污水源熱泵技術在承德市污水處理工程中的應用

丁柏順，郭 強，宮秀學

（河北省承德市城市污水處理有限責任公司，河北 承德067000）

1 工程概況

承德市污水處理工程由承德市城市污水處理有限責任公司為建設方承建。廠區(qū)供熱系統(tǒng)原來的設計為燃油鍋爐。由于原設計燃油鍋爐系統(tǒng)從環(huán)保角度、安全角度來說存在諸多弊端：對安全操作要求比較高；需專業(yè)司爐工24h不間斷職守；每年消耗大量寶貴的高質量的燃油且造成一定的大氣污染。為促進安全生產、文明生產、和諧生產并適應承德市環(huán)境保護的需求，決定不采用燃油鍋爐供熱系統(tǒng)，而采用既能供熱，又能制冷的污水源熱泵系統(tǒng)。

污水處理廠建筑分為3部分：①綜合樓；②生產區(qū)廠房；③廠前區(qū)建筑（含機修、倉庫、車庫、食堂、浴室、警衛(wèi)室、門衛(wèi)等）。其中，綜合樓內安裝的是能夠制冷制熱的風機盤管，生產區(qū)安裝的是散熱性能良好的暖氣片；廠前區(qū)除食堂安裝2臺立式風機盤管外，也全部安裝的是散熱性能良好的暖氣片。廠區(qū)實際供暖面積建筑面積為3700m2，按城市供熱收費計算方式，廠房超過3m部分需折合成標準供暖面積進行收費。承德污水處理廠整個供暖區(qū)域折合成標準供暖面積為5300m2，夏季制冷面積為1900m2。

2 系統(tǒng)原理及設計

冬季，污水溫度在11℃～16℃（實際運行監(jiān)測溫度），經過換熱器換熱后回水溫度為7℃～12℃（實際運行監(jiān)測溫度），系統(tǒng)中介水提取污水中的熱量作為水源熱泵機組的熱源，進入熱泵機組冷凝器，熱泵機組蒸發(fā)器與末端水相連，末端水作為供暖系統(tǒng)循環(huán)水，供回水溫度為45℃～40℃。夏季，污水溫度為17℃～22℃（實際運行監(jiān)測溫度）經過換熱器換熱后的回水溫度為19℃～25℃，污水帶走冷卻水中的熱量使之成為水源熱泵機組制冷時的冷源，熱泵蒸發(fā)器仍與末端水系統(tǒng)相連，供回水溫度為7℃～12℃。該系統(tǒng)冬、夏季工況的轉換通過切換熱泵機組系統(tǒng)內四通閥門，改變熱泵機組內介質的走向從而達到取暖和制冷方式的切換，所采用的介質是制冷劑R22。

基于以上的前提條件，選擇了3臺國產水源熱泵機組，其特點：①自控程度高，可人工設定參數，無需人員專門值守；②運行穩(wěn)定，高效節(jié)能；③壓縮機為世界先進的全封閉渦旋壓縮機，保證機組高效可靠的運行；④冷凝器、蒸發(fā)器具有特殊的肋型結構，換熱效率高；⑤系統(tǒng)流程結構簡潔，換熱穩(wěn)定，部件故障少，維修保養(yǎng)簡單，高效換熱器可保證機組在較低的蒸發(fā)溫度下也保持較高的能效。

考慮到污水的取水位置在污水處理的預處理構筑物之前，污水中的懸浮物較多，為了保證其在殼管中滯留的時間短，而其流速要求高，權衡多方面利弊，最后選用國產自攪勻切割式潛水污水泵2臺 (1用1備，單臺流量65m3/h，功率11kW)，定時切換。污水取水池取水通過虹吸取自進入廠區(qū)的污水主管道。通過取水管在管道中的適當布置，既保證了大部分比重較大物質不會通過虹吸進入污水取水池，又保證了大部分密度較小物質也不會進入污水取水池。在此情況下，污水取水池的污水中仍含有大量雜質，經自攪勻切割式潛水污水泵攪勻后提升至換熱器與中介水進行熱交換，然后排入廠區(qū)污水管道。 制熱、制冷圖示[1]見圖1、圖2。

3 運行情況概述

本工程于2008年10月初開始施工，2008年12底月竣工，2009年1月初調試運行，迄今為止已經過2個采暖季、1個空調季，系統(tǒng)運行正常。在日常運行過程之中，無需專人不間斷職守，每隔2h由污水處理廠水區(qū)運行工進行巡視，遇到簡易故障及時排除，至今沒有遇到較大故障。運行過程中，各建、構筑物筑室內溫度均能達到設計要求。

4 項目的優(yōu)點

4.1 節(jié)能

通常，水源熱泵每消耗1kJ的能量，用戶可以得到4kJ以上的熱量或冷量，與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%的電能或70%～90%的燃料內能轉換為熱量供用戶使用，因此水源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能，比燃煤鍋爐節(jié)省1/2以上的能量。由于作為污水水源熱泵的熱源水，全年溫度較為穩(wěn)定，使污水熱泵比傳統(tǒng)空調系統(tǒng)運行效率要高20%以上。

4.2 環(huán)保

污水源熱泵是利用了污水原水作為冷熱源，進行制熱制冷。供熱時省去了燃煤、燃氣、燃油等燃料，減少了CO2、SO2、粉塵顆粒等大氣污染物的排放；供冷時省去了冷卻水塔及其消耗的水量，避免了冷卻塔的噪音及霉菌污染，減少了城市的熱導效應；不產生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵；不污染地下水，不消耗地下水，有效緩解了環(huán)境污染的問題。

4.3 節(jié)資[2]

見表1，表2。

表1 2009年11月15日～2010年3月15日（采暖季）實測數據

表2 2010年6月20日～2010年9月30日（空調季）實測數據

4.4 一機多用

該系統(tǒng)經改造還可以集采暖、空調制冷和提供生活熱水于一身。1套熱泵系統(tǒng)可以替代原有的供熱鍋爐、制冷空調和生活熱水加熱的3套裝置或系統(tǒng)，從而增加了經濟性。

4.5 效果穩(wěn)定

污水的溫度相對穩(wěn)定，其波動范圍遠遠小于空氣的變動，受環(huán)境溫度變化的影響較小，是很好的熱泵熱源和空調冷源，污水溫度較恒定的特性，使熱泵機組運行更可靠、更穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經濟性；不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點問題。

4.6 自控程度高

根據系統(tǒng)特點,選用3臺熱泵機組,根據負荷的波動和人工參數設置，自動選擇壓縮機的啟停，節(jié)能的同時，進一步提高了系統(tǒng)運行效率；運行過程中自控程度較高；管理相對容易；安全可靠，無任何爆炸隱患。

5 運行中的難點和解決措施

試運行期間要對水系統(tǒng)（污水系統(tǒng)、中介水系統(tǒng)、末端水系統(tǒng)）、壓縮機系統(tǒng)（主要指制冷劑R22系統(tǒng)、四通閥門、氣液分離器、干燥過濾器、探頭、絲堵）、電控系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)進行詳細調試，確保調試后能夠較長時間能夠保持穩(wěn)定運行。

污水泵要每隔14d進行一次切換，最大限度地延長使用壽命。工程因為空調站離粗格柵較遠，最后污水取水池定在粗格柵之前，而粗格柵前的污水主管道沒有中途泵站，進廠主管道中無格柵，全靠重力自流進入污水處理廠，因含有大量垃圾，一度造成污水泵燒毀情況出現(xiàn)。經過適當改進污水取水池虹吸管道取水點的高度，保證虹吸管取水口在污水主管道中間位置，確保主管道中大部分較重的沉積物和大部分較輕的漂浮物不會被虹吸至污水取水池。同時，對污水取水池增設了清撈垃圾的平臺，每月對污水取水池進行1次清撈，有效地防止了污水泵因為堵塞而燒毀，但增加了一定的人工。建議有條件的情況下，污水源空調站污水取水池可與粗格柵之后的提升泵房共用，防止污水泵堵塞的同時，還能夠節(jié)省大量的電能。

日常運行中，要把熱泵機組作為核心設備進行日常維護，遇到故障及時處理。要對每臺機組的各種儀表進行監(jiān)測，保證機組穩(wěn)定、高效運行。根據日常運行情況和需要及時調整機組的運行參數，以達到進一步經濟節(jié)能的目的[3]。

6 結語

（1）污水—水源熱泵恒溫系統(tǒng)具有節(jié)水、節(jié)能、環(huán)保等諸多優(yōu)點，符合世界各國城市污水再利用和城市水源問題的大趨勢。承德市在污水處理工程中采用這一技術，對促進環(huán)境保護建設具有重要意義。技術經過深入論證，可以考慮在大型小區(qū)內推廣使用。

（2）利用未經處理的城市污水作為源水的水源熱泵系統(tǒng)在承德市污水處理工程的應用成功，標志著我國污水源熱泵應用技術的又一示范工程成功實施。

（3）污水源空調系統(tǒng)取代燃油鍋爐系統(tǒng)，消除了燃油系統(tǒng)和貯油系統(tǒng)的消防安全隱患，為保證文明生產、安全生產、清潔生產創(chuàng)造了有利條件。

［1］江雄志，趙會芳，劉炳虎.橋東污水廠污水（中水）源熱泵系統(tǒng)設計［J］.中國給水排水，2005，21（12）：74－76.

［2］姚楊，馬最良，趙麗瑩.污水源熱泵系統(tǒng)的設計計算［J］.煤氣與熱力，2005，25（2）： 39－42.

［3］吳學慧，孫德興.城市原生污水源熱泵經濟性分析［J］.暖通空調，2007，37（11）：36－39.