污水源熱泵節(jié)能系統(tǒng)的工程應(yīng)用 

王安民  曹振婷  石光

天津市金大地能源工程技術(shù)有限公司  

摘要：污水源熱泵技術(shù)是一項(xiàng)直接利用污水中的能量進(jìn)行冬季采暖、夏季空調(diào)，全年生活熱水供應(yīng)的技術(shù)。該技術(shù)具有明顯的節(jié)能環(huán)保效應(yīng)并實(shí)現(xiàn)了低位能向高位能的轉(zhuǎn)化。本文主要敘述了在天津公館建設(shè)項(xiàng)目中采用污水源熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)冬季采暖、夏季制冷和全年生活熱水供應(yīng)，闡明了推廣污水源熱泵這個(gè)可再生能源應(yīng)用技術(shù)的廣闊的發(fā)展前景和良好的環(huán)保效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：污水源熱泵、低位能、節(jié)能、社會(huì)效應(yīng)

Sewage Water Source Heat Pump Technology Used in The Energy-Saving Project

Wang An’ming, Cao Zhenting, Shi Guang

Tianjin Jindadi Energy Engineering Technology Co., Ltd.

Abstract：The “Sewage Water Source Heat Pump Technology”, making the direct use of sewage water as a heating and cooling source, has made profound influence on energy conservation and environmental protection. Besides that the technology turns low-grade energy into high-grade energy. This article deals with the application of sewage source heat pump system used in Tianjin Chateau for air-conditioning, heating and hot water system. The applications of sewage water source heat pump, which has a bright prospect, will bring significantly positive influence on both energy conservation and economic efficiency.

 Key Words：Sewage Water Source Heat Pump, low-grade energy, energy-saving, social effect

引言：

    污水源熱泵系統(tǒng)是以污水中的能量為低位能，通過(guò)少量電能輸入，采用間接換熱和熱泵技術(shù)，開(kāi)發(fā)利用污水中不易利用的低位能量，使其變成可利用的高位能。它不僅能滿足冬季供暖、夏季供冷的需求，同時(shí)還可以提供生活熱水，具有一機(jī)三用的功能。由于利用了污水中的低品位熱能，通常情況下，輸入1kW 電能可獲得4kW以上的冷量或5kW以上的熱能，其運(yùn)行費(fèi)用和初投資大大低于傳統(tǒng)的供熱供冷方式。

• 項(xiàng)目簡(jiǎn)介   

    天津公館污水源熱泵空調(diào)工程是目前天津市首例應(yīng)用城市原生污水作為冷熱源的工程。該工程位于天津市解放南路與紹興道交口，由A、B、C三座單體建筑組成，主要功能為商業(yè)、辦公、住宅。其中公建面積為1.9萬(wàn)m²；住宅面積為3.5萬(wàn)m²；天津公館附近污水干渠位于臺(tái)兒莊路路面以下，渠深約3m，渠寬約2.4m，為馬蹄形涵洞，建于上世紀(jì)50年代，根據(jù)天津市排管處提供的污水資料，該污水干渠最低小時(shí)流量為3600t/h，污水PH值≈7.0，污水最低溫度為13℃（2006年12月實(shí)測(cè)值為14℃）。

• 設(shè)計(jì)內(nèi)容

本次設(shè)計(jì)范圍主要為：

• 熱泵機(jī)房原生污水源熱泵系統(tǒng)用戶側(cè)工藝管道設(shè)計(jì)

• 室內(nèi)污水送、回水工藝管道設(shè)計(jì)

• 熱泵機(jī)房原生污水源熱泵系統(tǒng)工藝控制方案設(shè)計(jì)

• 室外污水泵井工藝設(shè)計(jì)

通過(guò)以上設(shè)計(jì)， 該工程利用天津公館附近污水干渠的原生污水來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)本工程8800m²（1-5F）的空調(diào)供冷/供熱、34800 m²（6-26F）的采暖供熱以及450戶的生活熱水供應(yīng)。

• 原生污水源熱泵系統(tǒng)可靠性論證及系統(tǒng)優(yōu)化配置

3.1 城市污水的主要熱特性

    城市污水溫度變化幅度較小，與環(huán)境溫度相比，表現(xiàn)為冬暖夏涼。與河水以及空氣的溫度相比較，城市污水溫度在冬季最高、夏季最低，可見(jiàn), 城市污水在冬季可作為供暖系統(tǒng)的熱源，在夏天做為空調(diào)系統(tǒng)的冷源。

3.2 污水源熱泵原理圖  

圖1、污水源熱泵原理圖

3.3 污水源熱泵流道式換熱器技術(shù)介紹

3.3.1污水流道式換熱器的技術(shù)原理介紹：

    流道式換熱技術(shù)是介于管殼式換熱和板式換熱之間的一種換熱技術(shù)，污水換熱器內(nèi)的流道是單流道，污水進(jìn)入換熱器后僅走一個(gè)流道，因此可形象而簡(jiǎn)單地說(shuō)，流道式換熱器的每一管程只有一根“管子”，這樣就增大了過(guò)流斷面，解決了堵塞問(wèn)題。特點(diǎn)如下：

（1）采用單流道，流道增大，以不會(huì)出現(xiàn)堵塞為限，具體數(shù)值是根據(jù)試驗(yàn)來(lái)確定的。事實(shí)上，污水進(jìn)入換熱器之前都是經(jīng)污水泵抽送的，能夠經(jīng)過(guò)污水泵的懸浮物就能在換熱器內(nèi)順暢地通過(guò)，一般不再有特大尺寸的雜質(zhì)，基本上都是纖維狀的較小的懸浮物。

（2）流道式換熱器的結(jié)構(gòu)特殊，清洗污垢時(shí)，污水側(cè)的封板很容易拆卸，比拆卸管殼式換熱器沉重的封頭容易得多。且由于采用了單流道，流道數(shù)量很少，清洗工作量減少，清洗也更容易。

（3）由于采用了單流道，污水與清水采取全逆流結(jié)構(gòu)可有效地提高換熱效率。另外，污水在換熱器內(nèi)所走的流程長(zhǎng)度達(dá)數(shù)百米以上，在換熱器長(zhǎng)度3-5米的情況下，污水在換熱器內(nèi)折流幾十次，有效地提高了換熱效率。

3.4 機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

    中央監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)熱泵機(jī)組、水泵、管路溫度、壓差和液位等進(jìn)行中央監(jiān)控。系統(tǒng)在熱泵機(jī)組的總出水管上安裝出水溫度傳感器，根據(jù)系統(tǒng)出水溫度的設(shè)定值自動(dòng)控制熱泵機(jī)組啟停及加/卸載，保證系統(tǒng)出水溫度恒定，達(dá)到一定的節(jié)能效果；該系統(tǒng)可以設(shè)置水泵控制點(diǎn)、反饋點(diǎn)、警報(bào)點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行液位控制、補(bǔ)水、控制管路之間壓差，保持系統(tǒng)平衡，并提供相應(yīng)的警報(bào)功能。

 圖2、天津公館中央監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架圖

3.5 天津公館原生污水源熱泵機(jī)組介紹

3.5.1噴淋式水源熱泵機(jī)組

• 噴淋式（降膜式）蒸發(fā)器有效的提高換熱效果，在冷凝器進(jìn)/出水溫度40℃/45℃；蒸發(fā)器進(jìn)/出水溫度12℃/7℃的工況條件下，比一般干式機(jī)組制冷量提高30%。（機(jī)組蒸發(fā)溫度提高3至4℃）。

• 低壓側(cè)增壓噴射泵的運(yùn)用，以閃氣槽中的閃氣為動(dòng)力，將蒸發(fā)器中的冷媒壓力提升后，進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣端。

• 冷凝器：冷凝器采用高效專用換熱管，獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比一般機(jī)組冷凝溫度下降1℃至2℃。降低了壓縮機(jī)耗功，提高了機(jī)組能效比。

• 油分、閃氣槽，具有專利權(quán)的過(guò)濾式油分，油分離效果穩(wěn)定。從根本解決了油分離效果較低而引起的機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)效能衰減的問(wèn)題。閃氣槽在系統(tǒng)中的合理配置，使機(jī)組滿載效率COP（kW/kW）值提高了10%。

• 孔口板，采用孔口板調(diào)整冷媒流量，安全可靠，無(wú)損壞，無(wú)維修費(fèi)用，可滿足機(jī)組負(fù)荷在12.5%至100%的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。

3.5.2噴淋式中溫型水源熱泵機(jī)組制冷、制熱變工況曲線：

 GB/T19409-2003標(biāo)準(zhǔn)制冷模式：

冷凝器進(jìn)水溫度18℃，△t=11℃；蒸發(fā)器出水溫度7℃， △t=5℃

圖3、  噴淋式中溫型水源熱泵制冷變工況曲線（R22、R134a）

 GB/T19409-2003標(biāo)準(zhǔn)制熱模式：

冷凝器進(jìn)水溫度40℃，出水溫度45℃；蒸發(fā)器進(jìn)水溫度15℃，出水溫度7℃

圖4、 噴淋式中溫型水源熱泵制熱變工況曲線（R22、R134a）

• 原生污水源熱泵系統(tǒng)在天津公館應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性分析

利用城市污水冷熱源，采用熱泵技術(shù)為建筑物供熱制冷，具有巨大的節(jié)能、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)效益。

4.1天津公館污水源熱泵經(jīng)濟(jì)性分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表1、天津公館原空調(diào)、采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況

表2、天津公館設(shè)計(jì)冷、熱負(fù)荷

 表3、天津公館各供熱供冷方案經(jīng)濟(jì)性比較

• 原生污水源熱泵系統(tǒng)在天津公館應(yīng)用中的環(huán)保性分析

5.1 節(jié)能效果預(yù)測(cè)分析

如果本項(xiàng)目使用的是火電，則有如下計(jì)算：

    燃煤發(fā)電的效率為1/3左右，熱泵的能源利用效率為400%左右，兩者綜合得到熱泵供熱的能源利用效率為1.33 。而直接燃煤供熱的能源利用效率僅為0.8左右（考慮到鍋爐效率，燃燒效率等）。兩者比較可知熱泵供熱比燃煤供熱節(jié)煤40%左右。采暖時(shí)每使用一噸污水，可獲取5000～10000千卡熱能（與冬季污水的水溫有關(guān)），相當(dāng)于1.5～3 kg燃煤供熱的有效熱值。每利用1t污水，相當(dāng)于可少燃煤2㎏左右。則本項(xiàng)目每年供熱利用污水40萬(wàn)噸，節(jié)省標(biāo)煤800噸左右。按使用20年計(jì)算，節(jié)煤潛力達(dá)16000噸。

5.2 環(huán)境影響分析

    污水熱泵空調(diào)系統(tǒng)利用污水作為冷熱源，污水經(jīng)過(guò)換熱設(shè)備后僅改變溫度，再返回污水干渠，污水與其他系統(tǒng)不接觸，不污染其他設(shè)備或系統(tǒng)。項(xiàng)目施工中，從污水支渠、干渠引/排污水將采用標(biāo)準(zhǔn)施工，保證原有支渠、干渠的功能和壽命不受到影響。這已經(jīng)在北京悅都，弘利苑酒店等工程中得到驗(yàn)證。

環(huán)保效益：

    冬季采暖時(shí)，燃煤1kg將向大氣排放3kg左右的CO₂，天津公館污水源熱泵系統(tǒng)每年可少向大氣排放CO₂約2400噸，對(duì)減少溫室氣體的排放有重要的意義；在夏季空調(diào)時(shí)，空調(diào)廢熱被排放到了污水或地面水體中，而不是像常規(guī)空調(diào)那樣通過(guò)冷卻塔排放到大氣中?？蓽p輕 “熱島效應(yīng)”。

• 關(guān)于系統(tǒng)其他節(jié)能措施

    天津公館項(xiàng)目除了采用污水源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供暖、制冷、供生活熱水的目的之外，還采用了以下節(jié)能措施：

1）輕量氣泡混凝土：

    輕量氣泡混凝土是一種新型的地板采暖隔熱層材料，成品主要用于減輕建筑自身重量或用來(lái)替代聚苯板材料隔熱。2）自適應(yīng)節(jié)電控制方案：天津公館將采用節(jié)電控制方案，該方案主要是對(duì)現(xiàn)有的電機(jī)設(shè)備實(shí)施節(jié)電技術(shù)改造，其總體節(jié)能目標(biāo)為提高用電效率和用電質(zhì)量，提高設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行安全性和可靠性。3） 天津公館節(jié)能運(yùn)行控制裝置應(yīng)用的相關(guān)說(shuō)明

    引用中央空調(diào)節(jié)能運(yùn)行控制裝置（國(guó)家專利號(hào)：200720123433.1)，用技術(shù)手段強(qiáng)制實(shí)施節(jié)能措施：夏季室內(nèi)空調(diào)溫度設(shè)置不得低于26℃,冬季室內(nèi)空調(diào)溫度設(shè)置不得高于20℃，而且限定開(kāi)窗時(shí)間不得超過(guò)10秒、開(kāi)門時(shí)間不得超過(guò)3分鐘，否則空調(diào)自動(dòng)關(guān)閉停用，直到關(guān)閉門窗后空調(diào)才恢復(fù)使用。這樣做，可以極大的減少不必要浪費(fèi)的空調(diào)能耗。

7、原生污水源熱泵系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的前景展望

    本文通過(guò)對(duì)工程所在地市政資源的調(diào)研，對(duì)四種可行的冷、熱源方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析得出,原生污水源熱泵系統(tǒng)不僅節(jié)能環(huán)保，而且還具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。天津公館是目前天津市首例應(yīng)用城市原生污水作為冷熱源的空調(diào)工程。該項(xiàng)目獲得建設(shè)部、財(cái)政部可再生能源應(yīng)用示范項(xiàng)目榮譽(yù)稱號(hào)，獲得國(guó)家補(bǔ)貼。

    自從原生污水源熱泵技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際工程中開(kāi)始，已經(jīng)有近十個(gè)項(xiàng)目投入運(yùn)行，運(yùn)行狀況良好。由于天津具有優(yōu)越的地理位置和豐富的可再生能源開(kāi)發(fā)潛力，所以該示范項(xiàng)目的影響力是巨大的；發(fā)展污水源熱泵技術(shù)對(duì)天津市乃至全國(guó)的節(jié)能減排工作起到了促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

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[6] 尹軍、陳雷、王鶴立，城市污水的資源再生及熱能回收利用[M]，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003

第一作者：

     姓名： 王安民    性別：男   出生年月：1962.11  技術(shù)職稱：高級(jí)工程師

     姓名： 曹振婷    性別：女   出生年月：1984.10  技術(shù)職稱：助理工程師

     姓名： 石光    性別：男   出生年月：1982.12     技術(shù)職稱：助理工程師

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