某污水处理厂办公楼污水源热泵系统设计

2022-06-26戚明喆司天行

科技创新与应用 2022年18期

戚明喆，周毅，司天行

（1.徐州创展节能科技有限公司，江苏徐州 221000；2.江苏美城建筑规划设计院有限公司，江苏淮安 223005）

自工业化革命以来，人为的温室气体排放是全球气候变暖的主要原因[1]。自2000年起，中国能源消费量和二氧化碳的排放量呈逐年上升的趋势。其中，能源消费量增长238.86%，CO2排放量增长198.19%[2]。2019年人均碳排放量为8.12 t，超过了世界平均水平[3]。为在2030年达到碳峰值、2060年前实现碳中和，传统能源的使用向清洁能源使用的转变迫在眉睫[4]。

在传统能源的使用向清洁能源的使用转变过程中，建筑物的清洁能源使用将是重点[5]。这是由于我国总碳排放量的28%来自于建筑的运行，在这中间的2/3来自于快速增长的电量使用[6]。另一方面，中国水资源比较紧缺，工业生产导致城市污水排放较为严重，直接加剧了水资源短缺、水资源利用不足的问题[7]。提高城市污水的使用率、实现水资源的重复利用可以在一定程度上缓解水资源的浪费以及实现保护环境的可持续发展[8]。使用污水源热泵为建筑物供暖供冷，可以同时缓解水资源短缺和碳排放量高这两个问题。

污水源热泵一般指利用城市污水这一低品位的热源，通过热泵机组转化为高品位能源，为建筑物提供冷热源[9]。它来源稳定，不受季节天气影响。水体温度较为恒定，可以使机组稳定、可靠的运行。同时，也保证了系统的高效性和经济性，是一种良好的清洁能源[10]，具体优点如下。

（1）利用可再生能源是一项节能、环保、高效的能源利用技术，符合国家可持续发展战略。

（2）城市污水具有水温变化幅度小的特点，冬暖夏凉、受气候影响较小，是比较理想的热泵冷热源[11]。

（3）污水水量充足、产生量大，几乎全年保持恒定的流量。

（4）污水源热泵系统在夏季节省了冷却塔投资、冷却水循环泵和冷却风扇运转费用，冬季也不需要设置锅炉房，很大程度上降低了设备投资、区域管网费用和系统的运行费用[12]。

本文设计了一种方案，通过使用污水源热泵为某污水处理厂办公楼供热、供冷，从而在温度上满足办公楼正常生产生活的需求，同时达到节能减排、实现环保经济的目的。

1 工程概况

该办公楼位于淮北市相山区污水处理厂内，距污水源200 m。办公楼一共3栋，总建筑面积约为3 500 m2。由于是老建筑没有外墙保温，因此在计算冷热负荷时要适当增加。该办公楼的污水源热泵每天工作12 h。

在夏季，用户侧供回水温度为7～12℃，污水侧供回水温度为30～35℃。制冷量按照125 W/m2计算冷量：

在冬季，用户侧供回水温度为50～45℃，污水侧供回水温度为10～5℃。按照100 W/m2计算热负荷：

2 系统方案

2.1 系统方案制定

污水源热泵根据污水进入机组的方式，分为直接式污水源热泵和间接式污水源热泵。

直接式污水源热泵是污水直接进入机组换热器的热泵系统，一般用于处理后的污水，冷热转换为氟路转换[13]，工作流程图如图1所示。

图1 直接式污水源热泵工作流程[4]

间接式污水源热泵是指机组采取二次换热，污水不直接进机组，设置中间转换器，通过中介水换热，一般用于原生污水，冷热转换为水路转换[14]。工作流程如图2所示。

图2 间接式污水源热泵工作流程[4]

间接式污水源热泵由于存在中介媒质，从而增加传热热阻，导致热泵系统效率下降。直接式污水源热泵在同样的水源条件下可以提供出更多的热量、省去了中介水循环水泵，减少了机房的占地面积和经济投资，是目前污水源热泵研究的前沿领域和未来发展的方向[15]。在同样的水源条件下，直接式污水源热泵可以提供更多的热量，蒸发温度可提高3～5℃左右，系统总的耗电量可降低9%～15%以上，从而大大提高热泵机组的效率。直接式污水源热泵省去了污水换热器及相应的中介水循环水泵，机房占地面积减少，不仅大大降低了土建和设备初投资，而且也减少水泵能耗[16]。

对于淮北某污水处理厂，城市污水经过该污水处理厂处理后，满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》各级标准，属于二级水水质。污水直接进入机组后省去了中间换热过程，没有中间换热温差损失，可提高机组的性能系数，与间接式污水源热泵系统相比较，直接式污水源热泵系统运行费用降低10%左右，初投资减少15%左右，占地面积减少30%左右。

基于上述分析，该办公楼的供冷供热热泵选型决定采用直接式污水源热泵。

2.2 取水方案系统

该污水处理厂办公楼的污水源位于距办公楼200 m处的污水处理厂排水口。经过实地测量、考查后得到，该污水源在夏季污水最高温度为30℃，冬季污水最低温度为12℃，经过处理后的水质指标见表1。

表1 水质指标单位：mg/L

污水的需求量可以根据冷热负荷计算。夏季单台热泵机组需要的污水量为：

2台热泵为：

经计算夏季污水需求量为92 m3/h，冬季污水需求量为58 m3/h。

2.3 污水源系统热泵设计

在直接式污水源热泵系统中，冷热采用氟路转换。为提高系统效率，污水泵和末端水泵采用一级能效节能水泵，系统设置自动控制系统，可以根据末端需求自动增减载、电量和冷热量计量、系统能效实时显示、增加手机APP服务、随时监控运行状态等。在此方案设计前笔者调研了国内部分直接式污水源热泵系统，比较突出的问题在于换热器。在热泵的使用过程中，由于污水直接进入换热器，随着使用时间的累积，容易产生污垢堆积，从而导致换热器中热量不能正常交换。换热效率随之下降，甚至导致换热管堵塞情况发生，需经常拆开用毛刷清洗。经现场拆开换热器发现换热管内有软的污垢，这是因为处理后的污水中含有水垢造成的。为避免此种情况，在此项目设计中增加了污水侧换热器在线清洗系统。为便于分析系统能耗情况，增加了电量计量和冷热量计量设备，这是和传统污水源热泵不同部分。

污水源热泵机房主要的设备有污水源热泵机组、末端循环泵、定压设备、分集水器等。

根据夏季所需冷量为437.5 kW、共计所需热负荷350 kW计算，需要污水源热泵机组2台，单台制冷量220 kW，输入功率47.9 kW，蒸发器进出水温度12℃、7℃，冷凝器进出水温度30℃、35℃；制热量232 kW，输入功率64.1 kW，蒸发器进出水温度10℃、5℃，冷凝器进出水温度45℃、50℃。末端循环泵流量为45 m3/h，扬程30 m，功率5.5 kW/台，节能型，数量3台（2用1备）。污水循环泵流量为50 m3/h，扬程20 m，功率5.5 kW/台，节能型，数量3台（2用1备）。直接式污水源热泵系统的工作原理图如图3所示。

图3 直接式污水源热泵系统图

夏季制冷时，房间里的热量通过热泵机组传递给污水，由污水将热量带走。冬季供暖时，污水中的热量通过热泵机组升温后传递给末端循环水，由末端循环水带到办公楼房间内。

2.4 污水源热泵自控系统

由于该项目体量较小，目前运行人员工资在不断增加。为了降低运行管理费用，提高企业的经济效益，增加了一套自动控制系统。该自控系统可以做到无人值守，根据设置温度和工作时间自动运行，将运行参数通过手机APP传给管理人员，符合自动化监控、调整、生产的未来工业发展趋势。

2.5 自动在线清洁系统

化学水处理不能完全解决冷水机组的换热效率问题。由于直接式污水源热泵的特殊性，在长时间的工作中会造成大量水垢，污垢以及微生物的沉积。在冷凝器的换热管表面形成污垢，造成污垢热阻。使得冷凝器的换热效率大大降低。由于冷凝器换热效率的下降，造成冷凝器要通过不停提升冷凝温度的方法才能实现换热，这样就造成压缩机能耗的增加，严重情况下，满负荷时可能造成冷水机组跳脱[17]。因此，采用在线清洗系统来解决管路系统和换热器中污垢的问题。

自动在线清洗系统通过水泵动力将柔软、有韧性的剥皮橡胶球注入到换热器的进水管中，借助冷却循环水水泵的循环动力，将剥皮橡胶球挤压进换热器的换热管当中。小球与内螺纹换热管壁充分接触，带走内螺纹内积累的污垢同时清洁内管壁，充分保证换热器的热传导效率；经过换热器的小球经过换热器后，进入到集球器当中，此时，设备主机启动将小球收集到设备主机的小球发球器当中。小球在发球器中相互摩擦将自身所带出的污垢自清洁掉，以备下一次清洗循环使用。在线清洗装置原理图如图4所示，实物图如图5所示。