某污水處理廠辦公樓污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戚明喆，周 毅，司天行

（1.徐州創(chuàng)展節(jié)能科技有限公司，江蘇 徐州 221000；2.江蘇美城建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 淮安 223005）

自工業(yè)化革命以來(lái)，人為的溫室氣體排放是全球氣候變暖的主要原因[1]。自2000年起，中國(guó)能源消費(fèi)量和二氧化碳的排放量呈逐年上升的趨勢(shì)。其中，能源消費(fèi)量增長(zhǎng)238.86%，CO2排放量增長(zhǎng)198.19%[2]。2019年人均碳排放量為8.12 t，超過(guò)了世界平均水平[3]。為在2030年達(dá)到碳峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，傳統(tǒng)能源的使用向清潔能源使用的轉(zhuǎn)變迫在眉睫[4]。

在傳統(tǒng)能源的使用向清潔能源的使用轉(zhuǎn)變過(guò)程中，建筑物的清潔能源使用將是重點(diǎn)[5]。這是由于我國(guó)總碳排放量的28%來(lái)自于建筑的運(yùn)行，在這中間的2/3來(lái)自于快速增長(zhǎng)的電量使用[6]。另一方面，中國(guó)水資源比較緊缺，工業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致城市污水排放較為嚴(yán)重，直接加劇了水資源短缺、水資源利用不足的問(wèn)題[7]。提高城市污水的使用率、實(shí)現(xiàn)水資源的重復(fù)利用可以在一定程度上緩解水資源的浪費(fèi)以及實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[8]。使用污水源熱泵為建筑物供暖供冷，可以同時(shí)緩解水資源短缺和碳排放量高這兩個(gè)問(wèn)題。

污水源熱泵一般指利用城市污水這一低品位的熱源，通過(guò)熱泵機(jī)組轉(zhuǎn)化為高品位能源，為建筑物提供冷熱源[9]。它來(lái)源穩(wěn)定，不受季節(jié)天氣影響。水體溫度較為恒定，可以使機(jī)組穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。同時(shí)，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性，是一種良好的清潔能源[10]，具體優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）利用可再生能源是一項(xiàng)節(jié)能、環(huán)保、高效的能源利用技術(shù)，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

（2）城市污水具有水溫變化幅度小的特點(diǎn)，冬暖夏涼、受氣候影響較小，是比較理想的熱泵冷熱源[11]。

（3）污水水量充足、產(chǎn)生量大，幾乎全年保持恒定的流量。

（4）污水源熱泵系統(tǒng)在夏季節(jié)省了冷卻塔投資、冷卻水循環(huán)泵和冷卻風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，冬季也不需要設(shè)置鍋爐房，很大程度上降低了設(shè)備投資、區(qū)域管網(wǎng)費(fèi)用和系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用[12]。

本文設(shè)計(jì)了一種方案，通過(guò)使用污水源熱泵為某污水處理廠辦公樓供熱、供冷，從而在溫度上滿(mǎn)足辦公樓正常生產(chǎn)生活的需求，同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)環(huán)保經(jīng)濟(jì)的目的。

1 工程概況

該辦公樓位于淮北市相山區(qū)污水處理廠內(nèi)，距污水源200 m。辦公樓一共3棟，總建筑面積約為3 500 m2。由于是老建筑沒(méi)有外墻保溫，因此在計(jì)算冷熱負(fù)荷時(shí)要適當(dāng)增加。該辦公樓的污水源熱泵每天工作12 h。

在夏季，用戶(hù)側(cè)供回水溫度為7～12℃，污水側(cè)供回水溫度為30～35℃。制冷量按照125 W/m2計(jì)算冷量：

在冬季，用戶(hù)側(cè)供回水溫度為50～45℃，污水側(cè)供回水溫度為10～5℃。按照100 W/m2計(jì)算熱負(fù)荷：

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)方案制定

污水源熱泵根據(jù)污水進(jìn)入機(jī)組的方式，分為直接式污水源熱泵和間接式污水源熱泵。

直接式污水源熱泵是污水直接進(jìn)入機(jī)組換熱器的熱泵系統(tǒng)，一般用于處理后的污水，冷熱轉(zhuǎn)換為氟路轉(zhuǎn)換[13]，工作流程圖如圖1所示。

圖1 直接式污水源熱泵工作流程[4]

間接式污水源熱泵是指機(jī)組采取二次換熱，污水不直接進(jìn)機(jī)組，設(shè)置中間轉(zhuǎn)換器，通過(guò)中介水換熱，一般用于原生污水，冷熱轉(zhuǎn)換為水路轉(zhuǎn)換[14]。工作流程如圖2所示。

圖2 間接式污水源熱泵工作流程[4]

間接式污水源熱泵由于存在中介媒質(zhì)，從而增加傳熱熱阻，導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)效率下降。直接式污水源熱泵在同樣的水源條件下可以提供出更多的熱量、省去了中介水循環(huán)水泵，減少了機(jī)房的占地面積和經(jīng)濟(jì)投資，是目前污水源熱泵研究的前沿領(lǐng)域和未來(lái)發(fā)展的方向[15]。在同樣的水源條件下，直接式污水源熱泵可以提供更多的熱量，蒸發(fā)溫度可提高3～5℃左右，系統(tǒng)總的耗電量可降低9%～15%以上，從而大大提高熱泵機(jī)組的效率。直接式污水源熱泵省去了污水換熱器及相應(yīng)的中介水循環(huán)水泵，機(jī)房占地面積減少，不僅大大降低了土建和設(shè)備初投資，而且也減少水泵能耗[16]。

對(duì)于淮北某污水處理廠，城市污水經(jīng)過(guò)該污水處理廠處理后，滿(mǎn)足GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，屬于二級(jí)水水質(zhì)。污水直接進(jìn)入機(jī)組后省去了中間換熱過(guò)程，沒(méi)有中間換熱溫差損失，可提高機(jī)組的性能系數(shù)，與間接式污水源熱泵系統(tǒng)相比較，直接式污水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用降低10%左右，初投資減少15%左右，占地面積減少30%左右。

基于上述分析，該辦公樓的供冷供熱熱泵選型決定采用直接式污水源熱泵。

2.2 取水方案系統(tǒng)

該污水處理廠辦公樓的污水源位于距辦公樓200 m處的污水處理廠排水口。經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)量、考查后得到，該污水源在夏季污水最高溫度為30℃，冬季污水最低溫度為12℃，經(jīng)過(guò)處理后的水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水質(zhì)指標(biāo) 單位：mg/L

污水的需求量可以根據(jù)冷熱負(fù)荷計(jì)算。夏季單臺(tái)熱泵機(jī)組需要的污水量為：

2臺(tái)熱泵為：

2臺(tái)熱泵為：

經(jīng)計(jì)算夏季污水需求量為92 m3/h，冬季污水需求量為58 m3/h。

2.3 污水源系統(tǒng)熱泵設(shè)計(jì)

在直接式污水源熱泵系統(tǒng)中，冷熱采用氟路轉(zhuǎn)換。為提高系統(tǒng)效率，污水泵和末端水泵采用一級(jí)能效節(jié)能水泵，系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以根據(jù)末端需求自動(dòng)增減載、電量和冷熱量計(jì)量、系統(tǒng)能效實(shí)時(shí)顯示、增加手機(jī)APP服務(wù)、隨時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)等。在此方案設(shè)計(jì)前筆者調(diào)研了國(guó)內(nèi)部分直接式污水源熱泵系統(tǒng)，比較突出的問(wèn)題在于換熱器。在熱泵的使用過(guò)程中，由于污水直接進(jìn)入換熱器，隨著使用時(shí)間的累積，容易產(chǎn)生污垢堆積，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器中熱量不能正常交換。換熱效率隨之下降，甚至導(dǎo)致?lián)Q熱管堵塞情況發(fā)生，需經(jīng)常拆開(kāi)用毛刷清洗。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)拆開(kāi)換熱器發(fā)現(xiàn)換熱管內(nèi)有軟的污垢，這是因?yàn)樘幚砗蟮奈鬯泻兴冈斐傻摹楸苊獯朔N情況，在此項(xiàng)目設(shè)計(jì)中增加了污水側(cè)換熱器在線清洗系統(tǒng)。為便于分析系統(tǒng)能耗情況，增加了電量計(jì)量和冷熱量計(jì)量設(shè)備，這是和傳統(tǒng)污水源熱泵不同部分。

污水源熱泵機(jī)房主要的設(shè)備有污水源熱泵機(jī)組、末端循環(huán)泵、定壓設(shè)備、分集水器等。

根據(jù)夏季所需冷量為437.5 kW、共計(jì)所需熱負(fù)荷350 kW計(jì)算，需要污水源熱泵機(jī)組2臺(tái)，單臺(tái)制冷量220 kW，輸入功率47.9 kW，蒸發(fā)器進(jìn)出水溫度12℃、7℃，冷凝器進(jìn)出水溫度30℃、35℃；制熱量232 kW，輸入功率64.1 kW，蒸發(fā)器進(jìn)出水溫度10℃、5℃，冷凝器進(jìn)出水溫度45℃、50℃。末端循環(huán)泵流量為45 m3/h，揚(yáng)程30 m，功率5.5 kW/臺(tái)，節(jié)能型，數(shù)量3臺(tái)（2用1備）。污水循環(huán)泵流量為50 m3/h，揚(yáng)程20 m，功率5.5 kW/臺(tái)，節(jié)能型，數(shù)量3臺(tái)（2用1備）。直接式污水源熱泵系統(tǒng)的工作原理圖如圖3所示。

圖3 直接式污水源熱泵系統(tǒng)圖

夏季制冷時(shí)，房間里的熱量通過(guò)熱泵機(jī)組傳遞給污水，由污水將熱量帶走。冬季供暖時(shí)，污水中的熱量通過(guò)熱泵機(jī)組升溫后傳遞給末端循環(huán)水，由末端循環(huán)水帶到辦公樓房間內(nèi)。

2.4 污水源熱泵自控系統(tǒng)

由于該項(xiàng)目體量較小，目前運(yùn)行人員工資在不斷增加。為了降低運(yùn)行管理費(fèi)用，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，增加了一套自動(dòng)控制系統(tǒng)。該自控系統(tǒng)可以做到無(wú)人值守，根據(jù)設(shè)置溫度和工作時(shí)間自動(dòng)運(yùn)行，將運(yùn)行參數(shù)通過(guò)手機(jī)APP傳給管理人員，符合自動(dòng)化監(jiān)控、調(diào)整、生產(chǎn)的未來(lái)工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。

2.5 自動(dòng)在線清潔系統(tǒng)

化學(xué)水處理不能完全解決冷水機(jī)組的換熱效率問(wèn)題。由于直接式污水源熱泵的特殊性，在長(zhǎng)時(shí)間的工作中會(huì)造成大量水垢，污垢以及微生物的沉積。在冷凝器的換熱管表面形成污垢，造成污垢熱阻。使得冷凝器的換熱效率大大降低。由于冷凝器換熱效率的下降，造成冷凝器要通過(guò)不停提升冷凝溫度的方法才能實(shí)現(xiàn)換熱，這樣就造成壓縮機(jī)能耗的增加，嚴(yán)重情況下，滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)可能造成冷水機(jī)組跳脫[17]。因此，采用在線清洗系統(tǒng)來(lái)解決管路系統(tǒng)和換熱器中污垢的問(wèn)題。

自動(dòng)在線清洗系統(tǒng)通過(guò)水泵動(dòng)力將柔軟、有韌性的剝皮橡膠球注入到換熱器的進(jìn)水管中，借助冷卻循環(huán)水水泵的循環(huán)動(dòng)力，將剝皮橡膠球擠壓進(jìn)換熱器的換熱管當(dāng)中。小球與內(nèi)螺紋換熱管壁充分接觸，帶走內(nèi)螺紋內(nèi)積累的污垢同時(shí)清潔內(nèi)管壁，充分保證換熱器的熱傳導(dǎo)效率；經(jīng)過(guò)換熱器的小球經(jīng)過(guò)換熱器后，進(jìn)入到集球器當(dāng)中，此時(shí)，設(shè)備主機(jī)啟動(dòng)將小球收集到設(shè)備主機(jī)的小球發(fā)球器當(dāng)中。小球在發(fā)球器中相互摩擦將自身所帶出的污垢自清潔掉，以備下一次清洗循環(huán)使用。在線清洗裝置原理圖如圖4所示，實(shí)物圖如圖5所示。

圖4 膠球清洗裝置原理圖

圖5 膠球清洗裝置實(shí)物圖

3 能耗分析

能效比是能源轉(zhuǎn)換效率之比，計(jì)算方法是用制冷量（制熱量）除以輸入功率。能效比越大，節(jié)省的電能就越多，本項(xiàng)目滿(mǎn)負(fù)荷前提下系統(tǒng)能效計(jì)算如下。

夏季：

冬季：

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果可以看出，系統(tǒng)能效并不是太高。這是由于機(jī)組小，選用的渦旋式壓縮機(jī)制冷時(shí)主機(jī)能效只有220/47.9≈4.59，制熱時(shí)主機(jī)能效232/64.1≈3.62，實(shí)際能效還要等項(xiàng)目實(shí)施后實(shí)測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的污水源熱泵系統(tǒng)通過(guò)利用污水的來(lái)源穩(wěn)定、環(huán)保、水溫恒定等特點(diǎn)，作為熱泵機(jī)組的熱源，為辦公樓供冷供熱。有效地利用了可再生能源，響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。