沈阳市原生污水源热泵技术应用重点技术问题研究

刘 权

（沈阳市城市公用事业发展中心，辽宁 沈阳 110014）

沈阳位于东北地区的中南部，冬季干燥寒冷，夏季炎热多雨。大气温度的年温差可达到40℃，但沈阳市原生污水的年温差只有 10℃左右。原生污水具有冬暖夏凉的特性，受气候影响较小，与其他能源相比，原生污水水温冬季较高，夏季较低，是比较理想的热泵热源和空调冷源。因沈阳市城市规模逐渐扩大，城市的原生污水排放量不断增加，故原生污水水源充足。经初步测算，如果将沈阳市原生污水中的能量充分利用，每年可节约标准煤46 万t，减排二氧化碳112.35 万t，二氧化硫3.45 万t，氮化物1.725 万t，具有明显的节能、减排效果。

1 原生污水源热泵重点技术问题解析

城市原生污水源热泵供暖空调包括三项技术：第一是水源热泵技术，该技术已得到成熟发展应用；第二是污水的取排方法与装置，实现污水对设备的无堵塞、污染技术； 第三是含复杂混合物的城市污水的流动与换热特性，保证系统稳定传递热量的设计计算模型。第一项为常规技术，国内外已发展应用多年。第二、三项为应用新技术，是污水热能得以再生利用的关键，目前属专有技术包括专利产品，已成功运用到实践中。由于原生污水的水质特点，使其与其它水源热泵技术相比有自身的两个技术：一是应用设备与工艺；二是污水换热器，这也是该系统的关键技术。

2 直接换热模式——抚顺市绿地剑桥一期项目

项目地址位于抚顺市望花区经济开发区滨河路，为住宅建筑，建筑面积为 20 万m2，供暖方式采用污水源热泵能源站进行集中供暖，建筑末端采暖设备为地板辐射。

本项目污水源热泵能源站由北京瑞宝利热能科技有限公司投资、建设以及运营管理，机房内设有5 台热泵主机，包含3 台大热泵机组和2 台小热泵机组，大热泵机组的额定制热量为 3400kW，额定制热输入功率为 680kW，小热泵机组的制热量为2152kW，额定制热输入功率为 460kW，8 台污水侧循环泵（低区每台机组对应2 台泵，4 用互备；高区每台机组对应1 台泵，2 用互备），7 台用户侧循环泵（不同规格4 用 3 备）。

本项目污水源热泵系统采用了直进式污水源热泵技术，污水主干渠内的城市污水经过防阻机直接进入热泵机组蒸发器放热后，再回灌到污水主干渠，热泵机组制取的采暖热水通过用户侧循环泵输送至末端住户。

2.1 系统运行现状及测试结果

热泵系统测试期间，室外最高气温-0.6℃，最低气温-5.7℃，平均温度为-4.5℃。在系统供热住户内抽测5 户室内客厅及卧室温度，结果显示温度全部达到设计要求，供暖保证率为100%。

对污水源热泵机组实际运行工况下制热性能测试结果显示：热泵机组的制热平均性能系数为5.02。同一时间，对污水源热泵系统实际运行工况下制热性能测试结果显示：热泵系统的制热平均性能系数为4.25。

2.2 系统评估

2.2.1 节能效益评估

采用常规能源替代量Qs（吨标煤）进行节能效益的评估计算，得出结果见表1。

表1 污水源热泵系统常规能源替代量表

2.2.2 环境效益评估

采用二氧化碳减排量、二氧化硫减排量、粉尘减排量进行污水源热泵系统环境效益的评估。该项目全年常规能源替代量为1314t 标煤，由此计算该污水源热泵系统各项环境效益指标，计算结果见表2。

表2 污水源热泵系统各项环境效益指标表

3 间接换热模式——阳光100 三期项目

3.1 项目概况

阳光 100 三期污水源热泵系统为原生污水源热泵典型代表，项目地址位于于洪区吉力湖街，供热面积为 20 万m3，主要功能为住宅。采用原生污水源热泵系统，污水取自城市污水管网，自建污水池700m3。原生污水源热泵机房内设有六台螺杆满液式水源热泵机组、六台热水循环泵、两台中介水循环泵、宽流道板式换热器、八台补水泵和软化水处理设备等。污水源热泵机房设于地下室泵房内，采暖系统分为三个分区。供热范围为阳光 100 三期住宅，包括多层、小高层、高层住宅。

冬季室外计算温度：-16.9℃；

冬季通风室外计算温度：-11.0℃；

供暖室内设计温度：≥18℃；

冬季室外平均风速：2.6m/s；

主导风向：C NNE；

大气压力：102.08kPa；

供暖方式与期间：连续152d；

热网供、回水参数：55℃/45℃。

3.2 项目初投资情况

经过现场调研和相关负责人介绍了解到，该原生污水源热泵系统2010 年安装并投入使用，总投资共计2100 万元，污水源热泵机房设备及安装费用计算初投资为105 元/m²。

3.3 机房运行费用

2015 年，该项目实际收费面积为11 万m2，收费金额约305 万。经过2015 年整个采暖季电费统计结果表明，2015 年整个原生污水源热泵机房总计用电量为 350 万度电，但能够提供实际供热面积约为14 万m2，折合供热面积25.0 度/m²，根据当时电价，阳光100 三期均为大工业用电，折合平均电价为0.65 元/度。整个采暖季，三期需电费总计约为 350 万度×0.65 元/度=227.5 万元。运行电费汇总详见表3。

表3 运行电费汇总表

3.4 污水源热泵系统维护问题

该系统正常维修保养在供暖季结束后进行，供暖季结束后对系统进行清洗维护保养。其中，宽流道板式换热器在拆开清洗中发现存在污泥状态，冲洗后内壁光滑，并无结垢腐蚀现象。原生污水杂质多，格栅机每天产出较多垃圾，室外污水池每天均需清渣，格栅机的良好运转能保证机房内污水源换热系统正常运行。

4 间接换热模式——哈尔滨工业大学A02 公寓和二校区公共浴室项目

本项目为哈尔滨工业大学部分公共浴室废水余热回收节能减排技术改造工程。项目需要在入水温度≥5℃的条件下，A02 公寓设计日产55℃热水75 t，二校区公共浴池设计日产55℃热水200t。热水采用节能环保的洗浴污水废热回收方式生产，从洗浴废水中提取热量并回用于学生洗浴，系统达到优化、可靠、先进、节能、环保的目标。

4.1 项目初投资情况

AO2 公寓浴池热水机房位于AO2 公寓一层指定房间内，热水机房由热水机组设备间、水泵间、水箱间组成。机房内安装污水废热回收热水机组、热水供水泵、潜水污水泵、热水箱、污水箱、电源柜等。热水机组设备间与水箱间选择在A02 公寓一层的5 号房间。5 号房间内布置3 台热水机组，热水机组之间的冷、热水管道与载冷剂采用并联方式连接，即3 台机组共用冷水进水主管道、热水出水主管道以及载冷剂循环主管道。同时，考虑到哈尔滨地区冬季自来水温度偏低的特性，5 号机房内还需增设电补热设施，用来补充系统冬季可能会出现的缺热情况。

4.2 运行费用情况

A02 公寓浴池每天用热水 75 m3，共3 台HCRB（A）-Y48 型热水机组。在热水出水 55℃时 ，每台热水机组产水量为1.1m3/h，热水机组输入功率为9.56kW，按每年浴池每年运行310d计算，则热水机组每年的运行费用约为 10.3 万元。二校区公共浴池每天用热水 200m3，共4台HCRB（A）-Y100 型热水机组。每台热水机组产水量为 2.2m³/h，热水机组输入功率为16.56kW，按每年浴池每年运行310 d 计算，则热水机组每年的运行费用约为 23.8 万元。

4.3 节能减排量

节能量计算原则是按A02 公寓浴池采用燃气锅炉、二校区公共浴池采用燃煤锅炉生产热水所消耗的能源，减掉热水机组生产等量的热水所消耗的能源，得出的差值即为节约的能源，从而计算出减排量。

若采用天然气锅炉的节能计算结果详见表4。

表4 A02 公寓浴池改造前后节约标煤的减排量表

因学校浴池运行时存在运行高峰和运行低谷，考虑到目前实际运行节能量约占最大节能量的65%，因此每年实际节约标煤约为142t。

若采用燃煤锅炉的节能计算结果详见表5。

表5 A02 公寓浴池改造前后节约标煤的减排量表

因学校浴池运行时存在运行高峰和运行低谷，考虑到目前实际运行节能量约占最大节能量的65%，因此每年实际节约标煤约为613t。

5 结语

通过现场调研及数据分析得出污水源热泵换热模式等是影响污水源热泵应用的关键技术难题。目前，城市原生污水，水质很差，难以达到直接式污水源热泵系统对水质的要求，使用时宜采用间接式污水源热泵系统。现阶段间接式和直接式换热模式均有广泛的应用案列，且有比较成功的典型案例，通过调研的实际运行案列来看，直接式换热模式换热效率更高，但需选用性能良好的专用污水源热泵机组，保证系统安全可靠运行;间接式换热模式虽然换热效率较低，但清洗维护方便，建议选用性能良好的污水取水泵，间接式换热模式比直接式应用更为普遍，建议增加格栅等大尺度污物过滤措施。对于有集中洗浴废水的项目，其水温较高，水量有保证，条件较好，应优先选用污水源热泵系统，合理利用其余热废热，建议加大类似项目的推广力度，循序渐进，因势利导。