多能互补供能系统中污水源热泵系统设计要点

蔡春雷，张 磊，訾大鹏，李登功，梁京涛

(1.烟台市数字化城市管理服务中心，山东 烟台 264000；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司 第六设计研究院，天津 300381；3.泰安市泰山城区热力有限公司， 山东 泰安 271000；4.大众报业(大众日报社)集团工程维修部，山东 济南 250014)

1 概述

截至2019年底，北方农村地区清洁供暖率约31%，比2016年提高21.6%。北方农村地区累计完成散煤替代约2 300×104户，其中京津冀及周边地区、汾渭平原累计完成散煤清洁化替代约1 800×104户。

我国北方地区某污水处理厂现状污水日处理能力为17×104t/d，扩建完成后日处理能力将提升至25×104t/d。根据城市规划部门要求，优先利用污水处理厂处理后的中水作为冷热源，组建污水源热泵+热电联供+电驱动冷水机组的多能互补供能系统(简称多能互补供能系统)，为污水处理厂附近规划区域用户供热供冷。本文对多能互补供能系统中污水源热泵系统的设计要点进行分析，对项目存在的问题提出建议。

2 项目概况

规划区域内住宅及配套建筑供暖装置为地面辐射供暖系统，供冷装置为分体式空调器。办公楼、酒店、商场采用风机盘管加新风系统供暖、供冷。用户设计冷热负荷见表1。

为保证污水源热泵系统安全运行，对中水水质进行分析。典型月跟踪结果显示，中水水质满足GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的要求，但部分时间氯离子、氨氮质量浓度偏高，存在易腐蚀不锈钢、铜质部件的风险[1]。因此，在换热器材料选择以及中水与热泵机组换热方式上要引起注意。

表1 用户设计冷热负荷

3 设计要点

3.1 中水与热泵机组换热方式

中水与热泵机组的换热方式分为直接式换热、间接式换热。采用直接式换热时，中水经防阻机过滤后直接进入热泵机组。与间接式换热相比，直接式换热没有中间换热器的换热损失及压力损失，系统运行能效更高。但根据国内工程经验，中水与热泵机组采用直接式换热，运行一段时间后，热泵蒸发器易出现黏着物，难以清理，因此该项目采用间接式换热。中间换热器采用易于拆卸清理的耐压畅通污水换热器，考虑到部分时间中水中氯离子、氨氮质量浓度偏高，中间换热器采用碳钢材质，并涂敷防腐层。同时采用先进的焊接工艺，保证焊接处平滑无毛刺，使防腐层牢固地粘附在金属表面，也减少对中水中黏稠物的钩挂。

由于该项目污水源为处理后的中水，没有大尺寸颗粒物，因此中间换热器前不再设置防阻机。中水经中间换热器换热后排至污水干渠，经中间换热器与中水换热后的清洁中介水进入热泵机组。中间换热器布置在能源站内。

3.2 中水取水系统

不仅中水温度、流量连续变化，建筑负荷也逐时变化，通常二者的变化趋势相反，为保证热泵机组稳定运行，需要设置调节池，以稳定中水供应量[2]。中水取水系统见图1。从检查井的中水管引出1条支管，依靠重力将中水输送至调节池。当调节池液面低于中水管液面时，中水可自动流入调节池。当调节池液面与中水管液面持平时，中水不再进入调节池，这种设计的优点是不必设置溢流管[3]。支管出口设置的闸板阀除用于调节中水流量外，还用于在过渡期进行调节池检修、清理时截断中水。采用潜水泵取水方式，潜水泵设置在调节池内。潜水泵取水方式安装布置简便，工程造价低，适用于空间较小的机房。采用的潜水泵能适应各种水质，安全可靠。

根据对供暖期典型日的分析，中水流量比较稳定，最低流量出现在7:00—9:00。为避免中水流量不足影响热泵机组正常工作，并留有一定缓冲空间，根据负荷发展，设置2座调节池：近期调节池有效容积400 m3，远期调节池有效容积1 200 m3。调节池的设计应考虑保温及排气功能。

图1 中水取水系统

4 污水源热泵系统工艺流程

4.1 设备选型

扩建完成后污水处理厂日污水处理能力为25×104t/d，出于保守，供暖期中水最小质量流量按7 800 t/h考虑，中水供、回水温度为12、7 ℃。由此，热泵机组额定制热量选取60 MW，对应额定制冷量为54 MW。由于规划区域内用户设计热负荷为100.8 MW，因此40.8 MW热负荷缺口由热电机组承担。

根据业主要求，供热管道兼作供冷管道，但由于冷水循环温差小，因此需要考虑管径对冷水流量的限制。供暖期，供暖热水供、回水温度为65.0、40.3 ℃，设计热负荷为100.8 MW，可计算得到供暖热水设计质量流量为3 510 t/h，供热管道选取DN 800 mm。供冷期，冷水供、回水温度为5、11 ℃，热泵机组额定制冷量为54 MW，可计算得到冷水设计质量流量为7 740 t/h，远超出DN 800 mm管道的输送能力，因此，将冷水设计质量流量设定为与供暖热水相同(为3 510 t/h)，可计算得到热泵机组制冷量为24.5 MW。

与输送热水相比，冷水输送过程中温升更加明显，因此供、回水管各考虑温升0.5 ℃。为保证热泵机组进出水温度为11、5 ℃，用户侧进出水温度按照5.5、10.5 ℃计算，可为用户提供冷量20.4 MW。用户设计冷负荷为74.8 MW，冷负荷缺口54.4 MW可在用户侧设置电驱动冷水机组填补。

4.2 供暖期工艺流程

供暖期污水源热泵系统工艺流程见图2。供暖期中水由潜水泵加压进入中间换热器，与中介水换热后温度由12 ℃降至7 ℃后排至污水干渠。中介水经中间换热器加热后，温度由5 ℃升至10 ℃，作为热泵机组低温热源。热泵机组出水经加热器(热源为热电机组)加热后，温度由55 ℃升至65 ℃。由于地面辐射供暖系统、风机盘管加新风系统的供水温度不同，供暖热水供水分别经住宅换热器、公建换热器向住宅及配套建筑、公共建筑供暖，放热后温度为40.3 ℃的供暖热水回水进入热泵机组。

4.3 供冷期工艺流程

供冷期污水源热泵系统工艺流程见图3。供冷期中水由潜水泵加压进入中间换热器，与中介水换热后温度由27 ℃升至32 ℃后排至污水干渠。中介水经中间换热器冷却后，温度由34 ℃降至29 ℃，作为热泵机组冷源。热泵机组出口冷水温度为5.0 ℃，受管道沿程冷损失影响，公建换热器一级侧进口冷水温度升至5.5 ℃。公建换热器一级侧出口冷水温度为10.5 ℃，受管道沿程冷损失影响，热泵机组进口冷水温度升至11.0 ℃。公建换热器二级侧进、出口冷水温度为12、7 ℃。不足冷量由电驱动冷水机组补充。

图2 供暖期污水源热泵系统工艺流程

图3 供冷期污水源热泵系统工艺流程

5 建议

① 供暖与供冷共用管网，一般管径根据供暖热负荷确定。由于冷水具有小温差运行的特点，管径成为限制冷水输送能力的关键因素。因此，在设计阶段，应充分考虑供暖与供冷共用管网的情况。

② 供暖期中水供、回水温度按10、5 ℃设计，若遇降雪等极端天气，中水供水温度易出现过低的情况，可能导致热泵机组蒸发温度过低，机组出现无法开启。为避免这种情况发生，应增设中水预热装置，应对供暖期极端天气。