污水源熱泵工程設計與應用研究

郭圣杰，馬秀武，佟麗靜，王占東

（滄州市供水排水集團有限公司，河北 滄州 061000）

某污水處理廠污水源熱泵工程位于滄州市迎賓大道以西，經一路與渤海路交口西南角的位置，小流津河東岸。一期工程的廠區綜合樓、污泥脫水間、加藥間、配電室值班等室內需要供暖，供暖面積3000 余平米。原設計采用市政熱源，通過廠區新建換熱站為廠區提供熱媒。一次網供回水溫度為105/55℃，二次網供/回水溫度70/45℃。

污水處理廠的一期設計規模為6 萬噸/天；二期設計規模也為6 萬噸/天。二期工程建成后，運西污水處理廠的整體日處理規模可達到12 萬噸/天。在一期工程建設運營中，發現污水排放的水質比較好，污水量比較穩定，冬季污水平均水溫在13℃左右，夏季污水平均水溫在20℃左右。按照保守的日處理污水量3 萬噸/天計算，從排放的污水中提取3℃的溫差，冬季污水可提供4300kW 的熱量，該熱量可供10平米小區冬季供暖使用。如果未來二期建成后，按照12 萬噸/天排放量計算，污水的低位熱量至少可供30 萬平米小區供暖使用，能產生極為可觀的經濟效益。

正是基于這一點考慮，結合廠區自身的供暖要求進行了調整，采用污水源熱泵系統進行供暖，同時，還考慮使用該系統解決廠區夏季空調的需求。

目前，市場上污水源熱泵設備已比較成型，設備冷凝側可提供50℃熱水，蒸發側最低可出5℃的冷水。因此，該工程的設計關鍵點在于污水側換熱器設計計算。污水換熱器可以分為兩種設計思路：（1）把換熱器放在換熱機房里，污水池內設潛水泵將污水送入機房換熱器，換熱完畢后再排入污水池。該方案優點是比較好布局，施工簡單。缺點是增加了潛水泵的功耗，同時，污水換熱管線里始終流動的是污水，易腐蝕管路。進換熱器入口需要設置快速除污器，需要定期進行除污清洗，增加了售后維護工作。（2）制作專門的污水源換熱器，將污水源換熱器直接放入污水池中，利用污水自身的水流進行換熱。這樣減少了一次水泵的循環功耗，提高了節能效果。另外，與熱泵機組進行換熱的循環水系統采用軟化水，既保證了水質干凈清潔，又避免了管路的堵塞和腐蝕。

運西污水現場實際情況是污水經過處理后，通過一段污水排放池后，排入市政污水管道。這段排放池長40 多米，寬2 米，內設紫外線消毒渠、巴氏計量槽，該裝置對污水排放流道有一定要求，如圖示。考慮這種特殊要求，將專門的污水源換熱器設置在污水進入排放池的前面，充分利用污水自身流速進行換熱（如圖1）。

圖1

1 方案設計依據

污水處理廠日處理污水量為60000 噸/天，考慮尖峰和低谷的因素，按平均小時排水量1250m3/h 計算，以此水量進行換熱器選型計算依據。污水源熱泵機組夏季冷凝器設計溫度為45/40℃，冬季蒸發器設計溫度為9/6℃，污水進行換熱器時，冬季參數較為不利，因此，以冬季工況進行選型計算。

室外氣象參數：供暖室外計算溫度-7.1℃；冬季通風室外計算溫度-3℃；夏季空調室外計算干球溫度34.3℃；夏季空調室外計算濕球溫度26.7℃；夏季通風室外計算溫度30.1℃；

室內設計溫度：

冬季：辦公、值班等生活房屋室內采暖設計溫度為tn=20℃；有人巡視而不久留的房間，室內采暖設計溫度為tn=12℃。

夏季：辦公、值班等生活房屋空調設計溫度：26℃；

按照目前采暖總面積，根據《全國民用建筑工程設計技術措施——暖通空調》及《民用建筑空調設計規范要求》，考慮外管網熱量損失，冬季熱負荷需170kW，夏季制冷量165kW。設計計算過程如下：

在污水池設置換熱器：污水池深1.5 米，寬2 米，將該換熱器直接放置在污水排放池中，污水池溫度11℃；熱泵機組蒸發器出水進該換熱器溫度為6℃，出該換熱器為9℃；換熱量為200kW，材質為不銹鋼。

機組選用兩臺污水源熱泵機組，單臺制熱量175kW，耗電功率36kW；蒸發器供回水溫度：6/9℃，循環水量50m3/h;冷凝器進出水溫度50/45℃,循環水量20m3/h；

室內熱水循環泵設置2 臺，一用一備，循環水量40m3/h，揚程32m；污水源側循環泵設置2 臺，一用一備，循環水量60m3/h，揚程30m;

2 換熱器熱力計算

（1）原始數據。

熱泵機組冷凍水進口溫度t1′=6℃；出口溫度t1〞=9℃；

污水側冷水流量G1=1250000kg/h；污水冷卻流入溫度t2′=11℃；污水冷卻流入出溫度t2〞=10℃。

（2）計算溫度及物性參數：

污水冷卻水的定性溫度t2=(t1′+t1〞)/2=(10+11)/2=10.5℃；

冷卻水的密度查物性表得ρ2=992.9kg/m3；

冷卻水的比熱查物性表得Cp2=4.174kJ/kg.℃；

冷凍水的密度查物性表得ρ1=976kg/m3；

冷凍水的比熱查物性表得Cp1=4.192kJ/kg.℃。

（3）傳熱量與水熱流量

取定換熱器熱效率為η=0.98；

污水側可提供的熱量：

完全可以滿足所需要提取的熱量。

污水換熱器二次側換熱量：

根據浸沒在液體中的盤管總傳熱系數大致值，W/(m2·℃)如表1。

初定傳熱系數K0=1000W/m2·℃；

選用φ16×1.5 無縫鋼管作換熱管；管子外徑d0=0.016m；管子長度取為l=6m；管子總數：

3 換熱器的設計制作

根據污水連續運行無堵塞換熱技術的要求，換熱器制作需要采用特殊設計，換熱管需要采用不銹鋼材質的高效換熱管，管徑相對于普通機組加大25%和璧厚加大20%，保證設備的運行效率和使用壽命。為避免換熱器與污水流通截面被污水內藻類雜質堵塞的可能，同時，便于以后清洗換熱管時，操作簡單方便，應當合理調整換熱管間的距離，保證長期使用的可靠性。因此，單根換熱管的長度取為6m，直徑Ф16mm，厚度δ=1.5mm；（如圖2）。

U 形管的尺寸

①U 形管彎管段的彎曲半徑

U 形管彎管段的彎曲半徑R（見圖3）應不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑Rmin可按GB151-1999 表11 選取，取Rmin=40mm。考慮污水側有時會有藻類雜質流通，防止U 形管間距過小影響污水流通，取換熱管的彎曲半徑R=76mm。

圖2

圖3

4 換熱管間距

換熱管的中心距宜不小于1.25 倍的換熱管外徑，根據GB151-1999 要求，考慮污水流通性，取換熱管中心距為S=32mm（見圖4）。

污水側換熱器完成后，整體工程的安裝布局按照如下原理圖進行了布局和施工，考慮該系統需要解決辦公樓夏季制冷需要，因此，在辦公區室內增加了風機盤管系統，這樣可滿足辦公樓冬夏季使用（見圖5）。

5 運行情況分析

目前機組蒸發器側水溫14℃，冷凝器側水溫49℃，機組50%負荷運行，運行狀況良好。

圖4

表1

圖5

污水源熱泵年運行費用：

主要機組設備冬季平均投運功率：43kW；年平均運行時間：12 小時／天；120 天／年；

電 耗：43kW×12 小 時／天×120 天／年×0.8 元／kW.h=4.9 萬元；

采用污水源熱泵系統進行供暖和空調使用，具有以下優勢：

（1）緩解能源消耗，利用城市污水作為熱源對建筑進行采暖，可以直接減少其他短缺能源的消耗。

（2）保護環境，污水源熱泵供暖系統是利用低溫污水作為熱源無燃燒、無排渣、無排煙等過程，從環保方面看，熱泵運行對環境是零污染。

（3）經濟效益顯著，如電價按民用電價計算，出水溫度在50 度以下，與集中供熱相比可節省運行費用30%左右。

（4）社會效益顯著，可替代傳統的供熱鍋爐，避免建設新的集中供熱鍋爐房，對節約資源、提高能源利用、減少污染物排放，改善城市環境、提高居民生活質量。

6 結語

本次污水源熱泵是利用污水出水量大、水質穩定、溫度適宜等特點，以污水作為熱源進行制冷、制熱循環的一種空調系統。該系統具有熱量輸出穩定、COP值高、換熱效果好、機組結構緊湊等優點，是實現污水資源化的有效途徑。污水源熱泵比燃煤鍋爐環保，污染物的排放比空氣源熱泵減少50%，比電供熱減少75%。它節省能源，比燃煤鍋爐節省1/2 以上的燃料。由于污水源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，其制冷、制熱系數比傳統的空氣源熱泵高出40%左右，其運行費用僅為普通中央空調的50%～60%。因此，該項目的實施，有著很高的經濟效益。