2008年7月21日

    內(nèi)容摘要   介紹了一種新式的地源熱泵形式，把PE管做成一個(gè)密閉管網(wǎng)直接泡浸在污水渠內(nèi)，室內(nèi)空調(diào)采用分散式地源熱泵型空調(diào)，夏季通過熱泵空調(diào)把熱量排放到污水中，冬季通過熱泵空調(diào)在污水吸收熱量，從而達(dá)到夏季制冷冬季供熱的目的。

關(guān)鍵詞     分散式地源熱泵型空調(diào)  節(jié)能  污水  浸沒換熱  制冷  供熱

引言
    我國既有建筑近400億平方米，其中95%以上是高耗能建筑，同時(shí)，我國每年新建房屋面積約20億平方米，其中80%以上為高耗能建筑。全國建筑耗能占全社會(huì)終端能耗的比例達(dá)27.8%，因此降低暖通空調(diào)耗能成為建筑節(jié)能的重點(diǎn)。而地源熱泵空調(diào)無疑是目前空調(diào)系統(tǒng)中非常節(jié)能的一類，幾年來得到了迅速發(fā)展，全國各地工程實(shí)力數(shù)不勝數(shù)，冷（熱）源形勢和系統(tǒng)形式也是根據(jù)各種條件的不同而多種多樣，其中利用污水作為地源熱泵的冷（熱）源是一種比較新型的形式，目前利用的尚且不多，而此種系統(tǒng)對節(jié)能環(huán)保有著積極的意義，市場前景非常好。

1、 工程概況
    山東華元房地產(chǎn)發(fā)展有限公司辦公樓位于山東省諸城市區(qū)，共有二棟樓，綜合樓共十層，科技樓共四層，除綜合樓地下一層至地面二層為餐廳休閑廳外，其余以辦公為主，總建筑面積23450㎡，總空調(diào)面積10559㎡，設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷為1154kw，設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷為527kw，采用分散式地源熱泵型空調(diào)。距該建筑西面60m處有一城市生活污水總干渠，本工程就是利用了城市污水作為熱泵空調(diào)的冷（熱）源，為建筑制冷（供熱），本工程于2007年9月通過山東省專家組鑒定成為了省科技節(jié)能示范項(xiàng)目。

2、 確定換熱形式的簡述
    利用污水作為空調(diào)系統(tǒng)換熱的系統(tǒng)形式在國內(nèi)也在逐漸增多，其主要的形式是集中換熱的系統(tǒng)形式，即把污水作簡要處理后通過集中式換熱器（殼管換熱器）給空調(diào)系統(tǒng)換熱。由于本工程建筑物與污水渠之間有一條20m寬的公路（如：圖1），所以對引進(jìn)污水和修建污水沉井（集中式污水換熱形式在設(shè)備引進(jìn)污水時(shí)需要修建12m3和16m3二個(gè)污水池）的施工均帶來了相當(dāng)大的困難，同時(shí)工程造價(jià)也讓甲方難以忍受。因此，經(jīng)過對污水溫度、污水特性、污水渠換熱條件各方研究論證，同時(shí)借鑒了地埋管及地表水熱泵換熱形式的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，確定了本項(xiàng)目利用聚乙烯管（PE管）直接浸泡在污水渠中為空調(diào)系統(tǒng)換熱，在本項(xiàng)目中，此換熱形式比集中式換熱形式的造價(jià)低40%，本項(xiàng)目也成為了國內(nèi)首例利用污水浸沒換熱形式的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)大型項(xiàng)目。

3、 污水浸沒換熱形式的設(shè)計(jì)計(jì)算及施工
    污水的溫度、水量、腐蝕性以及污水渠的空間條件等都是影響換熱效果的因素，本項(xiàng)目空調(diào)能否達(dá)到使用效果關(guān)鍵在于污水浸沒換熱形式是否可以滿足熱泵空調(diào)運(yùn)行時(shí)換熱量的需要，它也相當(dāng)于空調(diào)系統(tǒng)的一個(gè)換熱器，此換熱器的設(shè)計(jì)施工就是本項(xiàng)目的重中之重，本文也主要對此部分的設(shè)計(jì)計(jì)算、施工作詳細(xì)介紹，供業(yè)內(nèi)認(rèn)識(shí)參考及探討。

3.1計(jì)算條件
    污水主要以城市生活污水為主，其污水總干渠距工程所在地的最近距離為60m，寬3.8m，高2m，長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在產(chǎn)生活污水的低峰期污水流速0.1m/s，深度0.2m，其流量為270 m3/h，夏季污水溫度通常在18℃，最高24℃，冬季通常在14℃，最低11℃，地源熱泵空調(diào)夏季工況25~30℃，冬季工況10℃~7℃。設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷為1154kw，由于夏季系統(tǒng)換熱量大于冬季換熱量，所以計(jì)算以夏季工況計(jì)算。

 3.2確定泡管的總長度
    空調(diào)系統(tǒng)的夏季制冷量為1154kw，所以其排熱量為：kw
其中—夏季向土壤排放的熱量（kw）
—夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷（kw）
—設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)5。
    確定泡管的總長度，最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)就是泡管每米的換熱量，而這個(gè)數(shù)據(jù)與污水溫度、水量、管網(wǎng)的設(shè)計(jì)等等都存在動(dòng)態(tài)變化，所以難以得到一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)值。所以，只能根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合簡單實(shí)驗(yàn)得到，PE管浸泡在污水中的換熱能力在27~35w/m之間，所以本系統(tǒng)所需的PE管總長度為：1384.8w×1000÷35w/m＝39565m至1384.8kw×1000÷27w/m＝51289m，本工程泡管首次施工總長度確定為40000m，但預(yù)留12000m的管道接口。
 
  3.3污水渠內(nèi)對污水的惡處理措施
    如果只是利用污水自然深度0.2m來浸泡PE換熱管網(wǎng)，其占地面積太大，是不可行的，所以需要堵截污水，經(jīng)與市政污水管理部門協(xié)商污水堵截高度為0.8m為宜，堵截墻中間設(shè)計(jì)一扇門，此門其一可以解決污水量過大時(shí)泄洪，其二可以根據(jù)PE管上吸附污垢量的增大通過定時(shí)打開排泄門來沖刷污垢。在污水堵截墻前端設(shè)一警戒水位，當(dāng)污水出現(xiàn)極限高峰或暴雨時(shí)，為不影響此時(shí)的排污，在警戒水位處安裝水位探頭，其控制報(bào)警器，當(dāng)水位達(dá)到警戒水位就自動(dòng)報(bào)警，人為打開排污門泄洪。這樣在極限情況下也不會(huì)影響市政設(shè)施的正常作用。
    另外，污水中含有大量污物，如果任由污水直接通過PE管網(wǎng)，不久就會(huì)造成堵塞，這樣既不利于PE管網(wǎng)換熱，也不利于污水排放，所以需采取攔污措施。在距最前端PE管網(wǎng)2m處設(shè)置一個(gè)攔污柵，攔污柵與污水渠一側(cè)形成40度的夾角，在夾角處砌一2m×2m的污水沉淀池，這樣隨著污水的不斷沖刷，附在攔污柵的污物會(huì)自然漂移到污水沉淀池中。（如：圖1）

  3.4污水內(nèi)管網(wǎng)設(shè)計(jì)與布置
    污水內(nèi)管網(wǎng)共分成四大組，單組長度為200m，每大組利用分集水器分成十三小組，每小組排5根單管，，其中每小組預(yù)留三排的接口（總長度12000m）。（如：圖2）
   
3.5管網(wǎng)施工（如：圖3）
    污水渠上方是用4m長1m寬的水泥板封蓋，在分（集）水器的安裝位置分別打開2塊蓋板即可，施工工人下渠作業(yè)需帶防毒口罩，穿防水膠鞋。購買來的PE管每扎正好200m，首先把PE管排好，且PE管二頭都做好了密封，然后安裝事先做好的分（集）水器，分（集）水器上有單管的接口，采用熱溶連接單管。

  3.6管網(wǎng)水壓試驗(yàn)
    管網(wǎng)接口多、管道較長，而且安裝在密封的污水渠內(nèi)，一旦發(fā)生泄漏，不僅影響空調(diào)運(yùn)行，以后維修起來相當(dāng)困難，因此管網(wǎng)水壓試驗(yàn)是非常重要的，必須確保萬無一失。小組的干管上均安裝了閥門，每小組通過閥門切換均單獨(dú)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，然后每大組進(jìn)行水壓試驗(yàn)，最后四大組進(jìn)行水壓試驗(yàn)，每個(gè)環(huán)節(jié)的試驗(yàn)壓力均為1.5MPa，保壓半小時(shí)，壓降不大于0.01Mpa。

4  系統(tǒng)設(shè)計(jì)
     系統(tǒng)選用流量230 m3/h，揚(yáng)程45m水泵二臺(tái)（一用一備），選用一臺(tái)處理水量為250 m3/h的電子水處理議。系統(tǒng)的膨脹定壓采用開式高位膨脹水箱。
       管路最大壓力應(yīng)小于管材的承壓能力。若不計(jì)污水引起的靜壓抵消，污水換熱管路所需承受的最大壓力等于大氣壓力、重力作用靜壓和水泵揚(yáng)程一半的總和，即：
   P=P0+pgh+0.5ph
   其中P—管路最大壓力，Pa
       P0—建筑物所在的當(dāng)?shù)卮髿鈮?，Pa
       P—地下埋管中流體密度，kg/ m3  
       g—當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2          
       h—污水管網(wǎng)最低點(diǎn)與閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點(diǎn)的高度差，m
       ph—水泵揚(yáng)程，Pa
       p=101325+1000×9.8×50＋0.5×450000＝816325Pa＝0.82MPa
    所以管材需采用1~1.25MPa的PE80管，主管道采用PE100.考慮到能量損失系統(tǒng)不設(shè)置板換。

5   運(yùn)行情況
    本項(xiàng)目在2007年11月調(diào)試運(yùn)行，污水渠內(nèi)污水溫度在11℃以上，當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度零度左右時(shí)，室內(nèi)溫度能達(dá)到22℃左右，經(jīng)過一個(gè)冬季季節(jié)的運(yùn)行，使用效果良好。從地源熱泵工況可以看出（夏季污水最高溫度24℃，通常在18℃，而地源熱泵夏季工況為25~30℃），此系統(tǒng)只要滿足冬季供熱，就能滿足夏季制冷。