淮安四院污水源熱泵應(yīng)用及分析

周毅

摘要：污水源熱泵系統(tǒng)是一種節(jié)能高效的、環(huán)保效益顯著的可再生能源系統(tǒng)，本文以淮安四院機(jī)房改造項(xiàng)目污水源熱泵的應(yīng)用為例，對(duì)污水源熱泵系

統(tǒng)的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益進(jìn)行模擬分析。得出污水源熱泵系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益都很高的可再生能源系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：污水源熱泵;技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析;節(jié)能減排

引言：

污水源熱泵系統(tǒng)是利用污水為低位熱（冷）源，利用熱泵技術(shù)提升熱媒或降低冷媒溫度為建筑物供熱和供冷技術(shù)。城市市政污水一般充足且排量比較穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是比較理

想的低位冷熱源。

污水源熱泵系統(tǒng)按照使用污水的處理狀態(tài)可分為原生污水（未處理污水）和污水處理廠二級(jí)出水或中水;按照污水利用的方式可分為直接利用式和間接利用式?；窗菜脑簷C(jī)房原有設(shè)備（直接利用污水換熱的小模塊化設(shè)備）因老化堵塞等原因無法正常使用，經(jīng)調(diào)研本項(xiàng)目臨近本市第二污水處理廠，有可提供污水處理后二級(jí)出水的便利條件，本項(xiàng)目采用污水源熱泵系統(tǒng)對(duì)淮安四院制冷及供熱系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)房改造，在此對(duì)本項(xiàng)目的污水源

熱泵應(yīng)用進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)社會(huì)效益進(jìn)一步分析。

1項(xiàng)目概況

江蘇省淮安市第四人民醫(yī)院，地處清浦區(qū)延安東路128號(hào)，占地面積146畝;污水源熱泵系統(tǒng)改造利用了鄰近的第二污水處理廠的污水處理后二級(jí)出水，污水利用方式采用間接利用方式。污水源熱泵系統(tǒng)供三棟病房樓一棟門診及醫(yī)技樓空調(diào)，同時(shí)供應(yīng)三棟病房樓衛(wèi)生熱水;本次空調(diào)改造系統(tǒng)空調(diào)建筑面積約25000平方米（不含手術(shù)室及醫(yī)技用房部分）。

2負(fù)荷計(jì)算

2.1室外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)（參照淮安市，具體數(shù)值略）。

2.2室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3空調(diào)負(fù)荷模擬計(jì)算，為便于進(jìn)行定量分析計(jì)算，利用能耗計(jì)算

BESI2022軟件對(duì)建筑物建模進(jìn)項(xiàng)空調(diào)全年負(fù)荷模擬，結(jié)果如下：

2.4衛(wèi)生熱水耗熱量：

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

本工程污水源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)的地源熱泵系統(tǒng)類似，不同的是由寬流道式中水換熱器替換地埋管換熱系統(tǒng)，本工程采用間接利用式方式，污水換熱器系統(tǒng)和熱泵機(jī)組通過中介水進(jìn)行換熱，不需選擇專用污水熱泵機(jī)組。本項(xiàng)目對(duì)本市第二污水處理廠提供污水處理后二級(jí)出水進(jìn)行了前期調(diào)研，污水處理后二級(jí)出水水體較好，沒有明顯污物。由于污水管道架空明敷，污水有明顯的季節(jié)變化，夏季污水溫度約27度，冬季污水溫度約12度。

本工程污水源熱泵系統(tǒng)原理如圖：

本工程主機(jī)選用三臺(tái)螺桿式地源熱泵機(jī)組，其中一臺(tái)帶全熱回收（制冷工況：12/7度------25/30度，制熱工況：40/45度------10/5度，全熱回收工況：50/55度------12/7度）;選用了三臺(tái)寬流道式中水換熱器（額定換冷量Ql=1667k額定換熱量Qr=1250kw換冷工況：27.73/22度（中水）---25.33/31.06度（中介水）換熱工況：12/7度-----9.5/4.5度）;夏季空調(diào)三臺(tái)熱泵機(jī)組提供，冬季空調(diào)由兩臺(tái)熱泵機(jī)組提供，衛(wèi)生熱水由一臺(tái)帶全熱回收熱泵機(jī)組提供，熱水設(shè)有儲(chǔ)熱水箱。

4.污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

污水源熱泵系統(tǒng)原理和形式和地源熱泵系統(tǒng)類似，并且不需考慮地源熱泵系統(tǒng)土壤熱平衡問題，但污水源熱泵系統(tǒng)也有本身特點(diǎn)和要求，污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)需要關(guān)注以下方面：

首先是對(duì)污水資源進(jìn)行調(diào)研，污水的水質(zhì)情況，是否是腐蝕性水質(zhì)，污水中的雜質(zhì)情況，污水的水溫，以及是否有季節(jié)變化;污水的水量，污水流量是否穩(wěn)定等，這些是基礎(chǔ)資料，必須收集全面可靠，這是我們污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的取水方式設(shè)計(jì)、污水換熱器選擇的前提資料，我建議不僅要收集資料最好還要實(shí)地考察。

根據(jù)污水調(diào)研情況選擇合適的換熱系統(tǒng)，污水換熱器考慮的關(guān)鍵是防阻塞換熱技術(shù)，設(shè)備選擇要考慮防阻工藝的可靠性（會(huì)不會(huì)堵），設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性（隨著污垢的增加換熱量能否保證），維護(hù)的可操作性，污水源熱泵系統(tǒng)為保證效果和可靠，污水換熱器一般每空調(diào)季都需清洗，至少每年需要清洗，如果污水換熱器產(chǎn)品設(shè)計(jì)沒有充分考慮，會(huì)嚴(yán)重影響后期運(yùn)行。污水換熱器選擇和設(shè)計(jì)是系統(tǒng)成敗的重要因素，必要應(yīng)進(jìn)行污水換熱器實(shí)際運(yùn)行項(xiàng)目進(jìn)行考察。

污水管道流速應(yīng)進(jìn)行控制，污水流速不能低，低了容易結(jié)垢，也不能太高，高了會(huì)使管道設(shè)備腐蝕磨損加快，管道建議流速大于1.5m、/S，污水換熱器流速一定要根據(jù)設(shè)備要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，否則容易結(jié)垢阻塞或加快磨損;污水換熱器應(yīng)逆流換熱，中介水系統(tǒng)由于不同工況阻力流量變化較大，水泵應(yīng)選用變頻泵。

熱泵機(jī)組的工況匹配也是要關(guān)注的地方，由于污水的水溫與樣本工況常常不同，對(duì)機(jī)組實(shí)際工況的能力需要調(diào)整，這點(diǎn)我們也常需要廠家提供支持和幫助。污水源熱泵的可靠性、穩(wěn)定性、管理可操作性以及初投資和運(yùn)行費(fèi)用都是我們必須關(guān)注的要點(diǎn)

5.節(jié)能分析

5.1空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能分析，為便于節(jié)能對(duì)比，能耗計(jì)算BESI軟件依據(jù)《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》建立的參照空調(diào)系統(tǒng)（夏季主機(jī)選用三臺(tái)離心式冷水機(jī)組，機(jī)組性能系數(shù)（COP）5.30IPLV5.45，冬季主機(jī)選用燃?xì)鉄?/p>

水機(jī)組，鍋爐熱效率0.87）;利用能耗計(jì)算BESI軟件對(duì)本工程污水源熱泵系統(tǒng)和參照空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算比較，因用戶負(fù)荷側(cè)相同，本次僅對(duì)機(jī)房系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算模擬，數(shù)據(jù)結(jié)果如下：

對(duì)燃機(jī)鍋爐燃?xì)夂牧恳罁?jù)《民用建筑能耗分類及表示方法》GB/T34913-2017換算成等效電;對(duì)比數(shù)據(jù)，污水源熱泵機(jī)組節(jié)能相當(dāng)可觀，供冷電耗機(jī)房系統(tǒng)節(jié)能率達(dá)36.2%，供熱電耗機(jī)房系統(tǒng)節(jié)能率達(dá)45.7%，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)供冷時(shí)冷卻水泵能耗比冷凍水泵能耗低，與常規(guī)系統(tǒng)不同，分析成因是由于寬流道式中水換熱器阻力較低，雖然冷卻水泵水量比冷凍水高泵數(shù)據(jù)偏高，但比揚(yáng)程小導(dǎo)致;供暖時(shí)供暖水泵明顯比參照系統(tǒng)高，分析數(shù)據(jù)是以下原因造成，首先軟件是計(jì)算方法，參照系統(tǒng)是按照綠建評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，供暖水泵電耗是直接按照規(guī)范輸送能效比取值進(jìn)行計(jì)算，然而規(guī)范明確注明了其取值不適用熱泵系統(tǒng)。其次供暖時(shí)污水源熱泵供暖水泵輸入?yún)?shù)時(shí)還包含了寬流道式中水換熱器水泵的功率。由于有這兩個(gè)原因從數(shù)據(jù)上看供暖時(shí)污水源熱泵供暖水泵能耗明顯比參照系統(tǒng)大。這些數(shù)據(jù)差異并不影響污水源熱泵系統(tǒng)和參照系統(tǒng)比較結(jié)果。通過能耗計(jì)算BESI軟件計(jì)算，污水源熱泵系統(tǒng)相對(duì)參照空調(diào)系統(tǒng)，污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)年節(jié)約電耗503825（kWh/a）;

5.2衛(wèi)生熱水節(jié)能分析，經(jīng)計(jì)算本工程全年需提供衛(wèi)生熱水所需熱量1422988（kWh/a）污水源熱泵機(jī)組提供全年衛(wèi)生熱水，空調(diào)供冷時(shí)機(jī)組免費(fèi)提供衛(wèi)生熱水;污水源熱泵機(jī)組年耗電量117118（kWh/a）。如果建立燃?xì)鉄崴畽C(jī)組的的參照熱水系統(tǒng)，折算年耗電量558231（kWh/a），污水源熱泵系統(tǒng)提供衛(wèi)生熱水折算年節(jié)約電耗441118（kWh/a）;

5.3減少碳排放量，由上述計(jì)算得到污水源熱泵系統(tǒng)空調(diào)及衛(wèi)生熱水相對(duì)參照系統(tǒng)年節(jié)約電耗999349（kWh/a），按《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T449-2018計(jì)算方法，取華東電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子0.35。僅以系統(tǒng)年節(jié)約電耗計(jì)算，年減少CO2排放量約350噸。如果按不同能源能源種類進(jìn)行碳排放量計(jì)算，減少碳排放量更多。

6..結(jié)語

本工程污水源熱泵系統(tǒng)從初投資上看，相較于地源熱泵，無需投資較高的地埋側(cè)土壤換熱器系統(tǒng)，初投資低得多;經(jīng)初步測算污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)備投資低于的冷水機(jī)組+燃?xì)鉄崴畽C(jī)組傳統(tǒng)方案系統(tǒng)（沒有了燃?xì)鉄崴畽C(jī)組和冷卻塔，增加污水換熱器），污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，相對(duì)于冷水機(jī)組+燃?xì)鉄崴畽C(jī)組傳統(tǒng)方案系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率36.25%，衛(wèi)生熱水節(jié)能率更加顯著，相對(duì)于燃?xì)鉄崴畽C(jī)組節(jié)能率達(dá)驚人的79%;本項(xiàng)目通過模擬計(jì)算，僅以節(jié)約電耗計(jì)算即可量減少CO2排放量約350噸，污水源熱泵系統(tǒng)符合人們對(duì)環(huán)境溫室效應(yīng)關(guān)注的歷史潮流，更不要說這是一個(gè)變廢為寶的可再生能源利用;本案例克服了一些數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確獲得，利用現(xiàn)有能獲得不是針對(duì)性的專業(yè)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算分析，依然可以得出污水源熱泵系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益都非常顯著可再生能源系統(tǒng)。如果項(xiàng)目條件具備，污水源熱泵系統(tǒng)是值得在工程實(shí)踐中大力推廣可再生能源系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]《地源熱泵技術(shù)手冊手冊》徐偉主編ISBN978-7-112-12858-7

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