城市地下污水源模塊熱泵機組的應(yīng)用案列

文/黃慶鴻

1 概述

污水源熱泵模塊機組采用水氟授熱方式，以城市污水或江河湖水為冷熱源介質(zhì)的中央空調(diào)機組，通過從污水中攫取大量冷、熱能量去滿足建筑物供冷、供熱的需求。該系統(tǒng)采用多臺渦旋圧縮機組合而成，但每臺壓縮機組可成為一個系統(tǒng)回路，每個系統(tǒng)都采用電子膨脹閥節(jié)流，控溫準(zhǔn)確；蒸發(fā)器與冷凝器均采用殼管式換熱器，換熱效率高，效果好。該機組采用模塊設(shè)計，現(xiàn)場可以多機組并聯(lián)安裝使用，控制采用集中控制，操作簡單快捷。

2 項目來源

2009年7月8日，接到蘇州蘇暖中央空調(diào)系統(tǒng)服務(wù)公司委托定制蘇州市建設(shè)局污水源熱泵模塊空調(diào)主機的任務(wù)。由于該項目是蘇州市政府的3大建筑節(jié)能改造示范項目之一，除了要求正?？照{(diào)主機所需的技術(shù)指標(biāo)以外，還必須比正常的節(jié)能指標(biāo)提高1～2個COP值，以滿足該建筑總體節(jié)能率65%以上的指標(biāo)。

3 產(chǎn)品用途

城市污水是一種相對穩(wěn)定的恒溫源，主要是二級水以及中水，這也是一種相對穩(wěn)定的能源來源，通常夏季溫度穩(wěn)定在22 ℃左右，冬季溫度在12～15 ℃上下，低于海水、地表水和地下水的溫度。以蘇州干將路的某釋放井的污水流量約400～600 t/h，但該項目只需100 t/h的流量污水引入室內(nèi)一體機，便可夏季做空調(diào)的冷卻、冬季做采暖的熱源。鑒于此，美國斯圖華納上海分公司研制了一種模塊化數(shù)碼變?nèi)萘吭鷳B(tài)污水源模塊冷熱水空調(diào)機組，使污水先通過防阻機去除浮游物質(zhì)，再使處理后的清水流入專用換熱設(shè)備，冬季由熱泵提取城市污水中的熱量，為建筑物提供熱量；夏季將建筑物的熱量排至污水，為建筑物提供制冷。與此同時，夏季還能為建筑物制冷時回收冷凝熱量，提供免費生活熱水，從而變廢為寶。

4 設(shè)備性能及參數(shù)

（1）采用多臺獨立系統(tǒng)的全封閉壓縮機為模塊化設(shè)置，可減輕啟動負荷，極端滿負荷僅占了整個運營期的10%～15%左右，因而只占正常運營所耗電能的85%～90%。在該項目中采用丹佛斯國際品牌6臺壓縮機總能耗97 kW，而實際運營為82.45 ～87.3 kW左右。

（2）蘇州地區(qū)原生污水冬季水溫比北方低2～3 ℃，不宜采用常規(guī)的換熱器，我研制了專用于污水源的水氟滿溢式換熱器，既提高了換熱效果，又清洗方便，為直接利用原生污水在熱泵空調(diào)中的進一步推廣，提供了技術(shù)上和實踐上的可靠保障。

（3）污水換熱器的氟側(cè)為6個獨立的滿溢式蒸發(fā)系統(tǒng)，共用一個污水系統(tǒng)，而每個滿溢式蒸發(fā)系統(tǒng)都有獨立的回油裝置，保證蒸發(fā)時壓縮機系統(tǒng)的油能順利返回壓縮機，從而保護了壓縮機進行可靠的運行。

（4）采用先進的人性化的微電腦模擬遠程控制，使整個運營能耗曲線（包括污水狀況）都能一目了然，因而操作、維護、管理等既簡單又方便。

（5）系統(tǒng)綜合的COP值必須達到4以上（圖1）。

圖1 污水源模塊機組在現(xiàn)場的應(yīng)用圖片

5 污水源利用設(shè)計

根據(jù)夏、冬季節(jié)冷熱負荷設(shè)計工況分別計算污水最大設(shè)計用量：

冬季供暖工況：模塊機組從污水中提取熱量，污水源作為熱泵的低溫?zé)崃?，?2 ℃利用到7 ℃，可用溫差按5 ℃計，則空調(diào)模塊機組出水48 ℃ ，進水43 ℃，室內(nèi)風(fēng)機盤管出風(fēng)溫度42 ℃左右，房間溫度24～25 ℃。在此設(shè)計工況下熱泵的能效比COP取4, 計算再生水需求量為290 m3/h 。

夏季供冷工況：污水源側(cè)進水溫度18～22 ℃，污水源出水溫度23～27 ℃，熱泵向污水中排放熱量，污水利用溫差按5 ℃計，空調(diào)模塊機出水7 ℃、回水12 ℃，室內(nèi)風(fēng)機盤管出風(fēng)溫度17～18 ℃，室內(nèi)溫度控制在24～26 ℃，在此設(shè)計工況下熱泵的能效比COP取5，計算再生水需求量為305 m3/h（圖2）。

圖2 污水源熱泵冷熱水系統(tǒng)原理圖

6 實際運行情況

冬季，蘇州住建局大樓污水熱泵系統(tǒng)于2009年12月中旬進行初次調(diào)試，12月底試運行，并于2010年1月16日正式投于運行“開啟”空調(diào)。當(dāng)時的室外溫度為-4～-6 ℃，污水溫度保持在9 ℃以上。經(jīng)開機運行后，室內(nèi)溫度逐漸回升并保持在25 ℃上下，達到了設(shè)計要求。

夏季，2010年夏季污水源側(cè)進水18～22 ℃， 污水源出水溫度23～27 ℃，室內(nèi)轉(zhuǎn)移的熱量令污水水溫度提升了5 ℃左右，空調(diào)模塊機組出水7 ℃，回水12 ℃，室內(nèi)風(fēng)機盤管的出風(fēng)溫度17～18 ℃，室內(nèi)溫度控制在24～26 ℃左右很好的滿足了舒適性、節(jié)能性的需求。 已運行了2個月，也達到了設(shè)計要求（圖3）。

圖3 污水源熱泵設(shè)備運用圖

7 項目成果與意義

（1）蘇州市在2010年1月16日召開全市建筑節(jié)能工作會議之際，由副市長帶與會者見識了“污水‘開啟’空調(diào)，屋頂建起電站”的3個樣板式的節(jié)能新技術(shù)，鑒于污水源熱泵中央空調(diào)不斷吹出徐徐暖風(fēng)，并幫助住建局辦公樓節(jié)省了40%的空調(diào)能耗，且對環(huán)境傷害最小的特點而得到了市政府及與會者的認(rèn)可。

（2）污水源熱泵技術(shù)具有明顯的節(jié)能效果。該項目成功運行已預(yù)計每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤20 t，減少CO2排放量約8.8 t，減少向大氣環(huán)境排放廢熱約5.0×102kcal/h。

（3）城市污水源熱能利用屬可再生能源利用技術(shù)，具有水量穩(wěn)定，引用便捷，且不受季節(jié)的影響，取之不盡，用之不竭，變廢為寶，具有明顯的經(jīng)濟性，省卻了冷卻塔 、燃煤、燃氣、燃油等附加設(shè)備，從而 降低了設(shè)備投資的費用。

（4）采用城市污水熱能利用系統(tǒng)，可以一機多用：供熱、供冷、供熱水，不用一切燃料、燃氣，因而無煙塵廢氣排放等問題，況且對城市污水還能進行回收和凈化，這對減輕大氣污染和保護環(huán)境具有明顯的效果，是名符其實的環(huán)保型空調(diào)系統(tǒng) 。