某大型間接式污水源熱泵工程案例
張承虎、孫德興、劉京
摘要：本文從工程及水源條件、關(guān)鍵參數(shù)與設(shè)備設(shè)計(jì)、系統(tǒng)方案等三個(gè)方面介紹了我國(guó)某個(gè)大型間接式污水源熱泵工程案例的主要特點(diǎn)，該工程采用遠(yuǎn)距離輸送中介水，并在用戶側(cè)建設(shè)分散的熱泵站。
關(guān)鍵詞：污水源熱泵、間接式、半集中、案例
本文介紹的某大型污水熱泵工程地處我國(guó)北方，其工程特點(diǎn)為：（1）冬季有采暖要求、夏季有空調(diào)要求，兩種負(fù)荷相差不大；（2）工程規(guī)模較大，而且污水源距離用戶較遠(yuǎn)，用戶分布較為分散；（3）建筑類型為高層住宅；（4）污水源充分，水溫合適。采用重力引水、退水，并加設(shè)粗效過(guò)濾格柵；（5）采用燃?xì)忮仩t調(diào)峰并分擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。
1、設(shè)計(jì)條件與要求
1.1負(fù)荷要求
整體項(xiàng)目：50萬(wàn)m2，平均單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)45W/m2，總熱負(fù)荷22.5MW，制冷負(fù)荷為19.2MW，均為新建建筑，滿足國(guó)家、自治區(qū)建筑節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn)。建筑層高76米（26層），13層以下為低區(qū)，14層以上為高區(qū)。
1.2 水源條件
1.2.1 尺寸條件
依據(jù)當(dāng)?shù)厮畡?wù)集團(tuán)排水公司相關(guān)資料和測(cè)量數(shù)據(jù)，所選水源污水管線為城市主干地下排水箱涵管道，埋深4m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢查井井深5.2m，全長(zhǎng)9.8km，其截面為1.8m×1.8m。監(jiān)測(cè)最小水深0.13m（2009-12-19 4:00），最大水深0.25m（2010-1-28 22:00），平均水深0.2m，平均流速3.5m/s。在設(shè)計(jì)換熱站的選址下游約150m處，另有一條DN1200的圓形主干污水管道。
1.2.2 流量條件
（1）1.8m×1.8m箱涵污水主管線：平均每小時(shí)水量分別為4442-4837m3/h。污水水量日變化過(guò)程明顯，變幅較大，最大流量高達(dá)1.744～1.760 m3/s，折合小時(shí)水量為6278.4～6336.0 m3/h，出現(xiàn)時(shí)間均為北京時(shí)間20：00左右。最低谷時(shí)段流量?jī)H為0.836～0.877 m3/s，折合小時(shí)水量為3009.6～3157.2 m3/h，出現(xiàn)時(shí)間為北京時(shí)間6：00左右。最大流量為最小流量的2倍左右。冬季最小流量為0.782m3/s，折算小時(shí)水量為2815m3/h，每日水量為6.756×104m3/d。
（2）DN1200圓形污水主管線：水文局對(duì)DN1200管道最小流量的檢測(cè)（凌晨6：00點(diǎn)）污水流量為0.56m3/s ，轉(zhuǎn)換小時(shí)流量為0.56×3600=2016（m3/h）。
（3）合流之后可供取水量：合流之后的最小取水量為：2016+2815=4831（m3/h）。滿足全部50萬(wàn)m2工程要求。
1.2.3 水溫條件
污水平均水溫在14.2℃左右，最高水溫為14.8℃，最低水溫為13.5℃，水溫變化平穩(wěn)。通過(guò)實(shí)測(cè)水溫資料分析最低水溫為13.2℃。冬季水溫變化范圍在14.8-13.2℃之間，夏季水溫變化范圍在17.9-14.6℃之間。
1.2.4 水質(zhì)條件
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從以上表分析，懸浮物超過(guò)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，生化需氧量達(dá)到三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其它達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
1.3 地理?xiàng)l件
項(xiàng)目取水地點(diǎn)位于1.8m×1.8m箱涵污水主管線與DN1200圓形污水主管線匯合處下游20m范圍內(nèi)。中介水管網(wǎng)單向總長(zhǎng)約2公里，埋深管壁上部≥1.4米。換熱站選址距離取水點(diǎn)距離約170m。地勢(shì)平坦，無(wú)需穿越大型干道。熱用戶距離換熱站大于1800m至2200m。采用遠(yuǎn)距離輸送中介水方案，在用戶側(cè)建立分散的熱泵站。
2．參數(shù)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型
2.1 溫度設(shè)計(jì)
2.2 流量設(shè)計(jì)
冬季污水總流量：
m3/h夏季污水總流量：
m3/h可見(jiàn)冬夏污水量相當(dāng)。
設(shè)計(jì)污水總流量：
m3/h設(shè)計(jì)中介水總流量：
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m3/h整體工程：一級(jí)污水泵10臺(tái)，單臺(tái)流量450m3/h，總流量4500m3/h，滿足冬夏要求。防阻機(jī)10臺(tái)，單臺(tái)處理流量450m3/h，滿足冬夏要求。末端水夏季流量：
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m3/h冬季流量：.jpg)
m3/h低區(qū)循環(huán)泵3臺(tái)，2用1備，單臺(tái)流量680m3/h，總流量1360m3/h。高區(qū)循環(huán)泵3臺(tái)，2用1倍，單臺(tái)流量380m3/h，總流量760m3/h。2.3 污水水力計(jì)算
重力引水：距離300m，坡度5‰，鋼筋混凝土管，粗糙系數(shù)0.014，管徑1.2m，進(jìn)出口落差2.0m（富裕量0.5mH2O）。
重力退水：距離400m，坡度5‰，鋼筋混凝土管，粗糙系數(shù)0.014，管徑1.2m，進(jìn)出口落差2.5m（富裕量0.5mH2O）。
一級(jí)污水泵揚(yáng)程：10 mH2O
二級(jí)污水泵揚(yáng)程：15 mH2O
總回水管直徑：
m，選用DN800（外直徑820×8），流速2.5m/s，比摩阻71Pa/m。2.4 中介水水力計(jì)算
中介水流量：4500m3/h，干線管直徑：
m，選用DN900（外直徑920×8），流速2.0m/s，比摩阻38Pa/m。保溫。中介水阻力：
mH2O積分水器尺寸：
標(biāo)題(1).jpg)
，保溫。中介水水容量：
m32.5 污水換熱器的換熱面積
整體工程，冬季采暖需換熱面積：
m2夏季空調(diào)需換熱面積：
m2換熱器10組，每組換熱面積800m2，滿足冬夏要求。
2.6 換熱機(jī)房面積
換熱機(jī)房布置示意如圖1所示：
圖1 換熱機(jī)房方案圖
換熱站建設(shè)在地下二層，放置一、二級(jí)污水泵，防阻機(jī)，換熱器，中介水泵等；地上一層為配電室，值班室、廁所等。總建筑面積為1295 m2。梁下凈高不小于4m。
2.7 熱泵主機(jī)選型
中介水進(jìn)熱泵阻機(jī)溫度9℃，末端水進(jìn)熱泵阻機(jī)40℃，該種供熱工況下的COP約為名義工況下的82%。（夏季空調(diào)可正?？紤]）
工程的制熱量為22.5MW，制冷量為19.2MW，則所選機(jī)組的名義總制熱量須為27.5MW，總制冷量為23.4MW。
2.8 燃?xì)忮仩t選型
后期工程在水量或水溫不足時(shí)，采用燃?xì)忮仩t調(diào)峰。燃?xì)忮仩t承擔(dān)建筑50%的熱負(fù)荷，熱水鍋爐，臺(tái)數(shù)：一臺(tái)。進(jìn)出口水溫95-70℃。鍋爐采用板式換熱器加熱熱泵主機(jī)出水。
板式換熱器工況：95-70℃；40-45℃。平均傳熱溫差
℃。2.9 電力容量
在選擇變壓器電力容量時(shí)，應(yīng)考慮開(kāi)啟系數(shù)，變壓器臺(tái)數(shù)應(yīng)選擇2臺(tái)或2臺(tái)以上；變壓器總?cè)萘繎?yīng)在上述數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上考慮綜合功率因數(shù)和變壓器效率而予以確定。
3．系統(tǒng)方案說(shuō)明
3.1 整體方案
（1）采用間接式污水源熱泵系統(tǒng)：污水先與中介水（清水）進(jìn)行換熱，中介水再將熱量交給熱泵主機(jī)。熱泵主機(jī)采用傳統(tǒng)機(jī)組即可，技術(shù)成熟，可靠性高。
（2）遠(yuǎn)距離輸送中介水：比輸送污水安全、節(jié)能；比輸送末端水熱損耗小，靈活。
（3）各期工程各小區(qū)，分別建設(shè)熱泵站：便于管理，施工靈活。
（4）采用并聯(lián)燃?xì)忮仩t調(diào)峰：解決水量、水溫出現(xiàn)不滿足的問(wèn)題。
（5）熱泵站熱泵機(jī)組不少于2臺(tái)：便于調(diào)節(jié)，運(yùn)行安全。
（6）所有大型水泵均采用變頻型號(hào)。
（7）換熱站建設(shè)在地下二層，放置一、二級(jí)污水泵，防阻機(jī)，換熱器，中介水泵等；地上一層為配電室，值班室、廁所等。
（8）污水采用二級(jí)過(guò)濾，一級(jí)過(guò)濾為機(jī)械隔柵，二級(jí)采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)的專利：濾面連續(xù)再生與污水還原技術(shù)。
（9）采暖系統(tǒng)末端采用地板輻射（地?zé)岜P管）采暖形式，對(duì)辦公樓、商場(chǎng)等選用風(fēng)機(jī)盤管作為末端設(shè)備。
3.2 污水取排方案與要求
（1）污水致緩沖池和由退水池返回污水管渠均采用重力流形式。
（2）引水口在污水渠底部開(kāi)鑿，圓角彎頭拐至水平。管渠內(nèi)引水口下游1m內(nèi)筑建一300mm高的擋水堰。
（3）退水管自管渠側(cè)壁開(kāi)鑿接入。
（4）退水口位于引水口之下游，距離不小于10m。
（5）盡量保證管道直通和坡度一致，拐彎處和坡度改變的地方均設(shè)置檢查井，2個(gè)檢查井的間距不大于100m。
（6）坡度5‰。
（7）檢查井采用標(biāo)準(zhǔn)圖集中的檢查井方案和施工圖紙。
3.3 緩沖池方案與要求
（1）緩沖池建設(shè)在換熱站旁，緩沖池與換熱站僅一墻之隔。
（2）污水引水管進(jìn)入緩沖池處，設(shè)置大型閘板閥：用于緩沖池檢修、清理時(shí)截?cái)辔鬯?/span>
（3）緩沖池按水深分為兩個(gè)區(qū)：粗效過(guò)濾區(qū)和取水區(qū)。兩區(qū)之間由旋轉(zhuǎn)式機(jī)械隔柵分隔開(kāi)來(lái)。
（4）引水口偏離隔柵，避免水流直接沖擊隔柵。
（5）粗效過(guò)濾區(qū)和取水區(qū)均設(shè)置污泥槽，緩沖池底坡度10%，坡向污泥槽，污泥槽靠近隔柵和背離一級(jí)污水泵取水口。污泥泵設(shè)置于污泥槽內(nèi)。兩個(gè)污泥槽中均設(shè)置污泥泵，定期開(kāi)啟排出池底污物，避免池內(nèi)污物越積越多。
（6）緩沖池直通地面，設(shè)置檢修豎井，設(shè)置排風(fēng)系統(tǒng)。機(jī)械隔柵和螺旋輸送帶的電機(jī)置于高處，避免下大雨等特殊情況污水泛濫淹沒(méi)電機(jī)。采用皮帶傳動(dòng)。取水區(qū)上部設(shè)置檢修平臺(tái)，便于檢修機(jī)械隔柵及其電機(jī)、螺旋輸送帶及其電機(jī)。
（7）退水池位于緩沖池旁，底部高于緩沖池底至少6.5m。
（8）機(jī)房總退水管直接插入退水池，重力退水管位于退水池池壁底部。
（9）螺旋輸送帶連接緩沖池與退水池，并將機(jī)械隔柵過(guò)濾的污物送還給污水回水，實(shí)現(xiàn)污水還原。
3.4 機(jī)房管線方案與要求
（1）換熱站設(shè)備按照一泵一機(jī)的單線串聯(lián)制進(jìn)行布置連接。除末端水系統(tǒng)外，1臺(tái)一級(jí)污水泵+1臺(tái)防阻機(jī)+1臺(tái)二級(jí)污水泵+1臺(tái)換熱器構(gòu)成一條線路。每條線路的相對(duì)獨(dú)立有利于控制、調(diào)節(jié)與檢修。共布置10條線。
（2）兩線之間加常閉連通管，以增加系統(tǒng)運(yùn)行靈活性和安全性。
（3）污水管路閥門采用襯膠閘板閥。污水泵不設(shè)置止回閥（逆止閥）
（4）一級(jí)污水泵選用立式管道污水泵。
（5）緩沖池的最低靜止水面（或取水口高程）須高于換熱器接管管頂100mm以上?？偼怂芄艿醉毟哂趽Q熱器接管管頂。
圖2 單線串聯(lián)制與常閉連通管
3.5 燃?xì)忮仩t調(diào)峰方案與要求
（1）調(diào)峰鍋爐采用普通熱水鍋爐。
（2）鍋爐通過(guò)板式換熱器加熱末端水。
（3）鍋爐與所有熱泵機(jī)組并聯(lián)。并聯(lián)連通管閥門常閉。
（4）鍋爐及其附屬設(shè)備承壓能力按照高區(qū)承壓能力選型。
（5）需要調(diào)峰或熱泵故障時(shí)，部分熱泵機(jī)組關(guān)閉，而其負(fù)責(zé)的建筑由鍋爐獨(dú)立供熱。
3.6 控制調(diào)節(jié)整體方案與要求
（1）一級(jí)污水泵、防阻機(jī)進(jìn)出口（4個(gè)）、換熱器進(jìn)出口（4個(gè)）、熱泵主機(jī)進(jìn)出口（4個(gè)）、緩沖池、退水池中介水供回總管、末端供回總管均設(shè)置溫度和流速測(cè)點(diǎn)。
（2）緩沖池和退水池設(shè)置水位測(cè)點(diǎn)。
（3）監(jiān)測(cè)各用電設(shè)備的實(shí)時(shí)功率。
（4）所有電機(jī)采用變頻型。
（5）水泵采用變頻調(diào)節(jié)+臺(tái)數(shù)（換熱線）控制方案。
（6）熱泵主機(jī)采用臺(tái)數(shù)+機(jī)頭調(diào)節(jié)。
（7）調(diào)節(jié)依據(jù)為中介水和末端水的回水溫度。
4．小結(jié)
針對(duì)一個(gè)50萬(wàn)m2的大型污水源熱泵工程，介紹了在其污水源條件下，系統(tǒng)的工況設(shè)計(jì)、流量設(shè)計(jì)、引退水設(shè)計(jì)、機(jī)房設(shè)計(jì)、換熱器及熱泵機(jī)組選型、電力增容、機(jī)房管線、緩沖池設(shè)計(jì)等方面的確定方法、措施及要求，供同行參考。
（責(zé)編：zy）
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