可再生能源在居民建筑的應用

付本田 高建海

摘要：采用污水源熱泵建立一個供熱站為小區供暖。污水源熱泵技術是利用經污水處理廠處理后的污水中的低品位能源，用于采暖的能源形式。冬季，把污水中的熱量“取”出來，供給室內采暖，此時污水為“熱源”。

關鍵詞：污水源熱泵技術 可再生能源 節能 減排

可再生能源建筑應用示范工程是由財政部和住房城鄉建設部聯合組織實施的，目前已經取得了不錯的效果，不僅提升了可再生能源建筑的應用技術，也增加了應用面積，在部分地區得到了廣泛的應用。筆者在此以山海關水郡御景小區工程為例，詳細探討并實現污水源熱泵站這一可再生能源在實際建筑中的應用。

1 工程概況

該工程位于秦皇島市山海關經濟技術開發區，建筑面積16.1295m2，其中居住15.5255萬平方米，公建6040m2。當地沒有開通市政供熱，又不允許上燃煤鍋爐，所以如何解決此區域的冬季供暖成為急迫的問題。緊鄰小區的東面是石河，石河對面有一座污水處理廠，日處理能力8t。現討論采用污水源熱泵建立一個供熱站為小區供暖。污水源熱泵技術是利用經污水處理廠處理后的污水中的低品位能源，用于采暖的能源形式。冬季，把污水中的熱量“取”出來，供給室內采暖，此時污水為“熱源”。

1.1 污水條件

山海關污水處理廠的城市污水原水來源主要為生活廢水，匯流面積大，污水原水流量具有小時變化規律明確、日流量相對穩定、隨著山海關區規模的擴大，呈現逐年遞增的趨勢等特點。

根據《污水再生利用工程設計規范》（GB50335-

2002）中污水水質控制指標標準的規定，山海關污水處理廠的排放水質完全滿足污水源熱泵的工藝要求。秦皇島市污水處理廠的監測資料顯示，冬季城市污水的溫度在10～16℃，比同期的室外氣溫冬季要高，且日變幅較小，故可以作為熱泵系統良好的熱源。將水源熱泵系統技術與城市污水結合，在擴大城市污水利用范圍，拓展城市污水治理效益方面具有深遠意義。

1.2 污水源熱泵技術簡介

污水源熱泵技術容易受很多因素的影響，比如水溫、水質、熱泵機組性能、水量等，所以在實際的應用該技術的過程中需要考慮很多的環節。為了保證工程的順利進行，我們在工程設計中應該充分考慮間接式和直接式污水源熱泵技術的優劣勢，然后選擇合適的設備。城市排熱的一種重要渠道就是城市污水，近年來，人們的生活水平不斷的提高，隨之增加的還有城市污水排水量和排熱量，有資料顯示，我國城市總排熱量的10%～16%是由各大城市污水排熱量組成的，而日本東京城市的這個數據甚至高達了39%。

1.3 工程設計原理

1.3.1 污水源熱泵設計原理

本工程利用污水中品位較低的能量，冬季為熱泵機組提供低溫熱源，將污水中低位能量轉化為高位能量，供給末端采暖使用和制備生活熱水。

1.3.2 系統工藝流程

通過污水泵，蓄水池處理完畢的污水直接進入熱泵機組，作為冷熱源用于供暖。

污水提取工藝按如下工序進行：

蓄水池→污水循環泵→污水源熱泵→機組管道→輸送排入管溝

2 工程技術分析

2.1 設計計算

2.1.1 冷熱負荷估算

水郡御景小區為節能建筑設計，選用優質隔熱保溫材料，減少了能量損耗，根據設計數據本建筑達到節能設計標準65%。外墻保溫采用外貼聚苯板保溫：370外墻為70mm厚，外墻傳熱系數K=0.448W/（m2.k），山墻70mm厚，外墻傳熱系數K=0.448W/（m2.k），凸窗挑板外貼80mm厚聚苯保溫板，傳熱系數K=0.50W/（m2.k）。屋面采用

145mm厚聚苯板保溫，傳熱系數K=0.4W/（m2.k）。

地面下從外墻內側起2米范圍內鋪設70mm厚聚苯保溫板，首層陽臺地板下鋪80mm厚聚苯保溫板，樓面為地盤管露面，20mm厚聚苯板保溫，分戶樓板傳熱系數 K=1.2W/（m2.k）。

外門窗采用無色中空玻璃塑鋼窗（6+12+6），傳熱系數K=2.5W/（m2.k），直接對外塑鋼門下部分芯板內貼35mm厚聚苯板保溫，傳熱系數K=1.35W/（m2.k）。外門窗的氣密性等級不低于現行國家標準GB/T7107-2002規定的Ⅲ級標準，即每米縫長空氣滲透量：QL？芨2.5立方米/（m.h）

本項目建筑熱負荷指標取50W/m2。

采暖熱負荷計算

Qn=qn×A

式中：Qn為采暖熱負荷，單位：kW；qn為建筑面積熱負荷，取50 W/m2；A為建筑面積；單位：m2。

采暖熱負荷Qn=qn×A=50×161295=8064（kW）；

熱水負荷取10W/m2。所以，初步設計供熱總負荷為9676kW。

2.1.2 污水用量設計計算

熱泵機組的制熱量或制冷量與所耗功率之比稱為能效比，即COP（能效比，性能系數），它是表示制熱效率或制冷效率的能耗指標。一般家用空調器的COP約在2.5～2.8之間，而熱泵機組的COP則可達到5.0-7.0左右。

同方人工環境有限公司提供的滿液式污水源熱泵SGHP1600M型的參數為：制熱量1621kW，制熱COP為5.0。

制熱工況：冬季，需要從污水提熱的熱泵系統的負荷為9676kW，計算污水需求量為：

Gn=Qn×（1+1/COP）/c/Δt

式中：Gn為冬季污水需要量，單位：m3/h；Qn為空調冷負荷，單位：kW；COP為能效比，取4.9；c為水的熱容，取1.163kJ/（kg·K）；Δt為污水進出口溫差，8℃。

所以，冬季污水需要量為：Gn=9676×（1-1/4.9）/1.163/8

=827（m3/h）

設計污水水量選取較大的污水量，即827m3/h。熱泵系統的冬季污水需求量小于污水處理廠的設計規模8萬m3/d（3300m3/h）。若是能充分利用東郊污水處理廠的污水作為熱源，用污水源熱泵可以為污水處理廠周邊約50萬平方米的建筑供暖。

2.2 技術方案

本方案采用污水源熱泵機組為住戶提供熱源，末端用地板輻射采暖。地板輻射采暖的優勢。

2.2.1 節能

分析各種采暖方式室內溫度梯度的測試結果可以發現，最適合的采暖方式就是地板輻射采暖方式，所以地板輻射采暖房間內的室內溫度在比一般散熱器采暖的溫度低2-3℃的時候就可以達到同樣舒服的效果。以秦皇島地區室外采暖計算溫度為-9℃，室內采暖計算溫度為18℃計算，則地板采暖計算熱負荷可降低9.23-11.1%，采用分戶計量后地板輻射采暖可節能約35%。因為供水溫度低，所以有利于使用低溫熱源。

2.2.2 舒適

地板采暖系統具有很好的穩定性，因為它熱容量大，混凝土的蓄熱功能強。并且地面輻射熱非常有益于人體的健康，同時通過人為的創造人體感到舒服的溫度，使人感到舒適感。

2.2.3 美觀

由于使用該系統不需要散熱器和管道，客觀上增加了每個單元的使用面積，同時由于沒有散熱器和管道，還更有利于裝修，方便創造出更加美觀的室內環境。

2.2.4 地板輻射采暖適合分戶計量節能設計

管道的布置、系統的阻力值的確定均可根據不同情況，不同的要求由設計人自己決定，管材的使用壽命無論國外還是國內的生產廠家均承諾為50年，住宅建筑規范規定住宅建筑的設計壽命為50年，滿足國家規定。

2.3 數據采集方案

2.3.1 集中控制系統

為了確保污水源熱泵供暖系統節能減排的實現，本方案設置計算機監控系統，它有如下功能：

①集中監控

由于設備管理人員需要及時了解并調整各設備的運行情況和數量，關閉不需要運行的設備，降低能耗。

②故障自動診斷

系統設備多，布置分散，自動診斷設備是否發生故障的功能可以實現及時發現系統故障并排除。

③自動記錄分析運行數據

為了進行系統的經濟性比較，須記錄運行期間準確、翔實的數據。只有設置集中監控才可以實現運行數據自動檢測、記錄的功能，同時還可以提高管理水平和工作人員的勞動效率。

2.3.2 節能措施

控制系統包括循環水控制、水源水控制、熱泵機組控制。多種設備相互影響，相互作用。在利用設備自帶微處理器控制保證設備最佳運行的基礎上，發揮網絡通信功能，通過各個控制回路之間信息的交換，實現整個系統最優化運行。本系統要考慮污水源熱泵取水溫度、流量與熱泵效率等。熱泵大部分時間（70%）內負荷低于設計負荷的60%，通過控制系統提高部分負荷下熱泵機組的效率對系統能耗降低有明顯的效果。

機組啟?？刂疲嚎照{水循環泵與水源熱泵空調主機一一相對應，當負荷較小時，將停止一臺主機運行時，控制系統先控制一臺主機停止運行，經30秒延時后控制系統控制相應的水泵停止運行，同時控制系統控制相應機組水源水和循環水入水管上電動兩通閥關閉，可以起到節能的目的；當負荷增大時需要增加一臺機組運行，控制系統控制相應機組水源水和循環水入水管上電動兩通閥開啟，同時控制相應的循環水泵啟動，經30秒延時后控制系統控制相應的機組投入運行。

機組保護：每臺水源熱泵空調主機的冷熱水進水管和水源水進水管上分別設有1個水流開關，水流開關與主機連鎖。當進水量低于主機要求的最低水量時，主機將自動關閉。

補水泵控制：在定壓補水罐上增加一壓力變送器來測量定壓補水罐內壓力，控制系統根據壓力變送器測得的壓力值與補水壓力低限設定值比較，當低于補水壓力低限設定值時啟動補水泵，直到達到高限設定值。

機組運行方式：機組內部運行控制由機組內部自動完成，當設定為外部信號啟?？刂茣r，機組根據外部信號的狀態來控制機組啟停。

水源水泵控制：為減少水源水量和節省電能的目的，水源水采用恒壓變頻供水方式，在每臺主機水源水側的進水管上設有電動兩通閥，并在水源水總管上安裝一壓力變送器，其中一臺潛水泵由變頻器控制?？刂葡到y根據壓力變送器測得的壓力值經PID計算輸出一模擬信號控制變頻器的輸出頻率以達到恒定壓力的目的，當運行水泵不能滿足供水量時自動工頻投入另一臺水泵運行。

供回水壓差控制：循環水集分水器之間安裝一壓力調節閥和壓差變送器，控制系統根據測得的壓差經過PID計算后控制壓力調節閥開度以平衡壓力的目的。

3 工程效益風險分析

3.1節能預測分析

污水熱泵將污水熱能連同機組所耗電能一并轉移到室內，系統能效比達4.2以上。污水熱泵機組利用溫度相對穩定污水熱能，與空氣源熱泵機組相比，夏季冷凝溫度低、冬季蒸發溫度高，能效比和性能系數大大提高，而且運行狀況穩定。

3.2 經濟效益分析

上述方案設備1808萬元，機房及地板采暖系統安裝806萬，污水管道鋪設及室外管網446萬，投資合計3060萬元。

按照秦皇島地區取暖費收費標準6.97元/m2/月計算，小區每年收取取暖費540萬元（6.97元×5個月×15.5萬m2）

盈利356.4萬元/年（540萬元-183.6萬元）

預計8.5年收回成本（3060萬元/356.4萬元）

3.3 環境影響分析

據資料統計，隨著秦皇島市的工業發展和旅游的過度開發，大氣環境污染日益嚴重，尤其是在冬季采暖季。造成大氣環境污染的原因主要是能源消費結構以煤為主；而煤炭的消耗大部分又是用于冬季采暖。因此，如何在采暖供熱方式的選擇上突出環境保護的制約，具有重要意義。污水熱泵項目無需鍋爐，沒有燃燒過程，不存在固體廢棄物、有毒有害氣體及煙塵排放等問題，不消耗水資源，不污染地下物質，因而是環保的空調系統。

據測算，本項目若用污水源熱泵，每年可節約燃煤8851噸，每年減少向大氣排放二氧化碳（CO2）5966噸，二氧化硫（SO2）177噸，粉塵88噸；環境效益非常明顯。

3.4 項目推廣前景分析

秦皇島市山海關污水處理廠的污水處理能力為8萬m3/d，若污水熱泵技術得以充分利用，可為約50萬平方米的建筑供暖和制冷，若輔以建筑節能的措施，其發揮的作用更為可觀。并且可至少替代標煤27939萬余噸，年減少二氧化碳排放（CO2）18769萬余噸、二氧化硫（SO2）556噸，粉塵278噸，有著巨大的推廣前景。

本項目的建成，還將對今后的污水利用起到示范、促進和推動作用，特別是對秦皇島市其它污水處理廠及周邊地區利用污水實現供暖和供冷提供借鑒。

3.5 項目風險分析

水源熱泵技術是成熟技術，在歐美上世紀80年代開始使用，在全世界得到大力推廣，國內外水源熱泵實際工程的普遍應用充分證明了一點。對于本項目的風險，從以下幾方面進行分析，針對可能出現的風險采取相應對策。

3.5.1 污水水量保障

在其它地區應用污水源熱泵時，可能會出現污水水量不能保障的情況。本項目污水處理廠污水處理設計規模為8萬m3/d，滿足本工程污水設計量41088m3/d（1712m3/h）的要求。

3.5.2 污水溫度保障

秦皇島市山海關污水處理廠的監測資料顯示，冬季城市污水的溫度在10～16℃，夏季城市污水的溫度在20～25℃之間，比同期的室外氣溫冬季要高而夏季要低，且日變幅較小，故可以滿足污水源熱泵運行的要求。

3.5.3 系統維護保障

經過優化，污水源熱泵系統只在冬季和夏季運行，因此污水取水排水系統、污水輸送系統及熱泵機組均有檢修期，因此本系統的運行模式也提高了系統穩定性。

從以上分析可以看出，本項目基本上不存在風險。

4 結論

第一，建設節約型社會，大力發展循環經濟和推廣應用可再生能源，是黨中央、國務院在當前能源供應緊張的新形勢下提出的可持續發展戰略。該工程的實施，正是符合“樹立科學發展觀，建設和諧社會”的要求。

第二，污水源熱泵技術的本質是從經過污水處理廠處理后的污水中吸取熱量或向其放出熱量，污水經過熱泵機組交換熱量后排出，而不會進入室內，沒有任何風險。

第三，若該工程能夠實施，每年可節約燃煤8851噸，每年減少向大氣排放二氧化碳（CO2）5966噸，二氧化硫（SO2）177噸，粉塵88噸；環境效益非常明顯。若能充分利用污水處理廠的污水作為熱源，用污水源熱泵可以為污水處理廠周邊約50萬立方米的建筑提供供暖?？芍辽偬娲鷺嗣?7939萬余噸，年減少二氧化碳排放（CO2）18769萬余噸、二氧化硫（SO2）556噸，粉塵278噸。有著巨大的推廣前景。

第四，本項目的建成，還將對今后的污水利用起到示范、促進和推動作用，特別是對秦皇島市其它污水處理廠及周邊地區利用污水實現供暖和供冷提供借鑒。

綜上所述，秦皇島市山海關小區污水源熱泵工程技術方案可行，經濟效益明顯，社會效益顯著，符合國家大力發展可再生能源的基本國策和能源戰略，作為秦皇島市住宅小區采用污水源熱泵系統將在環保、節能等方面具有較好的示范作用。

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作者簡介：

付本田（1971-），男，河北撫寧人，副高工程師，畢業于河北工業大學工業電氣自動化專業，主要從事污水處理廠、污泥處理廠、排水管理處等自動生產控制、智能樓宇防盜報警及消防自動報警、噴淋系統等方面的研究。