污水源热泵在某工程中的应用

李 恒，李海盟，任凤彦

(保定市建筑设计院有限公司，河北保定 071000)

污水源热泵在某工程中的应用

李 恒，李海盟，任凤彦

(保定市建筑设计院有限公司，河北保定 071000)

空调冷热源的设计在空调系统中占有至关重要的地位。从某综合楼空调系统冷热源设备选型出发，描述了污水源及污水源热泵的特点，分析了污水源热泵在该工程中的应用，并提出了利用“污水源+板式换热器”替代冷却水塔提供冷却水的方法，从而为污水源热泵的选用和污水源的有效利用提供了理论依据。

冷热源;污水源热泵;空调

节约能源是资源节约型社会的重要组成部分，而建筑能耗是节能潜力最大的用能领域。据统计，中国建筑能耗占社会总能耗的27.6%，而暖通空调能耗占建筑能耗的30%～50%[1]。随着现代化工程项目的大量增加，城市宾馆、商场、影剧院、酒店、医院等公共场所都需要设计空调系统，其系统功能的优劣、质量的高低，直接影响到整个建筑功能的正常使用和作用发挥。空调冷热源的设计作为空调系统设计中的重要环节，其节能设计的意义很重大。本文重点分析了污水源热泵选型及节能，并提出了“污水源+板式换热器”提供冷却水的方法。

1 工程概况

某综合楼位于河北省保定市，地下2层，地上27层，建筑面积共计64 500 m2。地下2层为汽车库、制冷机房、配电室等，1层至3层均为商业，4层至27层均为单身公寓。空调系统采用风机盘管和新风系统。空调系统夏季供水温度为7 ℃，回水温度为12 ℃；冬季供水温度为60 ℃，回水温度为50 ℃。空调系统总冷负荷为5 800 kW，总热负荷为3 800 kW。空调冷热源设备均布置在地下2层制冷机房内。

2 空调冷热源设计

2.1污水源及污水源热泵特点

城市污水是工业废水与生活污水的总和，包括原生污水(指市政干渠污水)与污水处理厂二级出水。污水处理厂经二级处理后的污水，全年温度波动范围一般在10～30 ℃，污水中的余热具有较大的开发利用潜力[2]。在冷热源方案调研确定阶段，发现厂区能提供稳定的生产废水，流量为300 m3/h，夏季温度约为19 ℃，冬季温度约为17 ℃，具有以下特点：1)水质经过一级物化处理和二级生化处理,去除了污水中大量的杂质,降低了污水的腐蚀性,更有利于污水中能量的提取；2)水温有保障，常年温度稳定。在冬季，水温比环境温度高15～20 ℃,夏季，水温比环境温度低10～15 ℃，为热泵提供了良好的能量来源；3)水量有保证，能提供稳定的流量。

因此，厂区废水作为北方寒冷地区不可多得的热泵冷热源，使得污水源热泵在本工程中应用有了充分的保障。污水源热泵是一种采用城市原生污水或污水处理厂二级出水作为直接或间接冷热源的热泵型空调装置，冬季取热供暖，夏季排热制冷，具有显著的性能优势和节能效果，在中国乃至全世界都得到了较快的发展和应用[3]。污水源热泵具有以下特点[4]。

1)环保效益显著：污水密闭循环，不污染环境与其他设备或水系统。供热时省去了燃煤、燃气等锅炉房系统，避免了排烟污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音及霉菌污染。

2)运行稳定可靠：污水源水体的温度相对稳定，其波动范围远远小于空气的变动。水体温度较恒定的特性，使得污水源热泵机组运行更可靠、稳定，保证了系统的高效性和经济性。

与其他热泵系统比较[5-6]：①空气源热泵在外界环境温度较低的冬季应用效率较低，甚至因结霜严重不能正常工作，因此在寒冷的北方应用受到限制。②土壤源热泵根据埋管的形式分为水平埋管和垂直埋管。水平埋管形式埋管较浅，施工方便，但是需要较大的土地面积，在土地资源紧张的城市中难以应用，只适合于较小的建筑和其他有适当土地条件的地方；垂直埋管施工难度大，对地质条件要求较高。③水源热泵根据冷热源形式分为地表水系统和地下水系统，由于地表水系统受地表水资源的影响严重，应用较少；应用地下水系统时由于难以保证抽水的回灌，在很多地方尤其是城市中心已经被限制使用。

本工程中的厂区生产废水必须经过严格的水处理工艺，达到排放标准后的污水才能进入污水源热泵设备中。处理后的污水还是会有腐蚀性和杂质，因此在设备材质选用过程中还要考虑污水腐蚀性的影响，考虑到来水的不均匀性，可以设置备用水塔进行循环，以保证系统的安全可靠运行。

2.2污水源热泵机组选型

污水源热泵系统具有上述诸多优点，再加上本工程能提供稳定的厂区废水作为污水源，因此在冷热源设备选型时，确定选用污水源热泵机组1台，冬季取热供暖，夏季排热制冷，1套系统冬夏两用。

污水源热泵机组选用小温差板式换热器，污水侧温度：17～23.5 ℃，二次侧温度：7～15 ℃。选用制热参数为冷凝器：40～45 ℃，蒸发器：7～15 ℃。污水源热泵供暖制冷所投入的电能在1 kW时可得到5 kW左右的热能或冷能，能源利用效率远高于其他形式的中央空调系统[7]。详细参数如表1所示。

表1 污水源热泵机组详细参数

2.3污水源热泵节能分析

污水源热泵与常规夏季“冷水机组+冷却塔”、冬季燃气锅炉方式的“冷水机组+燃气锅炉”相比，具有明显的节能意义[8-9]，分析结果如表2所示。

表2 污水源热泵系统与其他系统节能比较

Tab.2 Energy efficiency comparison between the sewage-source heat pump system and other systems

形式污水源热泵系统冷水机组+燃气锅炉折合标准煤/(t·a-1)114523初投资/万元240174年运行费用/(元·m-2)3255优点运行费用低,节能环保初投资较低缺点初投资偏高2套系统,运行费用较高,采暖有污染

污水源热泵系统虽然初投资偏高，但是运行费用低，运行效果良好，经济效益显著。污水源热泵系统的机房面积仅为其他系统的50%。利用污水源热泵替代“冷水机组+燃气锅炉”，平均每年节约标准煤409 t，这样减少了CO2和SO2等的排放量：

CO2减排量：409×2.49=1 018.41 t/a；

SO2减排量:409×24=9 816 kg/a；

减排碳粉尘:409×680=278 120 kg/a；

减排氮氧化合物:409×70=28 630 kg/a。

利用污水源热泵系统对环保起到了积极作用，减少了对大气的污染。

2.4空调冷、热源设备选型

考虑到该工程冷负荷、热负荷均很大，单独选择1台污水源热泵机组作为冷热源设备，污水源热泵机组选型大，需要的厂区废水量也大，而厂区提供的废水量不能满足要求。因此，在空调冷热源设备选型时，提出了选用1台污水源热泵机组加辅助设备的系统形式，使厂区提供的污水源得到最大程度的利用。

空调冷热源设备选型如下：夏季制冷时，选用污水源热泵机组1台，制冷量为2 500 kW，供商业使用；其余冷负荷由2台螺杆式冷水机组提供，单台制冷量为1 792 kW，供单身公寓使用。冬季采暖时，仍使用该台污水源热泵机组，制热量为2 836.3 kW，供单身公寓使用；其余热负荷由换热机组提供，换热量为990.4 kW，供商业使用。

3 “污水源+板式换热器”替代冷却水塔

3.1冷却水塔提供冷却水

通常情况下，空调冷却水系统是由“冷却水塔+冷却水循环泵”构成，冷却水供/回水温度为30/35 ℃或32/37 ℃。冷却水塔是将循环冷却水在其中喷淋，使之与空气直接接触，通过蒸发和对流把携带的热量散发到大气中去的冷却装置[10-13]，其存在以下缺点：

1)冷却水塔占用面积大，通常放置在屋面，使得屋面使用面积受到一定的影响；

2)冷却水塔风机运转及水与空气接触等，会产生较大噪声，对紧邻用户造成影响；

3)冷却水塔长时间使用，会滋生细菌，需要定期清洗维护。

3.2“污水源+板式换热器”提供冷却水

考虑到冷却水塔的诸多缺点，同时为了充分利用厂区废水提供的稳定温度的污水源，本工程提出了一种利用“污水源+板式换热器”提供冷却水的方法。

2台螺杆式冷水机组的冷却水供/回水温度均为30/35 ℃。本工程利用夏季污水源温度为19 ℃，首先与1号板式换热器进行换热。1号板式换热器一次水进/出口温度为19/25.4 ℃，二次水进/出口温度为35/30 ℃，换热面积为120 m2，供1号冷水机组冷却水系统使用。25.4 ℃的出口废水再与2号板式换热器进行换热，2号板式换热器一次水进/出口温度为25.4/31.8 ℃，二次水进/出口温度为35/30 ℃，换热面积为180 m2，供2号冷水机组冷却水系统使用。该系统示意图如图1所示。

图1 板式换热器提供冷却水系统示意图Fig.1 Schematic diagram of plate heat exchanger providing cooling water

2台换热器均布置在地下2层制冷机房内，这样在整个空调制冷系统设计中就避免了冷却塔的使用，节省了屋面的使用面积，杜绝了细菌和噪声的危害。厂区废水作为污水源，其中含有大量油性污物，流经换热管时会产生挂膜现象，增大了换热热阻，影响了换热效率。因此，在设计“污水源+板式换热器”换热时，应使污水单独走管程循环，同时设置自动反清洗装置，在换热器运行期间定时进行反冲洗，保证换热效率，提高热能利用率。

4 结 论

在全球面临能源危机和环境污染日益严重的形势下，城市污水中存在的热能已被公认为尚未有效开发和利用的清洁能源，其热能利用具有明显的节能性、经济性和环保效果。污水源热泵的突出优点，以及污水源的最大程度的应用，将城市污水资源化，变废为宝，实现了能源的可持续发展。污水源热泵技术的日趋成熟和快速发展，为在实际工程中推广和应用提供了可靠的技术保证，从而使城市污水源的应用具有更加广阔的前景。

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Application of sewage-source heat pump in certain project

LI Heng, LI Haimeng, REN Fengyan

(Baoding Institute of Architecture Design Company Limited, Baoding Hebei 071000, China)

The design of cooling and heating source plays an important role in air-conditioning system. In order to select the cooling and heating source equipment of the air-conditioning system for a comprehensive building, the paper describes the characteristics of sewage-source and sewage -source heat pump, analyzes the application of sewage-source heat pump in the project and puts forward the method for providing cooling water by using sewage-source and heat exchanger instead of cooling tower. Therefore, it provides the theoretical basis of the selection of sewage-source heat pump and the effective use of sewage-source.

cooling and heating source; sewage-source heat pump; air-conditioning

1008-1534(2013)06-0499-04

TU831

A

10.7535/hbgykj.2013yx0621

2013-06-10;

2013-08-31

责任编辑：王海云

李 恒(1981-)，男，河北保定人，工程师，硕士，主要从事暖通空调方面的研究。

任凤彦正高级工程师。E-mail: r882-10-1@sohu.com