污水源热泵在威海威高海洋馆空调系统中的应用

姜衍礼 崔从明 董信林

山东中天羲和环境科技股份有限公司

0 引言

我国大部分地区，冬季采暖主要是依靠煤、石油、天然气等石化燃料的燃烧来获得。采暖与环保成为一对难以解决的矛盾。城市污水是北方寒冷地区不可多得的热泵冷热源。它的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，这种温度特性使得污水源热泵比传统空调系统运行效率要高，节能和节省运行费用效果显著。

污水源热泵系统是利用了城市废水作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统，污水经过换热设备后留下冷量或热量返回污水干渠，污水与其他设备或系统不接触，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、燃油等锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排烟污染。不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，环境效°C显著。城市污水热泵供暖系统，仅使用少量电能驱动便可达到冬季采暖，是一种绿色环保的供暖方式[1]。

1 工程概况

威海威高海洋馆（图1）位于山东省威海市高新技术开发区文化西路北，大连路西，建筑面积24996 m2，地下一层，地上5 层。根据建筑的功能和使用情况，空调冬季设计供回水温度为50°C/45°C；夏季供回水温度为7°C/12°C，冬季空调总热负荷为2500 kW，夏季空调总冷负荷为2600 kW。

图1 威高海洋馆实景图

2 系统设计

本项目优势是距离威海高新区污水处理厂处理后排海的污水干管道约200 m，日排放污水5 万m3，污水全年水温在11～29°C范围，PH 值约为7。

排海的污水虽然在污水处理厂经过一系列处理，污水中的大颗粒固体和悬浮物基本被处理掉，但污水中依然含有小克隆物理杂质、氨根、氯离子等化学成分，以及微生物、藻类及胶体等杂质，没有达到直进水源热泵机组的水质要求，所以采用本项目间接式污水源热泵系统。先将污水进入污水换热器和中介水进行换热，再由中介水进入水源热泵机组，换热后系统循环水在热泵机组与末端散热设备之间循环，形成污水与热泵供热空调系统宏观上的三个子循环系统，即污水循环，中介循环和末端循环，热泵机组的内部还有一个热泵工质（例如氟利昂）循环，即热泵机组的工作过程，宏观上不显现。系统的主要设备包括污水泵、污水换热器、中介泵、热泵机组、末端泵。系统的流程原理图见图2。

图2 系统的流程原理图

2.1 污水系统引退水方案

工程项目冬季和夏季所需要的污水总量是系统的供水方式，水源热泵机组的性能，污水的水温及建筑物采暖空调的冷热负荷等因素决定的。

冬季污水源热泵按制热工况运行时，需要污水总量约为：

式中：Qh为冬季空调总热负荷，取2500 kW；mgw为需要污水流量m3/h；驻T 为污水换热温差，取4°C；COP为热泵机组制热性能系数，取4。

代入数据计算得冬季污水流量mgw＝403 m3/h。

夏季污水源热泵按制冷工况运行时，需要污水总量约为：

式中：Qe为夏季空调总冷负荷，取2600 kW；mgw为需要污水流量m3/h；驻T 为污水换热温差，取4°C；EER为热泵机组制冷能效比，取5。

代入数据计算得夏季污水流量mgw＝447 m3/h。

夏季制冷需要的污水量要大于冬季制热，按夏季系统换热需要的污水量计算，每天需要污水量为1.07万m3，本区污水干管日排污水量为5 万m3，可以满足本项目夏季制冷和冬季采暖要求。

2.2 污水系统取水方案

该项目采用污水处理厂排海的污水作为水源热泵机组热源。污水取水系统包括：取水管接点、管道、污水蓄水池、污水泵、污水换热器、回水管接点。取水管接点是在污水主管道上钻孔装夹管三通，连接PE管引到污水源热泵机房污水蓄水池内，采用污水泵将污水送至机房内的污水换热器中，和中介水进行换热后进到水源热泵机组提热或散热，换热后的污水重新排到污水干干管回水管接点。

2.3 污水换热器选择

污水源热泵的关键技术是防堵，防垢和高效换热，这三个问题都集中在污水换热器之上，污水换热器成为污水热泵系统的关键设备之一[2]。

现有的换热设备通常采用板式换热器和管壳式换热器，由于流道较窄和并联形式，因此不具备防堵的能力，通常加设前置过滤装置措施，例如防阻机。在前置过滤技术方面，现有前置过滤装置都存在一定的缺陷，一方面无法彻底过滤，另一方面普遍存在内泄漏问题，反冲水混入进水，造成进水温度降低，从而影响系统效率[3]。

事实上，如果换热设备已具备防堵功能，较大的悬浮物能顺畅地通过，当然就不需要防阻机了。流道式换热技术已不需要前置水处理措施，污水经污水泵后直接进入流道式换热器。防垢问题很难应对，因为只要污水接触换热器表面，换热表面不可避免地要贴敷或沉积污垢，至于采用换热表面纳米材料等技术，事实上很难，而且造价上也承受不起。因此防垢要从三个方面着手：一是尽可能减少污垢的贴敷速度，延长污垢的清洗周期。二是换热器清洗时容易拆卸和封装，同时不对换热器造成损伤。三是清洗换热表面时容易清洗，而且工作量要尽可能的小。流道式换热技术兼顾了上述三个方面[4]。

高效换热是任何换热器都追求的特点，污水换热器就更加注重，因为污水换热本身是很小的传热温差，换热器用量很大，再加上污垢及污水作为一种流体的本质特点，换热系数较清水要小很多。而很小的传热温差、污垢及污水的流体特性是改变不了的，因此要提高换热性能，只能从结构形式上作文章，例如纯逆流换热等。当然提高污水流速也是一种办法，但是很有限，这也是一种正常的设计手段。流道式换热技术采取了纯逆流等换热方式。

2.4 热泵机房设计

机房设置于该馆前广场东侧地下，水源热泵机组，水处理器，污水换热器，中介水泵和末端循环水泵等均安装在机房内部。分集水器设在馆内地下一层设备间，末端系统分5 个环路，负责地下一层，二层，三层，四、五层和维生系统，系统采用同程式，集水器回水管路设平衡阀，调节各环路水力平衡。

2.5 设备选型

根据建筑冷热负荷总量，选择两台型号YEWS415HA50E-HP2 水源热泵机组，具体参数和辅助设备见如表1：

表1 污水源热泵系统主要设备表

2.6 污水源热泵换热器选型设计

根据设备表数据可以算出：

1）每台热泵对应的中介水量为220 m3/h。

2）每台热泵对应的污水量为250 m3/h。

3）污水换热器的换热量。夏季：QL=Qe+Ne=1420+233.4=1653.4 kW；冬季：QR=Qh-Nh=1406-377.4=1028.6 kW。式中：QL为夏季污水换热器的换热量，kW；Qe为夏季热泵机组制冷量，kW；Ne为热泵机组制冷功率，kW；QR为冬季污水换热器的换热量，kW；Qh为冬季热泵机组制热量，kW；Nh为热泵机组制热功率，kW。

因此每台热泵系统的运行参数应为：

1）夏季中介水温降：

2）夏季污水温降：

3）冬季中介水温降：

4）冬季污水温降：

式中：驻TLZ为夏季中介水温降，°C；驻TLW为夏季污水温降，°C；GLZ为夏季中介水流量，m3/h；GLW为夏季污水流量，m3/h；驻TRZ为冬季中介水温降，°C；驻TRW为冬季污水温降，°C；GRZ为冬季中介水流量，m3/h；GRW为冬季污水流量，m3/h。

代入数据，可计算得：驻TLZ=6.5°C；驻TLW=5.7°C；驻TRZ=4.0°C；驻TRW=3.5°C。

冬季所需换热面积计算：冬季污水设计温度取13°C，出水温度9.5°C，为保证热泵良好运行工况，中介水回水温度不低于5°C，因此传热温差最多取4.25°C，这样供水温度按9°C。

式中：驻TCR为冬季换热器传热平均温差，°C；TWGR为冬季换热器污水进水温度，°C；TZGR为冬季换热器中介水出水温度，°C；TWHR为冬季换热器污水出水温度，°C；TZHR为冬季换热器中介水进水温度，°C。

代入数据计算得冬季换热器传热平均温差驻TCR＝4.25°C。

ZTWH-145S 污水换热器连续稳定运行时传热系数为1.2 kW/(m2·°C)，考虑增加安全余量，传热系数k取1.0 kW/(m2·°C)，冬季需要污水换热器换热面积计算如下：

代入数据计算得冬季需要污水换热器换热面积FR＝242 m2。

两台热泵共需换热面积：2×242=484 m2。

结论：每台ZTWH-145S 污水换热器的换热面积为145 m2，因此冬季采暖需要4 台换热器，所通过换热面积共为：580 m2。

夏季所需换热面积计算：夏季污水设计温度取25°C，出水温度30.7°C，为保证热泵良好运行工况，中介水回水温度不高于34°C，因此传热温差最多取2.9°C，这样供水温度按27.5°C。

式中：驻TCL为夏季换热器传热平均温差，°C；TWGL为夏季换热器污水进水温度，°C；TZGL为夏季换热器中介水进水温度，°C；TWHL为夏季换热器污水出水温度，°C；TZHL为夏季换热器中介水出水温度，°C。

代入数据计算得夏季换热器传热平均温差驻TCL＝2.90°C。

夏季需要污水换热器换热面积计算如下：

代入数据计算得夏季需要污水换热器换热面积FR＝570 m2。

两台热泵共需换热面积：2×570=1140 m2。

结论：每台ZTWH-145S 污水换热器的换热面积为145 m2，因此夏季空调需要8 台换热器，所通过换热面积共为：1160 m2，本项目选择8 台污水换热器。

3 经济运行分析

经济效°C主要是指运行费用，污水源热泵在运行中主要消耗的是电能（表2）。

表2 系统满负荷耗电量估算

建筑采暖空调平均所需负荷按设计负荷的50%。设备平均每天运行12 h。冬季供暖使用时间为120 天。夏季空调使用时间为90 天。平均电价按1.0 元kW·h计算。

3.1 冬季运行费用估算

运行耗电量：902.8×120×12×50%=650016 kW·h

运行费用：902.8×120×12×50%×1.0=650016 元

冬季单位建筑面积耗电量：650016 kW·h 衣24996 m2·季=26 kW·h/(m2·季)

冬季单位建筑面积运行费用：650016 元衣24996 m2·季=26 元/(m2·季)

3.2 夏季运行费用估算

运行耗电量：614.8×90×12×50%=331992 kW·h

运行费用：614.8×90×12×50%×1.0=331992 元

夏季单位建筑面积耗电量：331992 kW·h 衣24996 m2·季=13 kW·h/(m2·季)

夏季单位建筑面积运行费用：331992 元衣24996 m2·季=13 元/(m2·季)

3.3 运行费用比较

污水源热泵的经济性主要体现在冬季制热，夏季制冷的能效比和冷水机组基本差不多，冬季制热本项目可以采取的方案还有采用热电厂蒸汽换热，蒸汽压力0.3 MPa，饱和蒸汽温度132.9°C，蒸发热焓2726 kJ/kg，蒸汽价格每吨172 元。

供暖热负荷2500 kW，蒸汽换热器换热效率按90%，蒸汽耗汽量为：

式中：Q 为冬季采暖总热负荷，kW；im为蒸汽热焓，kJ/kg；tr为采暖热水温度，°C；C 为水的比热4.18 kJ/(kg°C)。

代入数据计算得蒸汽耗汽量Gm＝1.09 kg/s。

每天运行12 小时，使用蒸汽量为：1.09 kg/s×12 h×3600 s衣1000=47t。

冬季采用蒸汽换热运行费用为：47 t×120 天×172元/t=97 万元。

采用污水源热泵采暖比蒸汽换热每年节省运行费用：97-33=64 万元。

5 整体系统运行情况

本项目目前已经安装完毕，经过整体系统的调试，运行参数满足设计要求，2018 年7 月夏季正式运行，至今机组运行稳定，满足使用要求。

6 结论

1）利用城市污水作为热泵冷热源为建筑物供暖、空调具有重要的节能与环保及经济价值，在技术上是可行的，在工程实施上也完全具有可行性。

2）解决污水源热泵系统的取水和换热问题是污水源热泵系统成功应用的关键。

3）污水源热泵不但运行费用与热电蒸汽供暖方式来比较，优势十分明显，而且该项目在节能、水资源循环利用、环保三方面起到的作用是其它方式无法比较的。