淮安四院污水源熱泵應用及分析

周毅

摘要：污水源熱泵系統是一種節能高效的、環保效益顯著的可再生能源系統，本文以淮安四院機房改造項目污水源熱泵的應用為例，對污水源熱泵系

統的節能、經濟及環境效益進行模擬分析。得出污水源熱泵系統是一種經濟、社會效益都很高的可再生能源系統。

關鍵詞：污水源熱泵;技術經濟分析;節能減排

引言：

污水源熱泵系統是利用污水為低位熱（冷）源，利用熱泵技術提升熱媒或降低冷媒溫度為建筑物供熱和供冷技術。城市市政污水一般充足且排量比較穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，是比較理

想的低位冷熱源。

污水源熱泵系統按照使用污水的處理狀態可分為原生污水（未處理污水）和污水處理廠二級出水或中水;按照污水利用的方式可分為直接利用式和間接利用式。淮安四院機房原有設備（直接利用污水換熱的小模塊化設備）因老化堵塞等原因無法正常使用，經調研本項目臨近本市第二污水處理廠，有可提供污水處理后二級出水的便利條件，本項目采用污水源熱泵系統對淮安四院制冷及供熱系統進行機房改造，在此對本項目的污水源

熱泵應用進行經濟技術社會效益進一步分析。

1項目概況

江蘇省淮安市第四人民醫院，地處清浦區延安東路128號，占地面積146畝;污水源熱泵系統改造利用了鄰近的第二污水處理廠的污水處理后二級出水，污水利用方式采用間接利用方式。污水源熱泵系統供三棟病房樓一棟門診及醫技樓空調，同時供應三棟病房樓衛生熱水;本次空調改造系統空調建筑面積約25000平方米（不含手術室及醫技用房部分）。

2負荷計算

2.1室外設計計算參數（參照淮安市，具體數值略）。

2.2室內設計參數

2.3空調負荷模擬計算，為便于進行定量分析計算，利用能耗計算

BESI2022軟件對建筑物建模進項空調全年負荷模擬，結果如下：

2.4衛生熱水耗熱量：

3.系統設計及設備選型

本工程污水源熱泵系統與常規的地源熱泵系統類似，不同的是由寬流道式中水換熱器替換地埋管換熱系統，本工程采用間接利用式方式，污水換熱器系統和熱泵機組通過中介水進行換熱，不需選擇專用污水熱泵機組。本項目對本市第二污水處理廠提供污水處理后二級出水進行了前期調研，污水處理后二級出水水體較好，沒有明顯污物。由于污水管道架空明敷，污水有明顯的季節變化，夏季污水溫度約27度，冬季污水溫度約12度。

本工程污水源熱泵系統原理如圖：

本工程主機選用三臺螺桿式地源熱泵機組，其中一臺帶全熱回收（制冷工況：12/7度------25/30度，制熱工況：40/45度------10/5度，全熱回收工況：50/55度------12/7度）;選用了三臺寬流道式中水換熱器（額定換冷量Ql=1667k額定換熱量Qr=1250kw換冷工況：27.73/22度（中水）---25.33/31.06度（中介水）換熱工況：12/7度-----9.5/4.5度）;夏季空調三臺熱泵機組提供，冬季空調由兩臺熱泵機組提供，衛生熱水由一臺帶全熱回收熱泵機組提供，熱水設有儲熱水箱。

4.污水源熱泵系統設計要點

污水源熱泵系統原理和形式和地源熱泵系統類似，并且不需考慮地源熱泵系統土壤熱平衡問題，但污水源熱泵系統也有本身特點和要求，污水源熱泵系統設計重點需要關注以下方面：

首先是對污水資源進行調研，污水的水質情況，是否是腐蝕性水質，污水中的雜質情況，污水的水溫，以及是否有季節變化;污水的水量，污水流量是否穩定等，這些是基礎資料，必須收集全面可靠，這是我們污水源熱泵系統設計中的取水方式設計、污水換熱器選擇的前提資料，我建議不僅要收集資料最好還要實地考察。

根據污水調研情況選擇合適的換熱系統，污水換熱器考慮的關鍵是防阻塞換熱技術，設備選擇要考慮防阻工藝的可靠性（會不會堵），設備運行穩定性（隨著污垢的增加換熱量能否保證），維護的可操作性，污水源熱泵系統為保證效果和可靠，污水換熱器一般每空調季都需清洗，至少每年需要清洗，如果污水換熱器產品設計沒有充分考慮，會嚴重影響后期運行。污水換熱器選擇和設計是系統成敗的重要因素，必要應進行污水換熱器實際運行項目進行考察。

污水管道流速應進行控制，污水流速不能低，低了容易結垢，也不能太高，高了會使管道設備腐蝕磨損加快，管道建議流速大于1.5m、/S，污水換熱器流速一定要根據設備要求進行設計，否則容易結垢阻塞或加快磨損;污水換熱器應逆流換熱，中介水系統由于不同工況阻力流量變化較大，水泵應選用變頻泵。

熱泵機組的工況匹配也是要關注的地方，由于污水的水溫與樣本工況常常不同，對機組實際工況的能力需要調整，這點我們也常需要廠家提供支持和幫助。污水源熱泵的可靠性、穩定性、管理可操作性以及初投資和運行費用都是我們必須關注的要點

5.節能分析

5.1空調系統節能分析，為便于節能對比，能耗計算BESI軟件依據《民用建筑綠色性能計算標準》建立的參照空調系統（夏季主機選用三臺離心式冷水機組，機組性能系數（COP）5.30IPLV5.45，冬季主機選用燃氣熱

水機組，鍋爐熱效率0.87）;利用能耗計算BESI軟件對本工程污水源熱泵系統和參照空調系統進行模擬計算比較，因用戶負荷側相同，本次僅對機房系統進行計算模擬，數據結果如下：

對燃機鍋爐燃氣耗量依據《民用建筑能耗分類及表示方法》GB/T34913-2017換算成等效電;對比數據，污水源熱泵機組節能相當可觀，供冷電耗機房系統節能率達36.2%，供熱電耗機房系統節能率達45.7%，分析數據發現供冷時冷卻水泵能耗比冷凍水泵能耗低，與常規系統不同，分析成因是由于寬流道式中水換熱器阻力較低，雖然冷卻水泵水量比冷凍水高泵數據偏高，但比揚程小導致;供暖時供暖水泵明顯比參照系統高，分析數據是以下原因造成，首先軟件是計算方法，參照系統是按照綠建評價標準進行計算，供暖水泵電耗是直接按照規范輸送能效比取值進行計算，然而規范明確注明了其取值不適用熱泵系統。其次供暖時污水源熱泵供暖水泵輸入參數時還包含了寬流道式中水換熱器水泵的功率。由于有這兩個原因從數據上看供暖時污水源熱泵供暖水泵能耗明顯比參照系統大。這些數據差異并不影響污水源熱泵系統和參照系統比較結果。通過能耗計算BESI軟件計算，污水源熱泵系統相對參照空調系統，污水源熱泵空調系統年節約電耗503825（kWh/a）;

5.2衛生熱水節能分析，經計算本工程全年需提供衛生熱水所需熱量1422988（kWh/a）污水源熱泵機組提供全年衛生熱水，空調供冷時機組免費提供衛生熱水;污水源熱泵機組年耗電量117118（kWh/a）。如果建立燃氣熱水機組的的參照熱水系統，折算年耗電量558231（kWh/a），污水源熱泵系統提供衛生熱水折算年節約電耗441118（kWh/a）;

5.3減少碳排放量，由上述計算得到污水源熱泵系統空調及衛生熱水相對參照系統年節約電耗999349（kWh/a），按《民用建筑綠色性能計算標準》JGJ/T449-2018計算方法，取華東電網基準線排放因子0.35。僅以系統年節約電耗計算，年減少CO2排放量約350噸。如果按不同能源能源種類進行碳排放量計算，減少碳排放量更多。

6..結語

本工程污水源熱泵系統從初投資上看，相較于地源熱泵，無需投資較高的地埋側土壤換熱器系統，初投資低得多;經初步測算污水源熱泵系統設備投資低于的冷水機組+燃氣熱水機組傳統方案系統（沒有了燃氣熱水機組和冷卻塔，增加污水換熱器），污水源熱泵系統節能效果明顯，相對于冷水機組+燃氣熱水機組傳統方案系統空調系統節能率36.25%，衛生熱水節能率更加顯著，相對于燃氣熱水機組節能率達驚人的79%;本項目通過模擬計算，僅以節約電耗計算即可量減少CO2排放量約350噸，污水源熱泵系統符合人們對環境溫室效應關注的歷史潮流，更不要說這是一個變廢為寶的可再生能源利用;本案例克服了一些數據難以準確獲得，利用現有能獲得不是針對性的專業軟件進行模擬計算分析，依然可以得出污水源熱泵系統是經濟及環境效益都非常顯著可再生能源系統。如果項目條件具備，污水源熱泵系統是值得在工程實踐中大力推廣可再生能源系統。

參考文獻：

[1]《地源熱泵技術手冊手冊》徐偉主編ISBN978-7-112-12858-7

[2]《民用建筑能耗分類及表示方法》GB/T34913-2017

[3]《民用建筑綠色性能計算標準》JGJ/T449-2018