某污水源熱泵系統(tǒng)工程設(shè)計及應(yīng)用分析

1、 某污水源熱泵系統(tǒng)工程設(shè)計及應(yīng)用分析劉江濤（陽泉市建筑節(jié)能監(jiān)督管理中心，山西陽泉045000）【摘要】為解決陽泉市某污水源熱泵空調(diào)工程的技術(shù)難題和投資控制，對該工程的取水量、取水方案、污水源熱泵系統(tǒng)集成等進行了設(shè)計計算和分析，而后將污水源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)進行了經(jīng)濟性比較、節(jié)能性比較和環(huán)境影響評價。項目設(shè)計空間節(jié)省量大，構(gòu)思新穎，技術(shù)含量高，和周圍環(huán)境相得益彰?！娟P(guān)鍵詞】污水源熱泵；一體化污水源熱泵機組；污水取水；節(jié)能性比較【中圖分類號】X706【文獻標識碼】B【文章編號】16713702（2012）05005904作者簡介：劉江濤，男，工程師，陽泉市建筑節(jié)能監(jiān)督管理中心主任，主要從事工業(yè)與民

2、用建筑設(shè)計、施工質(zhì)量監(jiān)督管理方面的工作。1引言隨著國家“十二五”規(guī)劃的提出，“節(jié)能減排”成為我國當前的時代主題，城市生活污水冷熱能在建筑節(jié)能技術(shù)中的研究應(yīng)用，受到了日益廣泛的關(guān)注1。城市生活污水作為熱泵冷熱源具有以下優(yōu)點：冬暖夏涼、受氣候影響小、水溫變化幅度??；水量充足，可利用區(qū)域廣闊；機組運行穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟效益明顯；屬于可再生能源，環(huán)境效益顯著24。在國外，污水源熱泵應(yīng)用技術(shù)相對較為成熟，已形成一套較為完備的技術(shù)和經(jīng)驗5，6；在國內(nèi)，污水源熱泵技術(shù)推廣應(yīng)用相對較晚，主要體現(xiàn)在污水源熱泵空調(diào)及衛(wèi)生熱水系統(tǒng)應(yīng)用上，但發(fā)展很快7。目前，雖然尚未實施特大項目的城市污水源熱泵系統(tǒng)，但在全國許多城市已有

3、污水源熱泵示范工程開始申報、建設(shè)或投入使用。2項目概況某工程的污水源熱泵空調(diào)工程是陽泉市首例應(yīng)用城市原生污水作為冷熱源的空調(diào)工程。一期工程空調(diào)面積2.13萬m 2，夏季空調(diào)冷負荷3153kW ，冬季空調(diào)熱負荷2852kW ；二期工程空調(diào)面積2.07萬m 2，夏季空調(diào)冷負荷3096kW ，冬季空調(diào)熱負荷2939kW 。項目場地距市政一級污水總管網(wǎng)僅70m ，管網(wǎng)內(nèi)全年污水流量穩(wěn)定，平均流量約1690m 3/h，污水溫度適宜，取水高差僅6m 。 第30卷2012年第5期案例分析ase AnalysisThe Engineering Design and Application Analysis i

4、n the Sewage Source Heat Pump SystemLIU Jiang-tao(Yangquanbuilding energy saving supervision and management center, Yangquan Shanxi 045000, ChinaAbstract:In order to solve the problem of technology and investment control in the sewage source heat pump which is used in air conditioning engineering in

5、 Yangquan city, the quantity of water, the water solution and integration of sewage source heat pump system has been calculated, analyzed, and then compared with the economic, energy conservation and environment impact assessment between sewage source heat pump system and common system. The project

6、design has saved large space, and is novelty idea, high technical content and matches the form of its surroundings.Keywords:Sewage source heat pump; Sewage source heat pump integration unit; Sewage water; Comparison of energy conservation59-3污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計3.1系統(tǒng)原理根據(jù)空調(diào)負荷要求，項目一期選用間接式污水源熱泵系統(tǒng)8。在夏季制冷工況下，污水溫度比中

7、介水溫度低，高溫中介水通過板式換熱器的對流換熱作用，將熱量傳遞到低溫污水，使高溫中介水的溫度下降，溫度下降后的中介水再輸送至水源熱泵機組冷凝器側(cè)從而完成制冷工況；同理，在冬季制熱工況下，污水溫度比中介水溫度高，高溫污水通過板式換熱器的對流換熱作用，將熱量傳遞到低溫中介水，使低溫中介水的溫度升高，溫度升高后的中介水再輸送至水源熱泵機組蒸發(fā)器側(cè)從而完成制熱工況。其工作原理流程如圖1所示。3.2取水工程設(shè)計1）取水量計算項目地靠近城市污水干管，取水高差僅6m ，污水溫度適宜，污水夏季最高月平均溫度為25，冬季最低月平均溫度在10以上。若取夏季污水設(shè)計取水溫度為25，回水溫度為30。所選熱泵機組在設(shè)計

8、工況下的制冷能效比（EER）為5.3，則所需取水量L 為：L =Q lEER+11C p t（1）式中：Q l 夏季空調(diào)設(shè)計總冷負荷（W ）；EER 制冷能效比；C p 水的定壓比熱容（J/kg·）；t 設(shè)計供回水溫差（）。通過計算可得，夏季空調(diào)系統(tǒng)所需污水量為1277m 3/h，污水水量完全滿足夏季取水要求。若取冬季污水設(shè)計取水溫度為10，回水溫度為5。所選熱泵機組在設(shè)計工況下的制熱能效比（COP ）為4.5，則所需取水量L ' 為：L t =Q rCOP 11p （2）式中：Q r 冬季空調(diào)設(shè)計總熱負荷（W ）；COP 制熱能效比；其他參數(shù)同上。通過計算可得，冬季空調(diào)系統(tǒng)

9、所需污水量為775m 3/h，污水水量同樣滿足冬季取水要求。2）取水方案設(shè)計污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于取水方式的選擇。本項目污水水量充足，取水高差小，取水點位置距離項目地很近。經(jīng)分析和考慮，并結(jié)合當?shù)厥姓?guī)劃要求，最終選擇在項目地附近市政公路旁修建污水換熱泵房，如圖2所示。污水沉淀池緊貼市政污水總管網(wǎng)，同時污水換熱泵房設(shè)置于沉淀池上方。其具有以下優(yōu)勢：污水取水及輸送管道短，輸送熱損失小，管道保養(yǎng)費用相對較低；可有效增加污水沉淀、過濾空間及時間，污水過濾充分；四級沉淀池內(nèi)污水水質(zhì)相比較好，可相對延長換熱器清洗周期及系統(tǒng)維護費用。在污水換熱泵房施工期間，為不影響污水市政管網(wǎng)的正常工作，在市政主干

10、管的施工段設(shè)計了污水取水旁通管，通過閘門井來控制管內(nèi)污水流動。施工結(jié)束后可考慮保留污水旁通管及控制閘門井，以便于后期系統(tǒng)檢修及清理維護，如圖3所示。圖1間接式污水源熱泵工作原理流程圖案例分析ase Analysis60- 圖2污水換熱泵房示意圖3.3污水源熱泵集成系統(tǒng)設(shè)計項目采用自行研發(fā)生產(chǎn)的組合式一體化污水源熱泵機組，它是集水質(zhì)過濾、水質(zhì)監(jiān)測、系統(tǒng)循環(huán)、系統(tǒng)控制、冬夏季運行工況轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)配電、能耗測評、數(shù)據(jù)采集、遠程控制于一體的污水源熱泵集成機組。該機組可有效過濾顆粒物及漂浮物，過濾精度小于1mm ，濾沙量達到90%。機組內(nèi)設(shè)1臺全程水處理器，可有效去除藻類及部分微生物。4污水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用

11、分析4.1經(jīng)濟性分析1）初投資及運行費用為了解污水源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，選用常規(guī)水冷機組+燃氣鍋爐系統(tǒng)與之進行相關(guān)經(jīng)濟性對比，其初投資（不含末端系統(tǒng)費用）及運行費用對比如表1所示。由表1可以看出，采用污水源熱泵系統(tǒng)比采用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)每年可節(jié)約運行費用88萬元，增加的初投資262萬元。2）靜態(tài)回收期N=T （3）式中：N 靜態(tài)回收期（年）；T 增加的初投資費用（萬元）；Q 每年節(jié)約的運行費用（萬元）。可得，靜態(tài)投資回收期為2.98年。3）動態(tài)回收期通過資金回收的折現(xiàn)系數(shù)可以得出污水源熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)金流量（銀行基準利率為6.4%）。其折現(xiàn)系數(shù)計算方法如下：R=11+i（4）式中：R 折現(xiàn)系數(shù)；i 折

12、現(xiàn)率，即銀行基準利率；n 年數(shù)?？梢缘贸?，污水源熱泵系統(tǒng)投資回收的現(xiàn)金流量情況如表2所示。表1初投資及全年運行費用對比方案污水源熱泵系統(tǒng)常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)污水源熱泵節(jié)省費用（萬元）初投資（萬元）685423262全年運行費（萬元）21029888圖3污水取水施工設(shè)計示意圖61-根據(jù)累計現(xiàn)金流量的計算可以求得投資回收期：P t =N 1+AB（5）式中：P t 投資回收期；N 累計凈現(xiàn)金流量開始出現(xiàn)正值的年份數(shù)；A 上年累計凈現(xiàn)金流量的絕對值；B 當年凈現(xiàn)金流量。計算得動態(tài)投資回收期為4.42年。4.2節(jié)能效益分析項目采用污水作為空調(diào)的冷熱源，與常規(guī)空調(diào)方案相比，采用污水源熱泵空調(diào)方式全年運行節(jié)省能耗

13、折合標煤為3.56×105kg ，折合電能為1.02×106kW ·h ，折合一次能為1.04×1010kJ ，節(jié)能效果顯著。相比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，全年運行能耗節(jié)約率為31.8%。燃煤發(fā)電產(chǎn)生的污染物主要有CO 2、SO 2、NO 2、TSP 等。依據(jù)我國現(xiàn)階段燃煤發(fā)電平均水平，每發(fā)電1kW ·h 平均消耗0.4kg 標準煤，其污染物排放定額如表3所示。由以上節(jié)能量的計算分析可以計算，采用污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)全年運行節(jié)省燃煤356t/a，減少CO 2排放938t/a，減少SO 2排放3.04t/a，減少NO 2排放2.64t/a，減少TSP 排放0.

14、58t/a。4.3環(huán)境影響分析本項目污水取水直接取自市政污水一級總管網(wǎng)，夏季空調(diào)取水量為1277m 3/h，冬季空調(diào)取水量為775m 3/h，最佳取水溫差為5。由熱平衡方式可以計算得出污水的溫升。M S ×T j +M t ×T t =M j ×T（6）式中：M S 扣除取水量后的污水流量（m 3/h），即M S =T j M t ；T j 污水溫度（）；M t 退水量（m 3/h）；T t 退水溫度（）；M j 污水流量（m 3/h）；T 退水與污水混合后的溫度（）。經(jīng)計算得出，夏季污水換熱后溫升到28.8，冬季污水換熱后溫降到7.7。項目污水換熱后經(jīng)泄壓井排至

15、污水干管下游，其污水流量和污水水質(zhì)基本沒有改變，僅污水溫度發(fā)生變化。該溫度變化對下游污水處理廠的污水處理工藝基本無影響。同時，由于污水取水點距離污水處理場距離較遠，污水在沿途流動過程中溫度通過與土壤換熱逐漸得到恢復，可認為本項目取排水對市政污水處理無明顯影響。5結(jié)語該項目因地制宜地利用換熱泵房的地下空間設(shè)計了污水取水池，大大節(jié)省了取水空間，有利于改善取水水質(zhì)，減少系統(tǒng)清洗維護費用。項目一期采用自行研發(fā)生產(chǎn)的組合式一體化污水源熱泵機組集成化管理，進一步節(jié)省機房面積及初投資，構(gòu)思新穎，技術(shù)含量高，和周圍環(huán)境相得益彰，是一個符合環(huán)保、節(jié)能的工程設(shè)計。參考文獻1馬最良，姚楊，趙麗瑩. 污水源熱泵系統(tǒng)的

16、應(yīng)用前景J.中國給水排水，2003，19（7）.2林真國. 城市生活污水冷熱資源建筑應(yīng)用研究D.重慶大學博士學位論文，2010，（4）：15.3黃國琦. 城市污水源熱泵的開發(fā)與應(yīng)用J.流體機械，2005，33（6）. 4馮彥剛. 城市污水資源化的研究D.北京工業(yè)大學工學碩士論文，2001，（6）：14.5BaekNc. A Study on the Design and Analysis of a Heat Pump Heating System Using Waste Water as a Heat SourceJ.Solar Energy ，2005，78（3）：421445.6朱明清. 污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計及性能分析D.南京理工大學工學碩士論文，2010，（6）：515.7宋建華. 污水源熱