污水處理廠水源熱泵系統工程應用與分析

李 海 新

(天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

污水處理廠水源熱泵系統工程應用與分析

李 海 新

(天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

介紹了熱泵技術原理和污水源熱泵系統形式，針對鄭州某日處理量10萬m3/d的污水處理廠，設計了一種間接式污水源熱泵系統，對全廠綜合樓和員工宿舍提供冬季采暖和夏季空調的冷熱源，并對系統主要技術參數進行了計算，根據結果選擇了機房主要設備。

水源熱泵，污水處理廠，空調系統，設計計算

0 引言

能源緊張與環境污染，是困擾世界的兩大難題，尋找可再生、無污染的替代能源是實現可持續發展的重大課題。城市原生污水、二級出水和中水均具有水量大、水量較穩定、溫度適宜、水溫在應用季節相對穩定等特點，可作為低溫熱源通過熱泵技術加以利用，正在受到越來越多的重視。合理開發利用污水熱能，能有效降低污水處理廠建筑物能耗、減少CO2的排放和空氣污染。

污水源熱泵系統利用污水，通過制冷循環，消耗少量電能，來提取污水中的熱能實現冬季采暖的效果，或向污水中排熱來實現夏季空調的效果，滿足污水處理廠建筑物采暖空調的需求，節能、環保及經濟效益顯著，契合國家經濟與社會的可持續性發展戰略。

1 污水源熱泵技術

1.1 熱泵

根據逆卡諾循環原理，低溫熱源或低位能源中的低品位熱能可以轉換為高品位熱能，這一過程是通過熱泵技術來實現的，而這項技術的逆過程還可以實現制冷的目的[1]。

如圖1所示，熱泵從11 ℃的低溫熱源中提取熱量，消耗一定的高品位能源，以較高的溫度(如50 ℃)向末端熱用戶供熱。在這一過程中，雖然消耗了1份的高品位電能，但是可以供給末端熱用戶4份甚至更多的高位能源，因此，熱泵裝置是一種節能裝置。

1.2 污水源熱泵系統

污水源熱泵系統分為開式(直接式)與閉式(間接式)兩類，如圖2，圖3所示。區別就是有沒有中介水二次換熱系統，即進入熱泵機組的載熱水體是閉式循環，為閉式污水源熱泵系統，反之則是開式污水源熱泵系統[2]。

開式系統對污水水質有較高的要求，因為污水經過防阻機后，直接進入了熱泵機組，容易造成管路或設備的阻塞與腐蝕。

閉式系統比開式系統增加了一個污水—中介水換熱器，污水先與中介水換熱，而進入熱泵機組的是中介水，因此對水源水水質的處理要求大大降低。閉式系統已有不少工程實例，運行狀況良好，所以本方案選擇閉式污水源熱泵系統。

閉式污水源熱泵系統由污水開式子系統、中介水閉式子系統和末端循環水子系統三個子系統組成。

2 工程項目概況

本方案涉及污水處理廠廠址在鄭州市，建設規模為10萬m3/d，污水源穩定，水量充足。污水預處理采用曝氣沉砂池+初沉池工藝，污水二級處理采用多模式AAO工藝，污水深度處理采用高效沉淀池+高效纖維束濾池工藝。設計出水水質達到了GB 18918—2002城鎮污水處理廠污染物排放標準中一級A排放標準。

采暖，空調冷熱源采用間接式污水源熱泵系統，為此在廠區綜合樓東側建設1座污水源熱泵間。冬季供回水溫度為50 ℃/45 ℃，夏季供回水溫度為12 ℃/7 ℃。水源水取自臨近的中間提升泵房，提取熱能后排入地溝。

3 技術參數設計計算

3.1 原始數據

1)冷、熱負荷。整個廠區需要冬季采暖、夏季空調的建筑物有綜合樓和員工宿舍，采暖和空調面積約4 320 m2。根據CJJ 34—2010城鎮供熱管網設計規范3.1.2的冷熱指標推薦值[3]，結合鄭州當地的實際情況確定熱指標83 W/m2、冷指標90 W/m2。得出計算熱負荷360 kW，計算冷負荷380 kW。

2)污水水溫及水質。a.冬季水溫：14 ℃左右；b.夏季水溫：20 ℃～27 ℃；c.污水水質：pH≈7；d.設計污水溫差冬季3 ℃、夏季5 ℃。

3.2 技術參數設計計算

1)污水及中介水流量計算[4]：

其中，Gw為污水需求量,m3/h；Q為夏季制冷負荷(冬季制熱負荷),kW；COP為熱泵冬季制熱性能系數,取4.3；EER為熱泵夏季制冷能效比,取4.6；Δt為污水換熱溫差,℃。

其中，Gx為循環水量，m3/h；Q為夏季制冷負荷(冬季制熱負荷)，kW；tg，th分別為供回水溫度，℃。

循環水泵揚程計算：

H=H1+H2+H3=50+70+30=150kPa。

其中，H為循環水泵揚程，kPa；H1為水源熱泵間內部阻力損失，kPa；H2為熱網供回水干管阻力損失，kPa；H3為最不利用戶內部系統阻力損失，kPa。

3)中介水流量計算[5]：

設計工況下污水—中介水換熱器熱量平衡方程：

其中，Qw，Qz分別為污水、中介水換熱量，kW；Gw，Gz分別為污水、中介水流量，m3/h；tw1，tw2分別為污水進出水溫度，℃；tz1，tz2分別為中介水進出水溫度，℃；1.163為換算系數，即1kcal/h=1.163J/s。

其中，Δtmax=MAX|(tw1-tz2)，(tz1-tw2)|；Δtmin=MIN|(tw1-tz2)，(tz1-tw2)|。

系統運行參數見表1。

表1 系統運行參數

4 水源熱泵系統主要設備

根據以上計算，設計選擇水—水螺桿式水源熱泵機組一臺，污水—水殼管式換熱器一臺，污水循環水泵、中介水循環泵、末端循環泵各三臺。中介水采用高位膨脹水箱定壓，末端采用穩壓膨脹器定壓。設備間內設全自動軟水器一套，軟化水箱一個，補水泵兩臺，一用一備，分、集水器各一臺。設備間預計占地(21.1×9.6)m2。

5 結語

近年來，城市污水成為一種受人關注的低溫熱源，由于其具有“冬暖夏涼”的特點，是水—水熱泵機組的理想低溫熱源，是一項值得深度推廣的新技術。

鄭州某日處理量10萬m3/d的污水處理廠，設計一種間接式污水源熱泵系統，提供全廠綜合樓和員工宿舍冬季采暖和夏季空調的冷熱源。

設計冷負荷380 kW，設計熱負荷360 kW；冬、夏季供回水溫度分別是45 ℃/40 ℃，12 ℃/7 ℃；設計污水流量在冬、夏季分別是79.19 m3/h，79.55 m3/h。

[1] 徐 偉.地源熱泵技術手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2] 趙 軍，戴傳山.地源熱泵技術與建筑節能應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[3] CJJ 34—2010，城鎮供熱管網設計規范[S].

[4] 楊振靜.污水源熱泵的應用及經濟性分析[D].濟南：山東建筑大學碩士學位論文，2013.

[5] 莊兆意.污水源熱泵系統的工況研究與優化設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學碩士學位論文，2007.

Application and analysis of water-source heat pump system for sewage treatment plant

Li Haixin

(TianjinMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Tianjin300051,China)

To introduce the principle of heat pump technology and water-source heat pump system. For a sewage treatment plant in Zhengzhou city with the capacity of 105m3/d, a kind of indirect sewage source heat pump system has been designed, in order to provide cold and heat source for the comprehensive building and staff quarters, which need winter heating and summer air-conditioning. The main technical parameters of the system have been calculated. According to the results, the main equipment have been selected.

water-source heat pump， sewage treatment plant， air-condition system， design calculation

1009-6825(2015)30-0121-02

2015-08-17

李海新(1987- )，男，碩士，工程師

TU831

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