李瑞霞　李文偉　尤　晶

                                        北京市地質勘察技術院 

    摘要：結合奧運村換熱站的應用實例,介紹了直接式污水源熱泵系統的系統設計流程,指 出直接式污水源熱泵系統在應用中需要針對過濾系統、熱泵機組和自清洗系統進行專門的設 計。分析結果表明直接式污水源熱泵系統技術、經濟可行,具有明顯的節能減排作用。

    關鍵詞：污水源熱泵　換熱站　自清洗系統

    熱泵技術是解決建筑供暖系統節能問題的重 要技術之一,被稱為21世紀的“綠色空調技術”。 

    城市污水中蘊含大量的可利用的廢熱資源,污水源熱泵系統是有效利用污水廢熱資源的一種合理而又可行的系統方式。直接式污水源熱泵系統以城市污水為載體,通過消耗部分電能做功,冬季將蘊藏于污水中的大量低位熱能回收利用,提升能量品位后,為建筑供暖;夏季把室內的熱量取出,釋放到水中,以達到制冷的目的。

    1　工程概況

    1.1　工程介紹

    奧運村再生水熱泵冷熱源項目的換熱站位于森林公園西北側、清河南岸附近,是該項目再生水處理、換熱并將熱能輸送至奧運村的核心建筑,圖 1為其外觀圖。換熱站內有過濾器、換熱器、水泵等重要設備和供電、自控系統及管理人員用房等。總建筑面積1 250 m2,建筑高度6 m,總供暖、供冷面積約為1 147 m2。

    1.2　冷、熱負荷

                   

                                                 圖1奧運村換熱站外觀圖

    本項目換熱站為獨棟建筑,周圍沒有任何遮 擋,同時該建筑不是按照節能建筑規范要求建設的 節能建筑,夏季冷負荷指標取150 W/m2,冬季熱 負荷指標取100 W/m2。總冷負荷為172 kW;總 熱負荷為115 kW。

    1.3　水源條件

    奧運村換熱站內設有一3 000 m3的污水蓄水 池作為奧運村再生水熱泵冷熱源工程的水源,污水 來源為清河污水處理廠的二級排水,本項目自污水 蓄水池內取水作為直接式污水源熱泵系統的冷熱 源。平時水質較好,接近二級水水質;雨季或雪季 會有部分雨雪水及未處理的污水混入,水質較差, 略差于三級水水質。表1給出了北京地區二級水 和三級水水質的標準。

              

    對本項目水源取樣測量,其中Cl-的質量濃度 為137.25 mg/L,SO2-4的質量濃度為154.89 mg/L。 通過實地測試,該水源冬季最低溫度不低于 12.5℃,夏季最高溫度不高于26℃,是良好的熱 泵冷熱源。

    本項目規模較小,水源水量充足,完全可以滿 足項目水量的要求。

    2　系統設計

    2.1　污水源熱泵系統原理簡介

    污水源熱泵系統是水源熱泵的一種工程應用方式,冬季通過輸入少量的電能做功,從污水中提取熱量,并將熱量轉移到供暖循環水中實現供暖; 夏季通過熱泵系統將房間內的熱量轉移到污水中, 實現供冷。具有清潔環保、高效節能等優點。根據污水是否進入熱泵機組換熱器,可以將污 水源熱泵系統分為直接式和間接式兩種。

    直接式污水源熱泵系統沒有間接換熱帶來的 熱量損失,水源利用溫差大,系統效率高。污水進入熱泵機組前需配置自清洗過濾系統。由于污水的腐蝕、結垢特性,熱泵機組蒸發器、冷凝器均需進行專門的防腐、防垢、防堵塞設計并需配置專門的自清洗系統。

    間接式污水源熱泵系統通過換熱器間接提取污水中的熱量,換熱器需要根據污水水質進行相應的防腐、防垢、防堵塞設計,污水進入換熱器前需配置相應的自清洗過濾系統,采用板式換熱器的間接式污水源熱泵系統對自清洗過濾系統的要求更高。間接式污水源熱泵系統的熱泵機組選型簡單,熱泵機組的效率、項目投資更容易控制。

    2.2　系統方案設計

    本項目采用直接式污水源熱泵系統。污水進入熱泵機組前設置自清洗過濾器對污水進行過濾處理;配置在線自清洗裝置對熱泵機組換熱器定時進行在線自清洗,從而保證機組的換熱效率。系統原理圖如圖2所示。

                    

    2.3　污水需求量

    冬季,熱泵從污水中提取熱量,污水可用溫差 按5℃(12.5℃/7.5℃)計算,設計工況下熱泵的 性能系數COP取4,計算得污水需求量為14.8 m3/h。

    夏季,熱泵向污水中排放熱量,污水可用溫差按 5℃(26℃/31℃)計算,設計工況下熱泵的性能系數COP取5,計算得污水需求量為35.5 m3/h。根據夏季污水需求量研究項目取水量為35.5 m3/h。

    2.4　系統參數設計

    室外溫度隨時間的波動情況見圖3,相對供熱負荷與室外溫度的變化關系曲線見圖4。

                  

    本項目系統末端采用風機盤管,為提高熱泵機 組的效率,夏季冷水設計供/回水溫度為7℃/12 ℃;冬季熱水設計供/回水溫度為45℃/40℃。 因常規風機盤管額定供熱工況的供/回水溫度為60℃/50℃,因此本項目在選擇風機盤管時需 針對系統熱水設計供/回水溫度進行風機盤管的校 核選型,以滿足系統要求。

                

    2.5　主要設備配置

    1)過濾器

    為保障后端熱泵機組換熱器的換熱性能,針對 污水水質情況,在本項目中設置了兩級過濾裝置。一級為毛發集結器,主要用于過濾污水中的毛發及 粗大顆粒污雜物;二級過濾器采用精度為500μm 的自清洗過濾器。

    2)熱泵機組

    選擇1臺滿液式熱泵機組,換熱管材為鎳銅合金,進行防腐設計。

    3)自清洗系統

    因污水經過濾后直接進入熱泵機組換熱器,長期運行換熱器內必然會結垢,導致換熱量下降,為保證機組的換熱效率,需定期對熱泵機組換熱器進行清洗。常用的物理清洗法及化學藥劑清洗法均需停機清洗,不僅費時費力,且長期清洗對機組換熱器有一定的磨損或腐蝕,影響換熱器使用壽命膠球在線自清洗系統無需停機即可對機組換熱器 進行即時清洗,保證了換熱器的換熱效率。在本項 目中選擇了膠球在線自清洗系統進行機組換熱器內換熱管的在線自清洗。

    4)其他主要設備(見表2)

    3　工程完成情況

    本工程已投入運行兩個供暖季,一個制冷季。 筆者對選用的設備、熱泵機組的運行狀況進行了系統、詳細的監測,結果表明系統運行狀況良好。

           

    4　能源費用測算

    每年供冷季(5月15日~9月15日)和供暖季 (11月15日~3月15日)均按120天計算,電費取 0.5元/(kWh),計算得單位面積供暖費用為12.4 元/(m2·a),供冷費用為14.1元/(m2·a),總費 用為26.5元/(m2·a)。

    5　節能、減排效益分析

    直接式污水源熱泵系統在環境保護、節能減排上效益突出。冬季北京的大氣環境污染物主要是燃煤排放的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及粉塵等,采用污水源熱泵供暖、供冷,以少量清潔的電能消耗,帶來3~5倍的清潔熱能,沒有就地污染,有利于大氣環境保護。

    據測算,與燃煤供暖相比,該系統每年節約的能源折合為燃煤約18 t,減排CO24. 25 t, CO 0.03 t,SO2,NOx0.83 t,粉塵0.20 t。夏季制冷無需冷卻塔,避免了噪聲、飄水、視覺 污染以及“熱島”效應等問題,每個供冷季節水約 350 t。實現了空調制冷“零”排放、無污染。可見,直接式污水源熱泵系統是一種新型的綠 色環保的能源利用方式。

    6　結語

    城市污水溫度夏季比環境溫度低,冬季比環境 溫度高,是良好的熱泵冷熱源。采用直接式污水源熱泵系統為建筑供暖、供冷需根據污水水質設計過濾系統、熱泵機組和自清洗系統。本文通過項目實例說明,直接式污水源熱泵空調系統技術、經濟可行,具有明顯的節能減排作用。