處理廠7 km左右，區(qū)間尚有污水不間斷匯入補給，通過計算下游污水溫度不低于11.0℃。

[1]中國建筑科學研究院.GB50366-2005地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2]中國市政工程東北設計研究院.GB50335-2002污水再生利用工程設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[3]沈冬云.水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在江西地區(qū)運用的可行性分析[J].中國西部科技，2010，9（1）：51-52.

[4]丁衛(wèi)東，袁魯濱.水源熱泵技術在供熱空調(diào)工程中的應用[J].節(jié)能，2002（5）：25-27.

[5]李江風.烏魯木齊河流域水文氣候資源與區(qū)劃[M].北京：氣象出版社，2006.