可再生能源在居民建筑的應(yīng)用

付本田 高建海

摘要：采用污水源熱泵建立一個(gè)供熱站為小區(qū)供暖。污水源熱泵技術(shù)是利用經(jīng)污水處理廠處理后的污水中的低品位能源，用于采暖的能源形式。冬季，把污水中的熱量“取”出來(lái)，供給室內(nèi)采暖，此時(shí)污水為“熱源”。

關(guān)鍵詞：污水源熱泵技術(shù) 可再生能源 節(jié)能 減排

可再生能源建筑應(yīng)用示范工程是由財(cái)政部和住房城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合組織實(shí)施的，目前已經(jīng)取得了不錯(cuò)的效果，不僅提升了可再生能源建筑的應(yīng)用技術(shù)，也增加了應(yīng)用面積，在部分地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。筆者在此以山海關(guān)水郡御景小區(qū)工程為例，詳細(xì)探討并實(shí)現(xiàn)污水源熱泵站這一可再生能源在實(shí)際建筑中的應(yīng)用。

1 工程概況

該工程位于秦皇島市山海關(guān)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，建筑面積16.1295m2，其中居住15.5255萬(wàn)平方米，公建6040m2。當(dāng)?shù)貨](méi)有開(kāi)通市政供熱，又不允許上燃煤鍋爐，所以如何解決此區(qū)域的冬季供暖成為急迫的問(wèn)題。緊鄰小區(qū)的東面是石河，石河對(duì)面有一座污水處理廠，日處理能力8t?，F(xiàn)討論采用污水源熱泵建立一個(gè)供熱站為小區(qū)供暖。污水源熱泵技術(shù)是利用經(jīng)污水處理廠處理后的污水中的低品位能源，用于采暖的能源形式。冬季，把污水中的熱量“取”出來(lái)，供給室內(nèi)采暖，此時(shí)污水為“熱源”。

1.1 污水條件

山海關(guān)污水處理廠的城市污水原水來(lái)源主要為生活廢水，匯流面積大，污水原水流量具有小時(shí)變化規(guī)律明確、日流量相對(duì)穩(wěn)定、隨著山海關(guān)區(qū)規(guī)模的擴(kuò)大，呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)等特點(diǎn)。

根據(jù)《污水再生利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50335-

2002）中污水水質(zhì)控制指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，山海關(guān)污水處理廠的排放水質(zhì)完全滿足污水源熱泵的工藝要求。秦皇島市污水處理廠的監(jiān)測(cè)資料顯示，冬季城市污水的溫度在10～16℃，比同期的室外氣溫冬季要高，且日變幅較小，故可以作為熱泵系統(tǒng)良好的熱源。將水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)與城市污水結(jié)合，在擴(kuò)大城市污水利用范圍，拓展城市污水治理效益方面具有深遠(yuǎn)意義。

1.2 污水源熱泵技術(shù)簡(jiǎn)介

污水源熱泵技術(shù)容易受很多因素的影響，比如水溫、水質(zhì)、熱泵機(jī)組性能、水量等，所以在實(shí)際的應(yīng)用該技術(shù)的過(guò)程中需要考慮很多的環(huán)節(jié)。為了保證工程的順利進(jìn)行，我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)中應(yīng)該充分考慮間接式和直接式污水源熱泵技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)，然后選擇合適的設(shè)備。城市排熱的一種重要渠道就是城市污水，近年來(lái)，人們的生活水平不斷的提高，隨之增加的還有城市污水排水量和排熱量，有資料顯示，我國(guó)城市總排熱量的10%～16%是由各大城市污水排熱量組成的，而日本東京城市的這個(gè)數(shù)據(jù)甚至高達(dá)了39%。

1.3 工程設(shè)計(jì)原理

1.3.1 污水源熱泵設(shè)計(jì)原理

本工程利用污水中品位較低的能量，冬季為熱泵機(jī)組提供低溫?zé)嵩?，將污水中低位能量轉(zhuǎn)化為高位能量，供給末端采暖使用和制備生活熱水。

1.3.2 系統(tǒng)工藝流程

通過(guò)污水泵，蓄水池處理完畢的污水直接進(jìn)入熱泵機(jī)組，作為冷熱源用于供暖。

污水提取工藝按如下工序進(jìn)行：

蓄水池→污水循環(huán)泵→污水源熱泵→機(jī)組管道→輸送排入管溝

2 工程技術(shù)分析

2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1.1 冷熱負(fù)荷估算

水郡御景小區(qū)為節(jié)能建筑設(shè)計(jì)，選用優(yōu)質(zhì)隔熱保溫材料，減少了能量損耗，根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)本建筑達(dá)到節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)65%。外墻保溫采用外貼聚苯板保溫：370外墻為70mm厚，外墻傳熱系數(shù)K=0.448W/（m2.k），山墻70mm厚，外墻傳熱系數(shù)K=0.448W/（m2.k），凸窗挑板外貼80mm厚聚苯保溫板，傳熱系數(shù)K=0.50W/（m2.k）。屋面采用

145mm厚聚苯板保溫，傳熱系數(shù)K=0.4W/（m2.k）。

地面下從外墻內(nèi)側(cè)起2米范圍內(nèi)鋪設(shè)70mm厚聚苯保溫板，首層陽(yáng)臺(tái)地板下鋪80mm厚聚苯保溫板，樓面為地盤管露面，20mm厚聚苯板保溫，分戶樓板傳熱系數(shù) K=1.2W/（m2.k）。

外門窗采用無(wú)色中空玻璃塑鋼窗（6+12+6），傳熱系數(shù)K=2.5W/（m2.k），直接對(duì)外塑鋼門下部分芯板內(nèi)貼35mm厚聚苯板保溫，傳熱系數(shù)K=1.35W/（m2.k）。外門窗的氣密性等級(jí)不低于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7107-2002規(guī)定的Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即每米縫長(zhǎng)空氣滲透量：QL？芨2.5立方米/（m.h）

本項(xiàng)目建筑熱負(fù)荷指標(biāo)取50W/m2。

采暖熱負(fù)荷計(jì)算

Qn=qn×A

式中：Qn為采暖熱負(fù)荷，單位：kW；qn為建筑面積熱負(fù)荷，取50 W/m2；A為建筑面積；單位：m2。

采暖熱負(fù)荷Qn=qn×A=50×161295=8064（kW）；

熱水負(fù)荷取10W/m2。所以，初步設(shè)計(jì)供熱總負(fù)荷為9676kW。

2.1.2 污水用量設(shè)計(jì)計(jì)算

熱泵機(jī)組的制熱量或制冷量與所耗功率之比稱為能效比，即COP（能效比，性能系數(shù)），它是表示制熱效率或制冷效率的能耗指標(biāo)。一般家用空調(diào)器的COP約在2.5～2.8之間，而熱泵機(jī)組的COP則可達(dá)到5.0-7.0左右。

同方人工環(huán)境有限公司提供的滿液式污水源熱泵SGHP1600M型的參數(shù)為：制熱量1621kW，制熱COP為5.0。

制熱工況：冬季，需要從污水提熱的熱泵系統(tǒng)的負(fù)荷為9676kW，計(jì)算污水需求量為：

Gn=Qn×（1+1/COP）/c/Δt

式中：Gn為冬季污水需要量，單位：m3/h；Qn為空調(diào)冷負(fù)荷，單位：kW；COP為能效比，取4.9；c為水的熱容，取1.163kJ/（kg·K）；Δt為污水進(jìn)出口溫差，8℃。

所以，冬季污水需要量為：Gn=9676×（1-1/4.9）/1.163/8

=827（m3/h）

設(shè)計(jì)污水水量選取較大的污水量，即827m3/h。熱泵系統(tǒng)的冬季污水需求量小于污水處理廠的設(shè)計(jì)規(guī)模8萬(wàn)m3/d（3300m3/h）。若是能充分利用東郊污水處理廠的污水作為熱源，用污水源熱泵可以為污水處理廠周邊約50萬(wàn)平方米的建筑供暖。

2.2 技術(shù)方案

本方案采用污水源熱泵機(jī)組為住戶提供熱源，末端用地板輻射采暖。地板輻射采暖的優(yōu)勢(shì)。

2.2.1 節(jié)能

分析各種采暖方式室內(nèi)溫度梯度的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，最適合的采暖方式就是地板輻射采暖方式，所以地板輻射采暖房間內(nèi)的室內(nèi)溫度在比一般散熱器采暖的溫度低2-3℃的時(shí)候就可以達(dá)到同樣舒服的效果。以秦皇島地區(qū)室外采暖計(jì)算溫度為-9℃，室內(nèi)采暖計(jì)算溫度為18℃計(jì)算，則地板采暖計(jì)算熱負(fù)荷可降低9.23-11.1%，采用分戶計(jì)量后地板輻射采暖可節(jié)能約35%。因?yàn)楣┧疁囟鹊?，所以有利于使用低溫?zé)嵩础?/p>

2.2.2 舒適

地板采暖系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，因?yàn)樗鼰崛萘看?，混凝土的蓄熱功能?qiáng)。并且地面輻射熱非常有益于人體的健康，同時(shí)通過(guò)人為的創(chuàng)造人體感到舒服的溫度，使人感到舒適感。

2.2.3 美觀

由于使用該系統(tǒng)不需要散熱器和管道，客觀上增加了每個(gè)單元的使用面積，同時(shí)由于沒(méi)有散熱器和管道，還更有利于裝修，方便創(chuàng)造出更加美觀的室內(nèi)環(huán)境。

2.2.4 地板輻射采暖適合分戶計(jì)量節(jié)能設(shè)計(jì)

管道的布置、系統(tǒng)的阻力值的確定均可根據(jù)不同情況，不同的要求由設(shè)計(jì)人自己決定，管材的使用壽命無(wú)論國(guó)外還是國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家均承諾為50年，住宅建筑規(guī)范規(guī)定住宅建筑的設(shè)計(jì)壽命為50年，滿足國(guó)家規(guī)定。

2.3 數(shù)據(jù)采集方案

2.3.1 集中控制系統(tǒng)

為了確保污水源熱泵供暖系統(tǒng)節(jié)能減排的實(shí)現(xiàn)，本方案設(shè)置計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，它有如下功能：

①集中監(jiān)控

由于設(shè)備管理人員需要及時(shí)了解并調(diào)整各設(shè)備的運(yùn)行情況和數(shù)量，關(guān)閉不需要運(yùn)行的設(shè)備，降低能耗。

②故障自動(dòng)診斷

系統(tǒng)設(shè)備多，布置分散，自動(dòng)診斷設(shè)備是否發(fā)生故障的功能可以實(shí)現(xiàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障并排除。

③自動(dòng)記錄分析運(yùn)行數(shù)據(jù)

為了進(jìn)行系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性比較，須記錄運(yùn)行期間準(zhǔn)確、翔實(shí)的數(shù)據(jù)。只有設(shè)置集中監(jiān)控才可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)、記錄的功能，同時(shí)還可以提高管理水平和工作人員的勞動(dòng)效率。

2.3.2 節(jié)能措施

控制系統(tǒng)包括循環(huán)水控制、水源水控制、熱泵機(jī)組控制。多種設(shè)備相互影響，相互作用。在利用設(shè)備自帶微處理器控制保證設(shè)備最佳運(yùn)行的基礎(chǔ)上，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)通信功能，通過(guò)各個(gè)控制回路之間信息的交換，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)化運(yùn)行。本系統(tǒng)要考慮污水源熱泵取水溫度、流量與熱泵效率等。熱泵大部分時(shí)間（70%）內(nèi)負(fù)荷低于設(shè)計(jì)負(fù)荷的60%，通過(guò)控制系統(tǒng)提高部分負(fù)荷下熱泵機(jī)組的效率對(duì)系統(tǒng)能耗降低有明顯的效果。

機(jī)組啟?？刂疲嚎照{(diào)水循環(huán)泵與水源熱泵空調(diào)主機(jī)一一相對(duì)應(yīng)，當(dāng)負(fù)荷較小時(shí)，將停止一臺(tái)主機(jī)運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)先控制一臺(tái)主機(jī)停止運(yùn)行，經(jīng)30秒延時(shí)后控制系統(tǒng)控制相應(yīng)的水泵停止運(yùn)行，同時(shí)控制系統(tǒng)控制相應(yīng)機(jī)組水源水和循環(huán)水入水管上電動(dòng)兩通閥關(guān)閉，可以起到節(jié)能的目的；當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)需要增加一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，控制系統(tǒng)控制相應(yīng)機(jī)組水源水和循環(huán)水入水管上電動(dòng)兩通閥開(kāi)啟，同時(shí)控制相應(yīng)的循環(huán)水泵啟動(dòng)，經(jīng)30秒延時(shí)后控制系統(tǒng)控制相應(yīng)的機(jī)組投入運(yùn)行。

機(jī)組保護(hù)：每臺(tái)水源熱泵空調(diào)主機(jī)的冷熱水進(jìn)水管和水源水進(jìn)水管上分別設(shè)有1個(gè)水流開(kāi)關(guān)，水流開(kāi)關(guān)與主機(jī)連鎖。當(dāng)進(jìn)水量低于主機(jī)要求的最低水量時(shí)，主機(jī)將自動(dòng)關(guān)閉。

補(bǔ)水泵控制：在定壓補(bǔ)水罐上增加一壓力變送器來(lái)測(cè)量定壓補(bǔ)水罐內(nèi)壓力，控制系統(tǒng)根據(jù)壓力變送器測(cè)得的壓力值與補(bǔ)水壓力低限設(shè)定值比較，當(dāng)?shù)陀谘a(bǔ)水壓力低限設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)補(bǔ)水泵，直到達(dá)到高限設(shè)定值。

機(jī)組運(yùn)行方式：機(jī)組內(nèi)部運(yùn)行控制由機(jī)組內(nèi)部自動(dòng)完成，當(dāng)設(shè)定為外部信號(hào)啟?？刂茣r(shí)，機(jī)組根據(jù)外部信號(hào)的狀態(tài)來(lái)控制機(jī)組啟停。

水源水泵控制：為減少水源水量和節(jié)省電能的目的，水源水采用恒壓變頻供水方式，在每臺(tái)主機(jī)水源水側(cè)的進(jìn)水管上設(shè)有電動(dòng)兩通閥，并在水源水總管上安裝一壓力變送器，其中一臺(tái)潛水泵由變頻器控制?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)壓力變送器測(cè)得的壓力值經(jīng)PID計(jì)算輸出一模擬信號(hào)控制變頻器的輸出頻率以達(dá)到恒定壓力的目的，當(dāng)運(yùn)行水泵不能滿足供水量時(shí)自動(dòng)工頻投入另一臺(tái)水泵運(yùn)行。

供回水壓差控制：循環(huán)水集分水器之間安裝一壓力調(diào)節(jié)閥和壓差變送器，控制系統(tǒng)根據(jù)測(cè)得的壓差經(jīng)過(guò)PID計(jì)算后控制壓力調(diào)節(jié)閥開(kāi)度以平衡壓力的目的。

3 工程效益風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1節(jié)能預(yù)測(cè)分析

污水熱泵將污水熱能連同機(jī)組所耗電能一并轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，系統(tǒng)能效比達(dá)4.2以上。污水熱泵機(jī)組利用溫度相對(duì)穩(wěn)定污水熱能，與空氣源熱泵機(jī)組相比，夏季冷凝溫度低、冬季蒸發(fā)溫度高，能效比和性能系數(shù)大大提高，而且運(yùn)行狀況穩(wěn)定。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

上述方案設(shè)備1808萬(wàn)元，機(jī)房及地板采暖系統(tǒng)安裝806萬(wàn)，污水管道鋪設(shè)及室外管網(wǎng)446萬(wàn)，投資合計(jì)3060萬(wàn)元。

按照秦皇島地區(qū)取暖費(fèi)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)6.97元/m2/月計(jì)算，小區(qū)每年收取取暖費(fèi)540萬(wàn)元（6.97元×5個(gè)月×15.5萬(wàn)m2）

盈利356.4萬(wàn)元/年（540萬(wàn)元-183.6萬(wàn)元）

預(yù)計(jì)8.5年收回成本（3060萬(wàn)元/356.4萬(wàn)元）

3.3 環(huán)境影響分析

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，隨著秦皇島市的工業(yè)發(fā)展和旅游的過(guò)度開(kāi)發(fā)，大氣環(huán)境污染日益嚴(yán)重，尤其是在冬季采暖季。造成大氣環(huán)境污染的原因主要是能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以煤為主；而煤炭的消耗大部分又是用于冬季采暖。因此，如何在采暖供熱方式的選擇上突出環(huán)境保護(hù)的制約，具有重要意義。污水熱泵項(xiàng)目無(wú)需鍋爐，沒(méi)有燃燒過(guò)程，不存在固體廢棄物、有毒有害氣體及煙塵排放等問(wèn)題，不消耗水資源，不污染地下物質(zhì)，因而是環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)。

據(jù)測(cè)算，本項(xiàng)目若用污水源熱泵，每年可節(jié)約燃煤8851噸，每年減少向大氣排放二氧化碳（CO2）5966噸，二氧化硫（SO2）177噸，粉塵88噸；環(huán)境效益非常明顯。

3.4 項(xiàng)目推廣前景分析

秦皇島市山海關(guān)污水處理廠的污水處理能力為8萬(wàn)m3/d，若污水熱泵技術(shù)得以充分利用，可為約50萬(wàn)平方米的建筑供暖和制冷，若輔以建筑節(jié)能的措施，其發(fā)揮的作用更為可觀。并且可至少替代標(biāo)煤27939萬(wàn)余噸，年減少二氧化碳排放（CO2）18769萬(wàn)余噸、二氧化硫（SO2）556噸，粉塵278噸，有著巨大的推廣前景。

本項(xiàng)目的建成，還將對(duì)今后的污水利用起到示范、促進(jìn)和推動(dòng)作用，特別是對(duì)秦皇島市其它污水處理廠及周邊地區(qū)利用污水實(shí)現(xiàn)供暖和供冷提供借鑒。

3.5 項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)分析

水源熱泵技術(shù)是成熟技術(shù)，在歐美上世紀(jì)80年代開(kāi)始使用，在全世界得到大力推廣，國(guó)內(nèi)外水源熱泵實(shí)際工程的普遍應(yīng)用充分證明了一點(diǎn)。對(duì)于本項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)，從以下幾方面進(jìn)行分析，針對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)采取相應(yīng)對(duì)策。

3.5.1 污水水量保障

在其它地區(qū)應(yīng)用污水源熱泵時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)污水水量不能保障的情況。本項(xiàng)目污水處理廠污水處理設(shè)計(jì)規(guī)模為8萬(wàn)m3/d，滿足本工程污水設(shè)計(jì)量41088m3/d（1712m3/h）的要求。

3.5.2 污水溫度保障

秦皇島市山海關(guān)污水處理廠的監(jiān)測(cè)資料顯示，冬季城市污水的溫度在10～16℃，夏季城市污水的溫度在20～25℃之間，比同期的室外氣溫冬季要高而夏季要低，且日變幅較小，故可以滿足污水源熱泵運(yùn)行的要求。

3.5.3 系統(tǒng)維護(hù)保障

經(jīng)過(guò)優(yōu)化，污水源熱泵系統(tǒng)只在冬季和夏季運(yùn)行，因此污水取水排水系統(tǒng)、污水輸送系統(tǒng)及熱泵機(jī)組均有檢修期，因此本系統(tǒng)的運(yùn)行模式也提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

從以上分析可以看出，本項(xiàng)目基本上不存在風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

第一，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和推廣應(yīng)用可再生能源，是黨中央、國(guó)務(wù)院在當(dāng)前能源供應(yīng)緊張的新形勢(shì)下提出的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。該工程的實(shí)施，正是符合“樹(shù)立科學(xué)發(fā)展觀，建設(shè)和諧社會(huì)”的要求。

第二，污水源熱泵技術(shù)的本質(zhì)是從經(jīng)過(guò)污水處理廠處理后的污水中吸取熱量或向其放出熱量，污水經(jīng)過(guò)熱泵機(jī)組交換熱量后排出，而不會(huì)進(jìn)入室內(nèi)，沒(méi)有任何風(fēng)險(xiǎn)。

第三，若該工程能夠?qū)嵤?，每年可?jié)約燃煤8851噸，每年減少向大氣排放二氧化碳（CO2）5966噸，二氧化硫（SO2）177噸，粉塵88噸；環(huán)境效益非常明顯。若能充分利用污水處理廠的污水作為熱源，用污水源熱泵可以為污水處理廠周邊約50萬(wàn)立方米的建筑提供供暖。可至少替代標(biāo)煤27939萬(wàn)余噸，年減少二氧化碳排放（CO2）18769萬(wàn)余噸、二氧化硫（SO2）556噸，粉塵278噸。有著巨大的推廣前景。

第四，本項(xiàng)目的建成，還將對(duì)今后的污水利用起到示范、促進(jìn)和推動(dòng)作用，特別是對(duì)秦皇島市其它污水處理廠及周邊地區(qū)利用污水實(shí)現(xiàn)供暖和供冷提供借鑒。

綜上所述，秦皇島市山海關(guān)小區(qū)污水源熱泵工程技術(shù)方案可行，經(jīng)濟(jì)效益明顯，社會(huì)效益顯著，符合國(guó)家大力發(fā)展可再生能源的基本國(guó)策和能源戰(zhàn)略，作為秦皇島市住宅小區(qū)采用污水源熱泵系統(tǒng)將在環(huán)保、節(jié)能等方面具有較好的示范作用。

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作者簡(jiǎn)介：

付本田（1971-），男，河北撫寧人，副高工程師，畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè)，主要從事污水處理廠、污泥處理廠、排水管理處等自動(dòng)生產(chǎn)控制、智能樓宇防盜報(bào)警及消防自動(dòng)報(bào)警、噴淋系統(tǒng)等方面的研究。