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、關鍵參數(shù)與設備設計、系統(tǒng)方案等三個方面介紹了我國某個大型間接式污水源熱泵工程案例的主要特點，該工程采用遠距離輸送中介水，并在用戶側建設分散的熱泵站。
關鍵詞：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北方，其工程特點為：（1）冬季有采暖要求、夏季有空調(diào)要求，兩種負荷相差不大；（2）工程規(guī)模較大，而且污水源距離用戶較遠，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，并加設粗效過濾格柵；（5）采用燃氣鍋爐調(diào)峰并分擔風險。
1、設計條件與要求
1.1負荷要求
整體項目：50萬m2，平均單位面積熱負荷指標45W/m2，總熱負荷22.5MW，制冷負荷為19.2MW，均為新建建筑，滿足國家、自治區(qū)建筑節(jié)能65%的標準。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?shù)厮畡占瘓F排水公司相關資料和測量數(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)測點檢查井井深5.2m，全長9.8km，其截面為1.8m×1.8m。監(jiān)測最小水深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。在設計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：平均每小時水量分別為4442-4837m3/h。污水水量日變化過程明顯，變幅較大，最大流量高達1.744～1.760 m3/s，折合小時水量為6278.4～6336.0 m3/h，出現(xiàn)時間均為北京時間20：00左右。最低谷時段流量僅為0.836～0.877 m3/s，折合小時水量為3009.6～3157.2 m3/h，出現(xiàn)時間為北京時間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DN1200管道最小流量的檢測（凌晨6：00點）污水流量為0.56m3/s ，轉換小時流量為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)。通過實測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 水質條件
.jpg)
從以上表分析，懸浮物超過三級標準，生化需氧量達到三級標準，其它達到一級標準。
1.3 地理條件
項目取水地點位于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)單向總長約2公里，埋深管壁上部≥1.4米。換熱站選址距離取水點距離約170m。地勢平坦，無需穿越大型干道。熱用戶距離換熱站大于1800m至2200m。采用遠距離輸送中介水方案，在用戶側建立分散的熱泵站。
2．參數(shù)設計及設備選型
2.1 溫度設計
2.2 流量設計
冬季污水總流量：
m3/h夏季污水總流量：
m3/h可見冬夏污水量相當。
設計污水總流量：
m3/h設計中介水總流量：
.jpg)
m3/h整體工程：一級污水泵10臺，單臺流量450m3/h，總流量4500m3/h，滿足冬夏要求。防阻機10臺，單臺處理流量450m3/h，滿足冬夏要求。末端水夏季流量：
.jpg)
m3/h冬季流量：.jpg)
m3/h低區(qū)循環(huán)泵3臺，2用1備，單臺流量680m3/h，總流量1360m3/h。高區(qū)循環(huán)泵3臺，2用1倍，單臺流量380m3/h，總流量760m3/h。2.3 污水水力計算
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，進出口落差2.5m（富裕量0.5mH2O）。
一級污水泵揚程：10 mH2O
二級污水泵揚程：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：
.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 換熱機房面積
換熱機房布置示意如圖1所示：
圖1 換熱機房方案圖
換熱站建設在地下二層，放置一、二級污水泵，防阻機，換熱器，中介水泵等；地上一層為配電室，值班室、廁所等?？偨ㄖ娣e為1295 m2。梁下凈高不小于4m。
2.7 熱泵主機選型
中介水進熱泵阻機溫度9℃，末端水進熱泵阻機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，則所選機組的名義總制熱量須為27.5MW，總制冷量為23.4MW。
2.8 燃氣鍋爐選型
后期工程在水量或水溫不足時，采用燃氣鍋爐調(diào)峰。燃氣鍋爐承擔建筑50%的熱負荷，熱水鍋爐，臺數(shù)：一臺。進出口水溫95-70℃。鍋爐采用板式換熱器加熱熱泵主機出水。
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，應考慮開啟系數(shù)，變壓器臺數(shù)應選擇2臺或2臺以上；變壓器總容量應在上述數(shù)據(jù)的基礎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）進行換熱，中介水再將熱量交給熱泵主機。熱泵主機采用傳統(tǒng)機組即可，技術成熟，可靠性高。
（2）遠距離輸送中介水：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)，分別建設熱泵站：便于管理，施工靈活。
（4）采用并聯(lián)燃氣鍋爐調(diào)峰：解決水量、水溫出現(xiàn)不滿足的問題。
（5）熱泵站熱泵機組不少于2臺：便于調(diào)節(jié)，運行安全。
（6）所有大型水泵均采用變頻型號。
（7）換熱站建設在地下二層，放置一、二級污水泵，防阻機，換熱器，中介水泵等；地上一層為配電室，值班室、廁所等。
（8）污水采用二級過濾，一級過濾為機械隔柵，二級采用哈爾濱工業(yè)大學的專利：濾面連續(xù)再生與污水還原技術。
（9）采暖系統(tǒng)末端采用地板輻射（地熱盤管）采暖形式，對辦公樓、商場等選用風機盤管作為末端設備。
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）退水管自管渠側壁開鑿接入。
（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置檢查井，2個檢查井的間距不大于100m。
（6）坡度5‰。
（7）檢查井采用標準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）緩沖池建設在換熱站旁，緩沖池與換熱站僅一墻之隔。
（2）污水引水管進入緩沖池處，設置大型閘板閥：用于緩沖池檢修、清理時截斷污水。
（3）緩沖池按水深分為兩個區(qū)：粗效過濾區(qū)和取水區(qū)。兩區(qū)之間由旋轉式機械隔柵分隔開來。
（4）引水口偏離隔柵，避免水流直接沖擊隔柵。
（5）粗效過濾區(qū)和取水區(qū)均設置污泥槽，緩沖池底坡度10%，坡向污泥槽，污泥槽靠近隔柵和背離一級污水泵取水口。污泥泵設置于污泥槽內(nèi)。兩個污泥槽中均設置污泥泵，定期開啟排出池底污物，避免池內(nèi)污物越積越多。
（6）緩沖池直通地面，設置檢修豎井，設置排風系統(tǒng)。機械隔柵和螺旋輸送帶的電機置于高處，避免下大雨等特殊情況污水泛濫淹沒電機。采用皮帶傳動。取水區(qū)上部設置檢修平臺，便于檢修機械隔柵及其電機、螺旋輸送帶及其電機。
（7）退水池位于緩沖池旁，底部高于緩沖池底至少6.5m。
（8）機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，并將機械隔柵過濾的污物送還給污水回水，實現(xiàn)污水還原。
3.4 機房管線方案與要求
（1）換熱站設備按照一泵一機的單線串聯(lián)制進行布置連接。除末端水系統(tǒng)外，1臺一級污水泵+1臺防阻機+1臺二級污水泵+1臺換熱器構成一條線路。每條線路的相對獨立有利于控制、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。污水泵不設置止回閥（逆止閥）
（4）一級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 燃氣鍋爐調(diào)峰方案與要求
（1）調(diào)峰鍋爐采用普通熱水鍋爐。
（2）鍋爐通過板式換熱器加熱末端水。
（3）鍋爐與所有熱泵機組并聯(lián)。并聯(lián)連通管閥門常閉。
（4）鍋爐及其附屬設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，部分熱泵機組關閉，而其負責的建筑由鍋爐獨立供熱。
3.6 控制調(diào)節(jié)整體方案與要求
（1）一級污水泵、防阻機進出口（4個）、換熱器進出口（4個）、熱泵主機進出口（4個）、緩沖池、退水池中介水供回總管、末端供回總管均設置溫度和流速測點。
（2）緩沖池和退水池設置水位測點。
（3）監(jiān)測各用電設備的實時功率。
（4）所有電機采用變頻型。
（5）水泵采用變頻調(diào)節(jié)+臺數(shù)（換熱線）控制方案。
（6）熱泵主機采用臺數(shù)+機頭調(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
針對一個50萬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)的工況設計、流量設計、引退水設計、機房設計、換熱器及熱泵機組選型、電力增容、機房管線、緩沖池設計等方面的確定方法、措施及要求，供同行參考。
（責編：zy）
Email: direjia@126.com（投稿），direjia@163.com（合作）,
直線電話：18515158288（同微信）
