姜衍禮 崔從明 董信林

山東中天羲和環(huán)境科技股份有限公司

0 引言

我國大部分地區(qū)，冬季采暖主要是依靠煤、石油、天然氣等石化燃料的燃燒來獲得。采暖與環(huán)保成為一對難以解決的矛盾。城市污水是北方寒冷地區(qū)不可多得的熱泵冷熱源。它的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，這種溫度特性使得污水源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高，節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用效果顯著。

污水源熱泵系統(tǒng)是利用了城市廢水作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)，污水經(jīng)過換熱設(shè)備后留下冷量或熱量返回污水干渠，污水與其他設(shè)備或系統(tǒng)不接觸，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)狻⑷加偷儒仩t房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，避免了排煙污染。不產(chǎn)生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵，環(huán)境效°C顯著。城市污水熱泵供暖系統(tǒng)，僅使用少量電能驅(qū)動便可達(dá)到冬季采暖，是一種綠色環(huán)保的供暖方式[1]。

1 工程概況

威海威高海洋館（圖1）位于山東省威海市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)文化西路北，大連路西，建筑面積24996 m2，地下一層，地上5 層。根據(jù)建筑的功能和使用情況，空調(diào)冬季設(shè)計(jì)供回水溫度為50°C/45°C；夏季供回水溫度為7°C/12°C，冬季空調(diào)總熱負(fù)荷為2500 kW，夏季空調(diào)總冷負(fù)荷為2600 kW。

圖1 威高海洋館實(shí)景圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目優(yōu)勢是距離威海高新區(qū)污水處理廠處理后排海的污水干管道約200 m，日排放污水5 萬m3，污水全年水溫在11～29°C范圍，PH 值約為7。

排海的污水雖然在污水處理廠經(jīng)過一系列處理，污水中的大顆粒固體和懸浮物基本被處理掉，但污水中依然含有小克隆物理雜質(zhì)、氨根、氯離子等化學(xué)成分，以及微生物、藻類及膠體等雜質(zhì)，沒有達(dá)到直進(jìn)水源熱泵機(jī)組的水質(zhì)要求，所以采用本項(xiàng)目間接式污水源熱泵系統(tǒng)。先將污水進(jìn)入污水換熱器和中介水進(jìn)行換熱，再由中介水進(jìn)入水源熱泵機(jī)組，換熱后系統(tǒng)循環(huán)水在熱泵機(jī)組與末端散熱設(shè)備之間循環(huán)，形成污水與熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)宏觀上的三個子循環(huán)系統(tǒng)，即污水循環(huán)，中介循環(huán)和末端循環(huán)，熱泵機(jī)組的內(nèi)部還有一個熱泵工質(zhì)（例如氟利昂）循環(huán)，即熱泵機(jī)組的工作過程，宏觀上不顯現(xiàn)。系統(tǒng)的主要設(shè)備包括污水泵、污水換熱器、中介泵、熱泵機(jī)組、末端泵。系統(tǒng)的流程原理圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)的流程原理圖

2.1 污水系統(tǒng)引退水方案

工程項(xiàng)目冬季和夏季所需要的污水總量是系統(tǒng)的供水方式，水源熱泵機(jī)組的性能，污水的水溫及建筑物采暖空調(diào)的冷熱負(fù)荷等因素決定的。

冬季污水源熱泵按制熱工況運(yùn)行時，需要污水總量約為：

式中：Qh為冬季空調(diào)總熱負(fù)荷，取2500 kW；mgw為需要污水流量m3/h；駐T 為污水換熱溫差，取4°C；COP為熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)，取4。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得冬季污水流量mgw＝403 m3/h。

夏季污水源熱泵按制冷工況運(yùn)行時，需要污水總量約為：

式中：Qe為夏季空調(diào)總冷負(fù)荷，取2600 kW；mgw為需要污水流量m3/h；駐T 為污水換熱溫差，取4°C；EER為熱泵機(jī)組制冷能效比，取5。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得夏季污水流量mgw＝447 m3/h。

夏季制冷需要的污水量要大于冬季制熱，按夏季系統(tǒng)換熱需要的污水量計(jì)算，每天需要污水量為1.07萬m3，本區(qū)污水干管日排污水量為5 萬m3，可以滿足本項(xiàng)目夏季制冷和冬季采暖要求。

2.2 污水系統(tǒng)取水方案

該項(xiàng)目采用污水處理廠排海的污水作為水源熱泵機(jī)組熱源。污水取水系統(tǒng)包括：取水管接點(diǎn)、管道、污水蓄水池、污水泵、污水換熱器、回水管接點(diǎn)。取水管接點(diǎn)是在污水主管道上鉆孔裝夾管三通，連接PE管引到污水源熱泵機(jī)房污水蓄水池內(nèi)，采用污水泵將污水送至機(jī)房內(nèi)的污水換熱器中，和中介水進(jìn)行換熱后進(jìn)到水源熱泵機(jī)組提熱或散熱，換熱后的污水重新排到污水干干管回水管接點(diǎn)。

2.3 污水換熱器選擇

污水源熱泵的關(guān)鍵技術(shù)是防堵，防垢和高效換熱，這三個問題都集中在污水換熱器之上，污水換熱器成為污水熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一[2]。

現(xiàn)有的換熱設(shè)備通常采用板式換熱器和管殼式換熱器，由于流道較窄和并聯(lián)形式，因此不具備防堵的能力，通常加設(shè)前置過濾裝置措施，例如防阻機(jī)。在前置過濾技術(shù)方面，現(xiàn)有前置過濾裝置都存在一定的缺陷，一方面無法徹底過濾，另一方面普遍存在內(nèi)泄漏問題，反沖水混入進(jìn)水，造成進(jìn)水溫度降低，從而影響系統(tǒng)效率[3]。

事實(shí)上，如果換熱設(shè)備已具備防堵功能，較大的懸浮物能順暢地通過，當(dāng)然就不需要防阻機(jī)了。流道式換熱技術(shù)已不需要前置水處理措施，污水經(jīng)污水泵后直接進(jìn)入流道式換熱器。防垢問題很難應(yīng)對，因?yàn)橹灰鬯佑|換熱器表面，換熱表面不可避免地要貼敷或沉積污垢，至于采用換熱表面納米材料等技術(shù)，事實(shí)上很難，而且造價(jià)上也承受不起。因此防垢要從三個方面著手：一是盡可能減少污垢的貼敷速度，延長污垢的清洗周期。二是換熱器清洗時容易拆卸和封裝，同時不對換熱器造成損傷。三是清洗換熱表面時容易清洗，而且工作量要盡可能的小。流道式換熱技術(shù)兼顧了上述三個方面[4]。

高效換熱是任何換熱器都追求的特點(diǎn)，污水換熱器就更加注重，因?yàn)槲鬯畵Q熱本身是很小的傳熱溫差，換熱器用量很大，再加上污垢及污水作為一種流體的本質(zhì)特點(diǎn)，換熱系數(shù)較清水要小很多。而很小的傳熱溫差、污垢及污水的流體特性是改變不了的，因此要提高換熱性能，只能從結(jié)構(gòu)形式上作文章，例如純逆流換熱等。當(dāng)然提高污水流速也是一種辦法，但是很有限，這也是一種正常的設(shè)計(jì)手段。流道式換熱技術(shù)采取了純逆流等換熱方式。

2.4 熱泵機(jī)房設(shè)計(jì)

機(jī)房設(shè)置于該館前廣場東側(cè)地下，水源熱泵機(jī)組，水處理器，污水換熱器，中介水泵和末端循環(huán)水泵等均安裝在機(jī)房內(nèi)部。分集水器設(shè)在館內(nèi)地下一層設(shè)備間，末端系統(tǒng)分5 個環(huán)路，負(fù)責(zé)地下一層，二層，三層，四、五層和維生系統(tǒng)，系統(tǒng)采用同程式，集水器回水管路設(shè)平衡閥，調(diào)節(jié)各環(huán)路水力平衡。

2.5 設(shè)備選型

根據(jù)建筑冷熱負(fù)荷總量，選擇兩臺型號YEWS415HA50E-HP2 水源熱泵機(jī)組，具體參數(shù)和輔助設(shè)備見如表1：

表1 污水源熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備表

2.6 污水源熱泵換熱器選型設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備表數(shù)據(jù)可以算出：

1）每臺熱泵對應(yīng)的中介水量為220 m3/h。

2）每臺熱泵對應(yīng)的污水量為250 m3/h。

3）污水換熱器的換熱量。夏季：QL=Qe+Ne=1420+233.4=1653.4 kW；冬季：QR=Qh-Nh=1406-377.4=1028.6 kW。式中：QL為夏季污水換熱器的換熱量，kW；Qe為夏季熱泵機(jī)組制冷量，kW；Ne為熱泵機(jī)組制冷功率，kW；QR為冬季污水換熱器的換熱量，kW；Qh為冬季熱泵機(jī)組制熱量，kW；Nh為熱泵機(jī)組制熱功率，kW。

因此每臺熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)應(yīng)為：

1）夏季中介水溫降：

2）夏季污水溫降：

3）冬季中介水溫降：

4）冬季污水溫降：

式中：駐TLZ為夏季中介水溫降，°C；駐TLW為夏季污水溫降，°C；GLZ為夏季中介水流量，m3/h；GLW為夏季污水流量，m3/h；駐TRZ為冬季中介水溫降，°C；駐TRW為冬季污水溫降，°C；GRZ為冬季中介水流量，m3/h；GRW為冬季污水流量，m3/h。

代入數(shù)據(jù)，可計(jì)算得：駐TLZ=6.5°C；駐TLW=5.7°C；駐TRZ=4.0°C；駐TRW=3.5°C。

冬季所需換熱面積計(jì)算：冬季污水設(shè)計(jì)溫度取13°C，出水溫度9.5°C，為保證熱泵良好運(yùn)行工況，中介水回水溫度不低于5°C，因此傳熱溫差最多取4.25°C，這樣供水溫度按9°C。

式中：駐TCR為冬季換熱器傳熱平均溫差，°C；TWGR為冬季換熱器污水進(jìn)水溫度，°C；TZGR為冬季換熱器中介水出水溫度，°C；TWHR為冬季換熱器污水出水溫度，°C；TZHR為冬季換熱器中介水進(jìn)水溫度，°C。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得冬季換熱器傳熱平均溫差駐TCR＝4.25°C。

ZTWH-145S 污水換熱器連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時傳熱系數(shù)為1.2 kW/(m2·°C)，考慮增加安全余量，傳熱系數(shù)k取1.0 kW/(m2·°C)，冬季需要污水換熱器換熱面積計(jì)算如下：

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得冬季需要污水換熱器換熱面積FR＝242 m2。

兩臺熱泵共需換熱面積：2×242=484 m2。

結(jié)論：每臺ZTWH-145S 污水換熱器的換熱面積為145 m2，因此冬季采暖需要4 臺換熱器，所通過換熱面積共為：580 m2。

夏季所需換熱面積計(jì)算：夏季污水設(shè)計(jì)溫度取25°C，出水溫度30.7°C，為保證熱泵良好運(yùn)行工況，中介水回水溫度不高于34°C，因此傳熱溫差最多取2.9°C，這樣供水溫度按27.5°C。

式中：駐TCL為夏季換熱器傳熱平均溫差，°C；TWGL為夏季換熱器污水進(jìn)水溫度，°C；TZGL為夏季換熱器中介水進(jìn)水溫度，°C；TWHL為夏季換熱器污水出水溫度，°C；TZHL為夏季換熱器中介水出水溫度，°C。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得夏季換熱器傳熱平均溫差駐TCL＝2.90°C。

夏季需要污水換熱器換熱面積計(jì)算如下：

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得夏季需要污水換熱器換熱面積FR＝570 m2。

兩臺熱泵共需換熱面積：2×570=1140 m2。

結(jié)論：每臺ZTWH-145S 污水換熱器的換熱面積為145 m2，因此夏季空調(diào)需要8 臺換熱器，所通過換熱面積共為：1160 m2，本項(xiàng)目選擇8 臺污水換熱器。

3 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

經(jīng)濟(jì)效°C主要是指運(yùn)行費(fèi)用，污水源熱泵在運(yùn)行中主要消耗的是電能（表2）。

表2 系統(tǒng)滿負(fù)荷耗電量估算

建筑采暖空調(diào)平均所需負(fù)荷按設(shè)計(jì)負(fù)荷的50%。設(shè)備平均每天運(yùn)行12 h。冬季供暖使用時間為120 天。夏季空調(diào)使用時間為90 天。平均電價(jià)按1.0 元kW·h計(jì)算。

3.1 冬季運(yùn)行費(fèi)用估算

運(yùn)行耗電量：902.8×120×12×50%=650016 kW·h

運(yùn)行費(fèi)用：902.8×120×12×50%×1.0=650016 元

冬季單位建筑面積耗電量：650016 kW·h 衣24996 m2·季=26 kW·h/(m2·季)

冬季單位建筑面積運(yùn)行費(fèi)用：650016 元衣24996 m2·季=26 元/(m2·季)

3.2 夏季運(yùn)行費(fèi)用估算

運(yùn)行耗電量：614.8×90×12×50%=331992 kW·h

運(yùn)行費(fèi)用：614.8×90×12×50%×1.0=331992 元

夏季單位建筑面積耗電量：331992 kW·h 衣24996 m2·季=13 kW·h/(m2·季)

夏季單位建筑面積運(yùn)行費(fèi)用：331992 元衣24996 m2·季=13 元/(m2·季)

3.3 運(yùn)行費(fèi)用比較

污水源熱泵的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在冬季制熱，夏季制冷的能效比和冷水機(jī)組基本差不多，冬季制熱本項(xiàng)目可以采取的方案還有采用熱電廠蒸汽換熱，蒸汽壓力0.3 MPa，飽和蒸汽溫度132.9°C，蒸發(fā)熱焓2726 kJ/kg，蒸汽價(jià)格每噸172 元。

供暖熱負(fù)荷2500 kW，蒸汽換熱器換熱效率按90%，蒸汽耗汽量為：

式中：Q 為冬季采暖總熱負(fù)荷，kW；im為蒸汽熱焓，kJ/kg；tr為采暖熱水溫度，°C；C 為水的比熱4.18 kJ/(kg°C)。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得蒸汽耗汽量Gm＝1.09 kg/s。

每天運(yùn)行12 小時，使用蒸汽量為：1.09 kg/s×12 h×3600 s衣1000=47t。

冬季采用蒸汽換熱運(yùn)行費(fèi)用為：47 t×120 天×172元/t=97 萬元。

采用污水源熱泵采暖比蒸汽換熱每年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用：97-33=64 萬元。

5 整體系統(tǒng)運(yùn)行情況

本項(xiàng)目目前已經(jīng)安裝完畢，經(jīng)過整體系統(tǒng)的調(diào)試，運(yùn)行參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，2018 年7 月夏季正式運(yùn)行，至今機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，滿足使用要求。

6 結(jié)論

1）利用城市污水作為熱泵冷熱源為建筑物供暖、空調(diào)具有重要的節(jié)能與環(huán)保及經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在技術(shù)上是可行的，在工程實(shí)施上也完全具有可行性。

2）解決污水源熱泵系統(tǒng)的取水和換熱問題是污水源熱泵系統(tǒng)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

3）污水源熱泵不但運(yùn)行費(fèi)用與熱電蒸汽供暖方式來比較，優(yōu)勢十分明顯，而且該項(xiàng)目在節(jié)能、水資源循環(huán)利用、環(huán)保三方面起到的作用是其它方式無法比較的。