山西省污水源熱泵應(yīng)用狀況及案例分析
太原市建筑設(shè)計研究院 申達孝
在我國，暖通空調(diào)能耗巨大，隨著人民生活水平的提高，建筑能耗將持續(xù)增加，因此，利用可再生清潔能源的空調(diào)供暖方式，對實現(xiàn)能源和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重大意義。
一、山西實施污水源熱泵空調(diào)的背景
2008年山西省設(shè)市城市和縣城供熱面積發(fā)展到26278萬平方米，集中供熱普及率為54.8％，其中住宅20356.1萬平方米，占77.5％。集中供熱總熱量達到40020萬GJ，根據(jù)有關(guān)方面估算，2008年山西省建筑總能耗達2981萬噸標煤，占全省能源消耗總量的24.2％。按城鄉(xiāng)總建筑面積（12424893萬平方米）計算，單位建筑面積能耗為23.88kg/㎡標準煤。這個數(shù)字對山西這個能源大省來說也是一個沉重的包袱，如何給能耗“減負”，成了擺在山西人民面前的一個重要課題。
山西是一個水資源極為貧乏的內(nèi)陸省份，雖然處在黃河的懷抱之中，但很少能直接從黃河水中受益，多年來山西從黃河中提水每年平均1.2億立方米，最多不過2億立方米。山西全省水資源總量為123079億立方米，人均水資源量為263立方米，僅為全國人均水資源量（2186立方米）的16.7％。近十多年來由于人為過度超量開采地下水以及采煤等多種因素山西境內(nèi)的多處盆地已形成漏斗狀,有上百條河流干涸斷流。基于山西的特殊缺水背景，充分發(fā)揮有限的水資源，特別是把城市污水作為可再生能源來開發(fā)有著十分重大的節(jié)能意義。山西是在全國率先應(yīng)用推廣污水源熱泵的省份之一。
二、山西污水源熱泵的示范工程
2006年1月1日《中華人民共和國可再生能源法》正式實施，2006年4月26日山西省第一例污水源熱泵工程在太原市實施示范工程。本示范工程的概況如下：山西省國瑞大廈為水源熱泵工程示范項目，包括二十九層高層住宅，產(chǎn)權(quán)交易市場及附屬辦公用房、商務(wù)綜合樓，是目前全國單體面積實施污水源熱泵工程最大的項目之一。建筑物位于太原市平陽路與八一街交叉路口東北角，路邊有一條通往污水處理廠的污水管道，污水的流量充沛、穩(wěn)定，取水點離建筑物30米，取水條件優(yōu)越。
項目第一期工程是二十二層的國瑞大廈（山西省產(chǎn)權(quán)交易市場及附屬辦公用房），位于項目地塊東南側(cè)，框架結(jié)構(gòu)，總建筑面積31338平方米，建筑高度87.4米，地上二十二層，地下室二層為公共建筑，建筑物的空調(diào)熱負荷為1860.2kw，空調(diào)冷負荷為2325.2kw。
二期工程為高層住宅樓，總建筑面積66945平方米，地上二十九層，地下二層，建筑為商住樓，住宅面積58754平方米，首層商場2607平方米，建筑熱負荷為2976.4kw，建筑冷負荷為3733.8kw。兩期工程都采用污水源熱泵采暖空調(diào)系統(tǒng)，采用3臺熱泵機組，單臺熱泵機組的制冷量為1560kw，制熱量為1560kw。
采用污水源熱泵工程的最大難點，是實現(xiàn)污水源連續(xù)穩(wěn)定的流動,水中的雜物不堵塞系統(tǒng)的設(shè)備和管路,同時實現(xiàn)完整的熱交換過程。本示范工程通過防阻機完成了這一難題，污水機房設(shè)在地下室二層，標高為-8.7米，建筑物室內(nèi)外高差1.2米，城市污水主干管為2×2米的方涵，取水點埋在馬路下-7.7米處，處于滿流有壓狀態(tài)，本方涵高峰時流量7300m3/h，平均流量5000 m3/h，低峰時4000m3/h，污水溫度平均16-18度，最低13度，最高21度?？紤]到擴展規(guī)劃為實施23萬平方米的供熱面積，本設(shè)計引水能力為2300 m3/h。目前本工程實際供暖面積13萬平方米，冬季污水最大流量僅910 m3/h，夏季污水最大流量為1110 m3/h。
三、山西實施污水源熱泵示范工程的經(jīng)濟分析
1、示范項目投資項目的總預(yù)算，本示范項目為辦公樓31338平方米，高層住宅樓66945平方米，不包括土地購置費，未考慮稅金及不可預(yù)見費，本工程總投資預(yù)算為2.516億人民幣。
2、示范工程增量成本的概算
單位：萬元
一、山西實施污水源熱泵空調(diào)的背景
2008年山西省設(shè)市城市和縣城供熱面積發(fā)展到26278萬平方米，集中供熱普及率為54.8％，其中住宅20356.1萬平方米，占77.5％。集中供熱總熱量達到40020萬GJ，根據(jù)有關(guān)方面估算，2008年山西省建筑總能耗達2981萬噸標煤，占全省能源消耗總量的24.2％。按城鄉(xiāng)總建筑面積（12424893萬平方米）計算，單位建筑面積能耗為23.88kg/㎡標準煤。這個數(shù)字對山西這個能源大省來說也是一個沉重的包袱，如何給能耗“減負”，成了擺在山西人民面前的一個重要課題。
山西是一個水資源極為貧乏的內(nèi)陸省份，雖然處在黃河的懷抱之中，但很少能直接從黃河水中受益，多年來山西從黃河中提水每年平均1.2億立方米，最多不過2億立方米。山西全省水資源總量為123079億立方米，人均水資源量為263立方米，僅為全國人均水資源量（2186立方米）的16.7％。近十多年來由于人為過度超量開采地下水以及采煤等多種因素山西境內(nèi)的多處盆地已形成漏斗狀,有上百條河流干涸斷流。基于山西的特殊缺水背景，充分發(fā)揮有限的水資源，特別是把城市污水作為可再生能源來開發(fā)有著十分重大的節(jié)能意義。山西是在全國率先應(yīng)用推廣污水源熱泵的省份之一。
二、山西污水源熱泵的示范工程
2006年1月1日《中華人民共和國可再生能源法》正式實施，2006年4月26日山西省第一例污水源熱泵工程在太原市實施示范工程。本示范工程的概況如下：山西省國瑞大廈為水源熱泵工程示范項目，包括二十九層高層住宅，產(chǎn)權(quán)交易市場及附屬辦公用房、商務(wù)綜合樓，是目前全國單體面積實施污水源熱泵工程最大的項目之一。建筑物位于太原市平陽路與八一街交叉路口東北角，路邊有一條通往污水處理廠的污水管道，污水的流量充沛、穩(wěn)定，取水點離建筑物30米，取水條件優(yōu)越。
項目第一期工程是二十二層的國瑞大廈（山西省產(chǎn)權(quán)交易市場及附屬辦公用房），位于項目地塊東南側(cè)，框架結(jié)構(gòu)，總建筑面積31338平方米，建筑高度87.4米，地上二十二層，地下室二層為公共建筑，建筑物的空調(diào)熱負荷為1860.2kw，空調(diào)冷負荷為2325.2kw。
二期工程為高層住宅樓，總建筑面積66945平方米，地上二十九層，地下二層，建筑為商住樓，住宅面積58754平方米，首層商場2607平方米，建筑熱負荷為2976.4kw，建筑冷負荷為3733.8kw。兩期工程都采用污水源熱泵采暖空調(diào)系統(tǒng)，采用3臺熱泵機組，單臺熱泵機組的制冷量為1560kw，制熱量為1560kw。
采用污水源熱泵工程的最大難點，是實現(xiàn)污水源連續(xù)穩(wěn)定的流動,水中的雜物不堵塞系統(tǒng)的設(shè)備和管路,同時實現(xiàn)完整的熱交換過程。本示范工程通過防阻機完成了這一難題，污水機房設(shè)在地下室二層，標高為-8.7米，建筑物室內(nèi)外高差1.2米，城市污水主干管為2×2米的方涵，取水點埋在馬路下-7.7米處，處于滿流有壓狀態(tài)，本方涵高峰時流量7300m3/h，平均流量5000 m3/h，低峰時4000m3/h，污水溫度平均16-18度，最低13度，最高21度?？紤]到擴展規(guī)劃為實施23萬平方米的供熱面積，本設(shè)計引水能力為2300 m3/h。目前本工程實際供暖面積13萬平方米，冬季污水最大流量僅910 m3/h，夏季污水最大流量為1110 m3/h。
三、山西實施污水源熱泵示范工程的經(jīng)濟分析
1、示范項目投資項目的總預(yù)算，本示范項目為辦公樓31338平方米，高層住宅樓66945平方米，不包括土地購置費，未考慮稅金及不可預(yù)見費，本工程總投資預(yù)算為2.516億人民幣。
2、示范工程增量成本的概算
單位：萬元
3、采用集中供熱平米造價的預(yù)算
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結(jié)論:國瑞大廈原生態(tài)污水熱泵示范工程單位面積的增量成本為119-64＝55元/㎡，總計增量費用172.36萬元。高層住宅原生態(tài)污水源熱泵示范工程的單位面積增量成本為118-64＝54元/㎡，總計增量費用361.50萬元。一、二期工程的總計增量成本533.86萬元。污水源熱泵示范工程的運行費用,我們曾作了3個方案進行運行費用的比較。
方案1：以污水作為冷熱源的熱泵工程方案,主機COP＝3～5.5
方案2：公建部分，以及高層住宅，溴化鋰機組＋燃氣鍋爐
方案3：電制冷機組＋燃氣鍋爐房
三種方案的運行費用比較如下：
采用方案一：
住宅部分 16.9元/㎡，年運行費99.29萬元/年
底層商鋪 22.5元/㎡，年運行費5.87萬元/年
采用方案二：
住宅部分 55.9元/㎡，年運行費328.43萬元/年
底層商鋪 77元/㎡， 年運行費70.07萬元/年
采用方案三：
住宅部分 35.4元/㎡，年運行費207.99萬元/年
底層商鋪 49.1元/㎡，年運行費12.8萬元/年
如果加上辦公樓進行比較
方案一的年運行費用為175.67萬元
方案二的年運行費用為589.81萬元
方案三的年運行費用為374.66萬元
可見方案一運行費用最為經(jīng)濟，方案二的運行費用為方案一的3.36倍，方案三的運行費用為方案一的2.1倍。
從以上分析結(jié)論為：污水源熱泵的運行費用最低，最經(jīng)濟。那么，從目前運行費用的情況究竟如何呢？目前運行費用為冬季采暖3.5元/㎡/月，基本上與預(yù)算接近。
5、山西污水源熱泵示范工程的環(huán)境效益
采用污水源熱泵工程的節(jié)煤量，按深圳建筑科學(xué)研究院的計算一年可節(jié)約標煤287T/a。其產(chǎn)生的環(huán)境效益是巨大的，一年可減排CO2、SO2、NOx等717.5噸，煙塵8.68噸，煤渣數(shù)百噸。
6、山西污水源熱泵示范工程的權(quán)威評估：
山西國瑞大廈污水源熱泵示范工程是目前山西唯一得到國家級驗收合格的可再生能源示范工程，并且取得了國家有關(guān)資金補貼800余萬元。國家對該項目工程驗收結(jié)論為：該項目由于周邊無集中供熱管線，因此以充分利用可再生能源、盡量減少常規(guī)燃燒礦物燃料產(chǎn)生的廢物對環(huán)境的污染為原則，采用城市原生態(tài)污水源熱泵，冷、熱、生活熱水三聯(lián)供技術(shù)。。該項目一、二期于2008年6月全部竣工驗收，投入運行，通過兩年的運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，技術(shù)實用、經(jīng)濟、可靠。 該項目作為國家財政部、建設(shè)部第三批可再生能源建筑應(yīng)用示范項目，為節(jié)能減排技術(shù)在山西乃至北方地區(qū)廣泛應(yīng)用起到了較好的示范作用。
四、山西省實施污水源熱泵工程的總量及污水處理方法
山西是繼哈爾濱、北京后在全國最早應(yīng)用和推廣污水源熱泵工程的省份，據(jù)不完全統(tǒng)計，山西省已實施污水源熱泵工程項目80萬平方米，這其中有原生態(tài)污水，也有處理過的二級污水。污水的處理有以下五種方式：
1、污水通過一級污水泵經(jīng)污水防阻機，經(jīng)二級污水泵進殼管式換熱器，典型工程為山西國瑞大廈示范工程，主要優(yōu)點是類似的工程實例多，有較完善的運行管理經(jīng)驗，缺點是設(shè)備體積龐大，維護清理工作量大。
2、污水通過一級污水泵進污水防阻機，經(jīng)二級污水泵進板式換熱器，典型的工程為太原市老年公寓，優(yōu)點是換熱器體積小，換熱器的傳熱效率高，缺點是盡管加大了板式換熱器的流道寬度，但還是容易造成堵塞，有一定的風(fēng)險，不易大力推廣。
3、污水通過一次污水泵進寬流道專用換熱器完成換熱，典型工程為山西臨汾污水處理廠熱泵工程，優(yōu)點是最不易堵塞，且好維護，缺點是設(shè)備重量太大。
4、污水經(jīng)過水泵直接進板式換熱器，前部僅加快速排污過濾網(wǎng)，典型的工程為太原市楊家堡污水處理廠污水源熱泵工程，優(yōu)點是傳熱效率高，只適合在污水處理廠經(jīng)過處理達排放標準的污水上使用。
5、污水經(jīng)污水泵進入防阻機過濾后，污水直接進入熱泵機阻的蒸發(fā)器，山西已有個別工程實例，做的不是十分滿意，其中個別工程失敗，水中的毛發(fā)、纖維會堵塞蒸發(fā)器銅管，造成局部水流量過低而引起局部過冷狀態(tài)而凍壞熱泵機組，這方面已有工程事故發(fā)生。
五、山西實施污水源熱泵工程中的問題
山西省太原市污水以其水量大，水質(zhì)穩(wěn)定，常年溫度在13-25度為特點，污水作為熱泵機組最為經(jīng)濟的冷熱源已成為不爭的事實。污水源熱泵技術(shù)的完美呈現(xiàn)，真正的技術(shù)難點不在熱泵機組的本身，而是實現(xiàn)污水的連續(xù)過濾而不堵塞。當(dāng)前，污水源熱泵工程推廣困難的原因大致有如下幾個原因：
1、認識觀念上的滯后，對污水源熱泵的特點還沒有充分的認識。
2、沒有合理開發(fā)利用污水資源的規(guī)劃。
3、利用污水的連續(xù)過濾防止堵塞的設(shè)備不夠科學(xué)完善，以致在使用過程中多次過濾網(wǎng)撕裂，造成設(shè)備短時不能正常運行，直接影響了冬季的供暖。
4、污水源熱泵工程中的防阻機設(shè)備較笨重，維護管理的難度較大。
5、應(yīng)強化對污水中毛發(fā)和纖維的過濾設(shè)備研究。污水中會有大量的毛發(fā)以及紡織物纖維，這部分廢棄物同生物膜一樣很難清除，常常是附著在換熱器表面上，形成污垢，直接增加了換熱器的熱阻，降低換熱效率。
6、污水源熱泵工程中的污水換熱器普遍存在著換熱效率低，換熱器體積過大的問題，這樣就會使污水處理的機房面積增大，高度增高。
7、發(fā)展和應(yīng)用可再生能源要結(jié)合當(dāng)?shù)氐馁Y源情況，山西有個別工程使用原生態(tài)污水直接進熱泵機組，造成熱泵機組的蒸發(fā)器堵塞，流量過小，導(dǎo)致蒸發(fā)器過冷結(jié)冰，造成了很大的經(jīng)濟損失。
六、城市污水源熱泵的推廣的優(yōu)勢
據(jù)研究，城市的低位廢熱40％潛在城市污水中，合理的回收這部分低位熱量，利用污水作為冷熱源對建筑進行采暖可以直接減少其它能源消耗。同時可以達到廢物利用的目的，是資源再生利用，發(fā)展綠色生態(tài)建筑的重要措施。
城市污水源熱泵的推廣有如下優(yōu)勢：
1、城市污水PH值基本為7，沒有腐蝕性。
2、每立方米城市污水中，含有5000-10000大卡的低位熱量，相當(dāng)燃燒1-1.5kg的標準煤。
3、用專利技術(shù)保證污水的連續(xù)過濾而不堵塞。
4、如果污水溫度高可階梯式的開發(fā)熱量。
5、完全替代礦物能源，實現(xiàn)SO2、CO2的零排放。
6、COP>4節(jié)能效果十分明顯。
7、夏季空調(diào)產(chǎn)生的余熱排入污水中，減少了一般空調(diào)用冷卻塔帶來的噪聲，降低水質(zhì)污染以及城市熱島效應(yīng)的風(fēng)險。
8、隨著人們生活水平的提高，城市污水的流量也愈來愈大，污水資源豐富。
9、節(jié)省勞動力，實現(xiàn)智能化的管理，機房無人值守。
10、國家及地方政府有推廣再生能源的經(jīng)濟扶持政策。
11、無需建立儲煤場、渣場節(jié)約了土地資源。
七、山西省污水源利用現(xiàn)狀
據(jù)了解，繼哈爾濱、北京、山西最早推廣使用污水源熱泵技術(shù)后，污水源熱泵工程已在東北的遼寧、吉林、黑龍江得到廣泛的應(yīng)用。特別是2007年后，在山東、江蘇、河北、江西、陜西、重慶以及廣西、天津、上海等地都涌現(xiàn)了一大批運行效果良好的污水源熱泵工程，2009年技術(shù)較為滯后的青海、西寧也正式啟動了污水源熱泵工作，可以說污水源熱泵應(yīng)用的潛力不可估量。山西省開發(fā)和利用污水源熱泵已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗，這為以后開發(fā)污水資源奠定了堅實的基礎(chǔ)。
據(jù)統(tǒng)計，2008年山西省建制鎮(zhèn)以上城鎮(zhèn)污水排放量約88876×104m3，平均日排放量243.5×104m3。其中，地級市51283×104m3，占57.7%；縣級市8235×104m3，占9.3%；縣城16737×104m3，占18.8%；建制鎮(zhèn)12621×104m3，占14.2%。預(yù)計全省可供利用的污水量約30~40×104m3，污水變化按5℃計算，可提供熱618~824×104GJ/d，可提供140~190×104m2的建筑物冬季采暖所需。按地域統(tǒng)計分析，晉南的臨汾、運城地區(qū)污水量16452×1104m3，占18.5%；晉東南的長治、晉城地區(qū)污水13558×104m3，占15.3%；中部的太原、陽泉、晉中、呂梁等地區(qū)污水量40022×104m3，占45%；北部的忻州、朔州、大同地區(qū)污水量約18845×104m3，占21.2%。
作為一種可再生能源，污水的溫度與水量同樣重要。夏季時污水溫度各地相差不大，一般在20~25℃之間。冬季時各地污水溫度差距較大。設(shè)市城市和部分條件較好的縣城污水管網(wǎng)較完善，污水管道封閉運行，污水溫度一般在10~13℃之間。大部分縣城由于污水管網(wǎng)不完善，明渠排水普遍存在，污水熱損失較大，因而污水溫度較低，一般在4~6℃之間。少數(shù)縣城污水管網(wǎng)與河溝相連，大量河水混入污水，導(dǎo)致污水溫度極低，可達2~3℃。建制鎮(zhèn)目前基本沒有污水管網(wǎng)，暫時不具備污水源熱泵利用條件。
利用中水作為熱源供暖，不影響污水處理廠運行，因而具有較大的發(fā)展前景，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，2008年山西省縣以上城市已經(jīng)建成污水處理廠66座，污水處理能力195.9×104m3/d，年處理能力44813×104m3，平均日處理水量123×104m3。其中地級市污水處理廠21座，處理能力128.6×104m3/d，年處理能力34343×104m3，平均日處理水量94×104m3；縣級市污水處理廠11座，處理能力23.3×104m3/d，年處理能力5031×104m3，平均日處理水量13.8×104m3；縣城污水處理廠34座，處理能力44×104m3/d，年處理能力5439×104m3，平均日處理水量14.9×104m3。中水溫度一般比污水低1~3℃，其變化規(guī)律與污水相同。設(shè)市城市和少數(shù)縣城中水溫度較高，一般在8~10℃之間；多數(shù)縣城中水溫度在4~5℃之間，少數(shù)縣城最低可達2℃左右?？紤]到水溫的影響，設(shè)市城市最有條件開展中水熱泵供熱的推廣應(yīng)用?？鄢坎环€(wěn)定和水溫較低的情況，預(yù)計目前可利用的中水資源約有108×104m3/d，預(yù)計可提430×104m2的建筑物冬季采暖所需。當(dāng)然，污水源熱泵工程也只是利用可再生能源的一部分，我們因地制宜，發(fā)揮資源的優(yōu)勢組合，切實把利用可再生能源，節(jié)能減排的工作，按照科學(xué)發(fā)展的規(guī)律深入細致的進行下去。
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