污水源熱泵在某工程中的應(yīng)用

李 恒，李海盟，任鳳彥

(保定市建筑設(shè)計院有限公司，河北保定 071000)

污水源熱泵在某工程中的應(yīng)用

李 恒，李海盟，任鳳彥

(保定市建筑設(shè)計院有限公司，河北保定 071000)

空調(diào)冷熱源的設(shè)計在空調(diào)系統(tǒng)中占有至關(guān)重要的地位。從某綜合樓空調(diào)系統(tǒng)冷熱源設(shè)備選型出發(fā)，描述了污水源及污水源熱泵的特點，分析了污水源熱泵在該工程中的應(yīng)用，并提出了利用“污水源+板式換熱器”替代冷卻水塔提供冷卻水的方法，從而為污水源熱泵的選用和污水源的有效利用提供了理論依據(jù)。

冷熱源;污水源熱泵;空調(diào)

節(jié)約能源是資源節(jié)約型社會的重要組成部分，而建筑能耗是節(jié)能潛力最大的用能領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，中國建筑能耗占社會總能耗的27.6%，而暖通空調(diào)能耗占建筑能耗的30%～50%[1]。隨著現(xiàn)代化工程項目的大量增加，城市賓館、商場、影劇院、酒店、醫(yī)院等公共場所都需要設(shè)計空調(diào)系統(tǒng)，其系統(tǒng)功能的優(yōu)劣、質(zhì)量的高低，直接影響到整個建筑功能的正常使用和作用發(fā)揮。空調(diào)冷熱源的設(shè)計作為空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，其節(jié)能設(shè)計的意義很重大。本文重點分析了污水源熱泵選型及節(jié)能，并提出了“污水源+板式換熱器”提供冷卻水的方法。

1 工程概況

某綜合樓位于河北省保定市，地下2層，地上27層，建筑面積共計64 500 m2。地下2層為汽車庫、制冷機房、配電室等，1層至3層均為商業(yè)，4層至27層均為單身公寓。空調(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)機盤管和新風(fēng)系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)夏季供水溫度為7 ℃，回水溫度為12 ℃；冬季供水溫度為60 ℃，回水溫度為50 ℃?？照{(diào)系統(tǒng)總冷負(fù)荷為5 800 kW，總熱負(fù)荷為3 800 kW?？照{(diào)冷熱源設(shè)備均布置在地下2層制冷機房內(nèi)。

2 空調(diào)冷熱源設(shè)計

2.1污水源及污水源熱泵特點

城市污水是工業(yè)廢水與生活污水的總和，包括原生污水(指市政干渠污水)與污水處理廠二級出水。污水處理廠經(jīng)二級處理后的污水，全年溫度波動范圍一般在10～30 ℃，污水中的余熱具有較大的開發(fā)利用潛力[2]。在冷熱源方案調(diào)研確定階段，發(fā)現(xiàn)廠區(qū)能提供穩(wěn)定的生產(chǎn)廢水，流量為300 m3/h，夏季溫度約為19 ℃，冬季溫度約為17 ℃，具有以下特點：1)水質(zhì)經(jīng)過一級物化處理和二級生化處理,去除了污水中大量的雜質(zhì),降低了污水的腐蝕性,更有利于污水中能量的提?。?)水溫有保障，常年溫度穩(wěn)定。在冬季，水溫比環(huán)境溫度高15～20 ℃,夏季，水溫比環(huán)境溫度低10～15 ℃，為熱泵提供了良好的能量來源；3)水量有保證，能提供穩(wěn)定的流量。

因此，廠區(qū)廢水作為北方寒冷地區(qū)不可多得的熱泵冷熱源，使得污水源熱泵在本工程中應(yīng)用有了充分的保障。污水源熱泵是一種采用城市原生污水或污水處理廠二級出水作為直接或間接冷熱源的熱泵型空調(diào)裝置，冬季取熱供暖，夏季排熱制冷，具有顯著的性能優(yōu)勢和節(jié)能效果，在中國乃至全世界都得到了較快的發(fā)展和應(yīng)用[3]。污水源熱泵具有以下特點[4]。

1)環(huán)保效益顯著：污水密閉循環(huán)，不污染環(huán)境與其他設(shè)備或水系統(tǒng)。供熱時省去了燃煤、燃?xì)獾儒仩t房系統(tǒng)，避免了排煙污染；供冷時省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音及霉菌污染。

2)運行穩(wěn)定可靠：污水源水體的溫度相對穩(wěn)定，其波動范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動。水體溫度較恒定的特性，使得污水源熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。

與其他熱泵系統(tǒng)比較[5-6]：①空氣源熱泵在外界環(huán)境溫度較低的冬季應(yīng)用效率較低，甚至因結(jié)霜嚴(yán)重不能正常工作，因此在寒冷的北方應(yīng)用受到限制。②土壤源熱泵根據(jù)埋管的形式分為水平埋管和垂直埋管。水平埋管形式埋管較淺，施工方便，但是需要較大的土地面積，在土地資源緊張的城市中難以應(yīng)用，只適合于較小的建筑和其他有適當(dāng)土地條件的地方；垂直埋管施工難度大，對地質(zhì)條件要求較高。③水源熱泵根據(jù)冷熱源形式分為地表水系統(tǒng)和地下水系統(tǒng)，由于地表水系統(tǒng)受地表水資源的影響嚴(yán)重，應(yīng)用較少；應(yīng)用地下水系統(tǒng)時由于難以保證抽水的回灌，在很多地方尤其是城市中心已經(jīng)被限制使用。

本工程中的廠區(qū)生產(chǎn)廢水必須經(jīng)過嚴(yán)格的水處理工藝，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后的污水才能進入污水源熱泵設(shè)備中。處理后的污水還是會有腐蝕性和雜質(zhì)，因此在設(shè)備材質(zhì)選用過程中還要考慮污水腐蝕性的影響，考慮到來水的不均勻性，可以設(shè)置備用水塔進行循環(huán)，以保證系統(tǒng)的安全可靠運行。

2.2污水源熱泵機組選型

污水源熱泵系統(tǒng)具有上述諸多優(yōu)點，再加上本工程能提供穩(wěn)定的廠區(qū)廢水作為污水源，因此在冷熱源設(shè)備選型時，確定選用污水源熱泵機組1臺，冬季取熱供暖，夏季排熱制冷，1套系統(tǒng)冬夏兩用。

污水源熱泵機組選用小溫差板式換熱器，污水側(cè)溫度：17～23.5 ℃，二次側(cè)溫度：7～15 ℃。選用制熱參數(shù)為冷凝器：40～45 ℃，蒸發(fā)器：7～15 ℃。污水源熱泵供暖制冷所投入的電能在1 kW時可得到5 kW左右的熱能或冷能，能源利用效率遠(yuǎn)高于其他形式的中央空調(diào)系統(tǒng)[7]。詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 污水源熱泵機組詳細(xì)參數(shù)

2.3污水源熱泵節(jié)能分析

污水源熱泵與常規(guī)夏季“冷水機組+冷卻塔”、冬季燃?xì)忮仩t方式的“冷水機組+燃?xì)忮仩t”相比，具有明顯的節(jié)能意義[8-9]，分析結(jié)果如表2所示。

表2 污水源熱泵系統(tǒng)與其他系統(tǒng)節(jié)能比較

Tab.2 Energy efficiency comparison between the sewage-source heat pump system and other systems

形式污水源熱泵系統(tǒng)冷水機組+燃?xì)忮仩t折合標(biāo)準(zhǔn)煤/(t·a-1)114523初投資/萬元240174年運行費用/(元·m-2)3255優(yōu)點運行費用低,節(jié)能環(huán)保初投資較低缺點初投資偏高2套系統(tǒng),運行費用較高,采暖有污染

污水源熱泵系統(tǒng)雖然初投資偏高，但是運行費用低，運行效果良好，經(jīng)濟效益顯著。污水源熱泵系統(tǒng)的機房面積僅為其他系統(tǒng)的50%。利用污水源熱泵替代“冷水機組+燃?xì)忮仩t”，平均每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤409 t，這樣減少了CO2和SO2等的排放量：

CO2減排量：409×2.49=1 018.41 t/a；

SO2減排量:409×24=9 816 kg/a；

減排碳粉塵:409×680=278 120 kg/a；

減排氮氧化合物:409×70=28 630 kg/a。

利用污水源熱泵系統(tǒng)對環(huán)保起到了積極作用，減少了對大氣的污染。

2.4空調(diào)冷、熱源設(shè)備選型

考慮到該工程冷負(fù)荷、熱負(fù)荷均很大，單獨選擇1臺污水源熱泵機組作為冷熱源設(shè)備，污水源熱泵機組選型大，需要的廠區(qū)廢水量也大，而廠區(qū)提供的廢水量不能滿足要求。因此，在空調(diào)冷熱源設(shè)備選型時，提出了選用1臺污水源熱泵機組加輔助設(shè)備的系統(tǒng)形式，使廠區(qū)提供的污水源得到最大程度的利用。

空調(diào)冷熱源設(shè)備選型如下：夏季制冷時，選用污水源熱泵機組1臺，制冷量為2 500 kW，供商業(yè)使用；其余冷負(fù)荷由2臺螺桿式冷水機組提供，單臺制冷量為1 792 kW，供單身公寓使用。冬季采暖時，仍使用該臺污水源熱泵機組，制熱量為2 836.3 kW，供單身公寓使用；其余熱負(fù)荷由換熱機組提供，換熱量為990.4 kW，供商業(yè)使用。

3 “污水源+板式換熱器”替代冷卻水塔

3.1冷卻水塔提供冷卻水

通常情況下，空調(diào)冷卻水系統(tǒng)是由“冷卻水塔+冷卻水循環(huán)泵”構(gòu)成，冷卻水供/回水溫度為30/35 ℃或32/37 ℃。冷卻水塔是將循環(huán)冷卻水在其中噴淋，使之與空氣直接接觸，通過蒸發(fā)和對流把攜帶的熱量散發(fā)到大氣中去的冷卻裝置[10-13]，其存在以下缺點：

1)冷卻水塔占用面積大，通常放置在屋面，使得屋面使用面積受到一定的影響；

2)冷卻水塔風(fēng)機運轉(zhuǎn)及水與空氣接觸等，會產(chǎn)生較大噪聲，對緊鄰用戶造成影響；

3)冷卻水塔長時間使用，會滋生細(xì)菌，需要定期清洗維護。

3.2“污水源+板式換熱器”提供冷卻水

考慮到冷卻水塔的諸多缺點，同時為了充分利用廠區(qū)廢水提供的穩(wěn)定溫度的污水源，本工程提出了一種利用“污水源+板式換熱器”提供冷卻水的方法。

2臺螺桿式冷水機組的冷卻水供/回水溫度均為30/35 ℃。本工程利用夏季污水源溫度為19 ℃，首先與1號板式換熱器進行換熱。1號板式換熱器一次水進/出口溫度為19/25.4 ℃，二次水進/出口溫度為35/30 ℃，換熱面積為120 m2，供1號冷水機組冷卻水系統(tǒng)使用。25.4 ℃的出口廢水再與2號板式換熱器進行換熱，2號板式換熱器一次水進/出口溫度為25.4/31.8 ℃，二次水進/出口溫度為35/30 ℃，換熱面積為180 m2，供2號冷水機組冷卻水系統(tǒng)使用。該系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 板式換熱器提供冷卻水系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of plate heat exchanger providing cooling water

2臺換熱器均布置在地下2層制冷機房內(nèi)，這樣在整個空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計中就避免了冷卻塔的使用，節(jié)省了屋面的使用面積，杜絕了細(xì)菌和噪聲的危害。廠區(qū)廢水作為污水源，其中含有大量油性污物，流經(jīng)換熱管時會產(chǎn)生掛膜現(xiàn)象，增大了換熱熱阻，影響了換熱效率。因此，在設(shè)計“污水源+板式換熱器”換熱時，應(yīng)使污水單獨走管程循環(huán)，同時設(shè)置自動反清洗裝置，在換熱器運行期間定時進行反沖洗，保證換熱效率，提高熱能利用率。

4 結(jié) 論

在全球面臨能源危機和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的形勢下，城市污水中存在的熱能已被公認(rèn)為尚未有效開發(fā)和利用的清潔能源，其熱能利用具有明顯的節(jié)能性、經(jīng)濟性和環(huán)保效果。污水源熱泵的突出優(yōu)點，以及污水源的最大程度的應(yīng)用，將城市污水資源化，變廢為寶，實現(xiàn)了能源的可持續(xù)發(fā)展。污水源熱泵技術(shù)的日趨成熟和快速發(fā)展，為在實際工程中推廣和應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)保證，從而使城市污水源的應(yīng)用具有更加廣闊的前景。

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[1] 錢濟雄. 淺析暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能[J].山西建筑，2010，36(3):264-265.

QIAN Jixiong. Initial analysis on energy saving of heating and ventilating air-conditioner system[J].Shanxi Architecture，2010，36(3):264-265.

[2] 張明楊，姜益強，孫麗穎，等. 污水源熱泵系統(tǒng)在北京市應(yīng)用的綜合評價研究[J].流體機械，2010，38(5):77-80.

ZHANG Mingyang，JIANG Yiqiang, SUN Liying，et al. Comprehensive evaluation of sewage source heat pump system applied in Beijing[J].Fluid Machinery，2010，38(5):77-80.

[3] 莊兆意，陳艷哲，李仁平，等. 石家莊締景城污水源熱泵工程應(yīng)用[J].應(yīng)用科技，2011，38(1):59-62.

ZHUANG Zhaoyi, CHEN Yanzhe, LI Renping，et al. Application of sewage source heat pump system in Shijiazhuang Dijingcheng quarters[J].Applied Science and Technology，2011，38(1):59-62.

[4] 陳國慶. 污水源熱泵空調(diào)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的研究[J].電子世界，2012(5):105-108.

CHEN Guoqing. Study of sewage source heat pump air-conditioning energy saving technology application[J]. Electronics World，2012(5):105-108.

[5] 侯亞芹，司建偉. 污水源熱泵系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].節(jié)能與環(huán)保，2011(1):72-73.

HOU Yaqin，SI Jianwei. Sewage source heat pump system and its application[J]. Energy Conservation and Environmental Protection，2011(1):72-73.

[6] 田亞雷. 地下水源熱泵采暖及與集中供熱采暖的比較[J].河北工業(yè)科技，2011，28(2):132-135.

TIAN Yalei. Comparison of ground water heat pump heating and central heating[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2011，28(2):132-135.

[7] 趙 麒，王 琛，譚羽飛.吸收式熱泵區(qū)域供熱最大供熱范圍與節(jié)能判據(jù)研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報，2013，34(1):86-90.

ZHAO Qi, WANG Chen, TAN Yufei. Study of reasonable heating range and energy-saving criterion of absorption heat pump district heating system[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology，2013，34(1):86-90.

[8] 李 濤，夏 濤，張 茜.關(guān)于城市污水處理中的問題和對策的思考[J].河北工業(yè)科技，2010，27(4):273-275.

LI Tao, XIA Tao, ZHANG Qian. Problems in urban wastewater treatment and countermeasures [J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2010，27(4):273-275.

[9] GB 50189—2005，公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

GB 50189—2005，Design Standard for Energy Efficiency of Public Buildings[S].

[10] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

LU Yaoqing. Practical Design Manual of Heating and Air Conditioning[M].2nd ed. Beijing: China Building Industry Press,2008.

[11] GB 50736—2012，民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].

GB 50736—2012，Design Code for Heating Ventilation and Air Conditioning of Civil Buildings[S].

[12] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施(暖通空調(diào)·動力)[M].北京：中國計劃出版社，2009.

Department of Construction Engineering Quality & Safety Supervision，Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the P R China. National Technical Measures for Design of Civil Constrction( Heating，Ventilation and Air Conditioning)[M].Beijing: China Plans to Press,2009.

[13] 北京市建筑設(shè)計研究院.建筑設(shè)備專業(yè)技術(shù)措施[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

Beijing Institute of Architectural Design. Construction Equipment Professional and Technical Measures[M]. Beijing: China Building Industry Press, 2006.

Application of sewage-source heat pump in certain project

LI Heng, LI Haimeng, REN Fengyan

(Baoding Institute of Architecture Design Company Limited, Baoding Hebei 071000, China)

The design of cooling and heating source plays an important role in air-conditioning system. In order to select the cooling and heating source equipment of the air-conditioning system for a comprehensive building, the paper describes the characteristics of sewage-source and sewage -source heat pump, analyzes the application of sewage-source heat pump in the project and puts forward the method for providing cooling water by using sewage-source and heat exchanger instead of cooling tower. Therefore, it provides the theoretical basis of the selection of sewage-source heat pump and the effective use of sewage-source.

cooling and heating source; sewage-source heat pump; air-conditioning

1008-1534(2013)06-0499-04

TU831

A

10.7535/hbgykj.2013yx0621

2013-06-10;

2013-08-31

責(zé)任編輯：王海云

李 恒(1981-)，男，河北保定人，工程師，碩士，主要從事暖通空調(diào)方面的研究。

任鳳彥正高級工程師。E-mail: r882-10-1@sohu.com