多能互補供能系統中污水源熱泵系統設計要點

蔡春雷，張 磊，訾大鵬，李登功，梁京濤

(1.煙臺市數字化城市管理服務中心，山東 煙臺 264000；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司 第六設計研究院，天津 300381；3.泰安市泰山城區熱力有限公司， 山東 泰安 271000；4.大眾報業(大眾日報社)集團工程維修部，山東 濟南 250014)

1 概述

截至2019年底，北方農村地區清潔供暖率約31%，比2016年提高21.6%。北方農村地區累計完成散煤替代約2 300×104戶，其中京津冀及周邊地區、汾渭平原累計完成散煤清潔化替代約1 800×104戶。

我國北方地區某污水處理廠現狀污水日處理能力為17×104t/d，擴建完成后日處理能力將提升至25×104t/d。根據城市規劃部門要求，優先利用污水處理廠處理后的中水作為冷熱源，組建污水源熱泵+熱電聯供+電驅動冷水機組的多能互補供能系統(簡稱多能互補供能系統)，為污水處理廠附近規劃區域用戶供熱供冷。本文對多能互補供能系統中污水源熱泵系統的設計要點進行分析，對項目存在的問題提出建議。

2 項目概況

規劃區域內住宅及配套建筑供暖裝置為地面輻射供暖系統，供冷裝置為分體式空調器。辦公樓、酒店、商場采用風機盤管加新風系統供暖、供冷。用戶設計冷熱負荷見表1。

為保證污水源熱泵系統安全運行，對中水水質進行分析。典型月跟蹤結果顯示，中水水質滿足GB18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的要求，但部分時間氯離子、氨氮質量濃度偏高，存在易腐蝕不銹鋼、銅質部件的風險[1]。因此，在換熱器材料選擇以及中水與熱泵機組換熱方式上要引起注意。

表1 用戶設計冷熱負荷

3 設計要點

3.1 中水與熱泵機組換熱方式

中水與熱泵機組的換熱方式分為直接式換熱、間接式換熱。采用直接式換熱時，中水經防阻機過濾后直接進入熱泵機組。與間接式換熱相比，直接式換熱沒有中間換熱器的換熱損失及壓力損失，系統運行能效更高。但根據國內工程經驗，中水與熱泵機組采用直接式換熱，運行一段時間后，熱泵蒸發器易出現黏著物，難以清理，因此該項目采用間接式換熱。中間換熱器采用易于拆卸清理的耐壓暢通污水換熱器，考慮到部分時間中水中氯離子、氨氮質量濃度偏高，中間換熱器采用碳鋼材質，并涂敷防腐層。同時采用先進的焊接工藝，保證焊接處平滑無毛刺，使防腐層牢固地粘附在金屬表面，也減少對中水中黏稠物的鉤掛。

由于該項目污水源為處理后的中水，沒有大尺寸顆粒物，因此中間換熱器前不再設置防阻機。中水經中間換熱器換熱后排至污水干渠，經中間換熱器與中水換熱后的清潔中介水進入熱泵機組。中間換熱器布置在能源站內。

3.2 中水取水系統

不僅中水溫度、流量連續變化，建筑負荷也逐時變化，通常二者的變化趨勢相反，為保證熱泵機組穩定運行，需要設置調節池，以穩定中水供應量[2]。中水取水系統見圖1。從檢查井的中水管引出1條支管，依靠重力將中水輸送至調節池。當調節池液面低于中水管液面時，中水可自動流入調節池。當調節池液面與中水管液面持平時，中水不再進入調節池，這種設計的優點是不必設置溢流管[3]。支管出口設置的閘板閥除用于調節中水流量外，還用于在過渡期進行調節池檢修、清理時截斷中水。采用潛水泵取水方式，潛水泵設置在調節池內。潛水泵取水方式安裝布置簡便，工程造價低，適用于空間較小的機房。采用的潛水泵能適應各種水質，安全可靠。

根據對供暖期典型日的分析，中水流量比較穩定，最低流量出現在7:00—9:00。為避免中水流量不足影響熱泵機組正常工作，并留有一定緩沖空間，根據負荷發展，設置2座調節池：近期調節池有效容積400 m3，遠期調節池有效容積1 200 m3。調節池的設計應考慮保溫及排氣功能。

圖1 中水取水系統

4 污水源熱泵系統工藝流程

4.1 設備選型

擴建完成后污水處理廠日污水處理能力為25×104t/d，出于保守，供暖期中水最小質量流量按7 800 t/h考慮，中水供、回水溫度為12、7 ℃。由此，熱泵機組額定制熱量選取60 MW，對應額定制冷量為54 MW。由于規劃區域內用戶設計熱負荷為100.8 MW，因此40.8 MW熱負荷缺口由熱電機組承擔。

根據業主要求，供熱管道兼作供冷管道，但由于冷水循環溫差小，因此需要考慮管徑對冷水流量的限制。供暖期，供暖熱水供、回水溫度為65.0、40.3 ℃，設計熱負荷為100.8 MW，可計算得到供暖熱水設計質量流量為3 510 t/h，供熱管道選取DN 800 mm。供冷期，冷水供、回水溫度為5、11 ℃，熱泵機組額定制冷量為54 MW，可計算得到冷水設計質量流量為7 740 t/h，遠超出DN 800 mm管道的輸送能力，因此，將冷水設計質量流量設定為與供暖熱水相同(為3 510 t/h)，可計算得到熱泵機組制冷量為24.5 MW。

與輸送熱水相比，冷水輸送過程中溫升更加明顯，因此供、回水管各考慮溫升0.5 ℃。為保證熱泵機組進出水溫度為11、5 ℃，用戶側進出水溫度按照5.5、10.5 ℃計算，可為用戶提供冷量20.4 MW。用戶設計冷負荷為74.8 MW，冷負荷缺口54.4 MW可在用戶側設置電驅動冷水機組填補。

4.2 供暖期工藝流程

供暖期污水源熱泵系統工藝流程見圖2。供暖期中水由潛水泵加壓進入中間換熱器，與中介水換熱后溫度由12 ℃降至7 ℃后排至污水干渠。中介水經中間換熱器加熱后，溫度由5 ℃升至10 ℃，作為熱泵機組低溫熱源。熱泵機組出水經加熱器(熱源為熱電機組)加熱后，溫度由55 ℃升至65 ℃。由于地面輻射供暖系統、風機盤管加新風系統的供水溫度不同，供暖熱水供水分別經住宅換熱器、公建換熱器向住宅及配套建筑、公共建筑供暖，放熱后溫度為40.3 ℃的供暖熱水回水進入熱泵機組。

4.3 供冷期工藝流程

供冷期污水源熱泵系統工藝流程見圖3。供冷期中水由潛水泵加壓進入中間換熱器，與中介水換熱后溫度由27 ℃升至32 ℃后排至污水干渠。中介水經中間換熱器冷卻后，溫度由34 ℃降至29 ℃，作為熱泵機組冷源。熱泵機組出口冷水溫度為5.0 ℃，受管道沿程冷損失影響，公建換熱器一級側進口冷水溫度升至5.5 ℃。公建換熱器一級側出口冷水溫度為10.5 ℃，受管道沿程冷損失影響，熱泵機組進口冷水溫度升至11.0 ℃。公建換熱器二級側進、出口冷水溫度為12、7 ℃。不足冷量由電驅動冷水機組補充。

圖2 供暖期污水源熱泵系統工藝流程

圖3 供冷期污水源熱泵系統工藝流程

5 建議

① 供暖與供冷共用管網，一般管徑根據供暖熱負荷確定。由于冷水具有小溫差運行的特點，管徑成為限制冷水輸送能力的關鍵因素。因此，在設計階段，應充分考慮供暖與供冷共用管網的情況。

② 供暖期中水供、回水溫度按10、5 ℃設計，若遇降雪等極端天氣，中水供水溫度易出現過低的情況，可能導致熱泵機組蒸發溫度過低，機組出現無法開啟。為避免這種情況發生，應增設中水預熱裝置，應對供暖期極端天氣。