污水源热泵技术的应用实例
及可行性分析
刘世梅 何凤璟 孙云海
近年来，随着我国经济的迅速发展和城市建设步伐的加快，建筑采暖和空调的普及率快速提高，导致暖通能耗的急剧上升，资料表明，我国暖通能耗占建筑总能耗的55%以上。建筑节能正成为我国及世界最为关注的问题之一。节约能源、保护环境实现可持续发展是我国的一项基本国策，要从根本上解决建筑节能问题，关键在于能源的选择，若用可再生、无污染的低品位能源取代高污染高代价的不可再生能源（如煤、燃气、油等），日益严重的能源危机及其所带来的环境污染问题便可得到有效的缓解。
城市生活污水是一种很好的可再生能源，洗浴等用水有近百分之四十的热量排入污水中，每一立方米的生活污水中有5000～10000 kcal的热量，相当于燃烧两公斤的煤的发热量，其质量稳定，水体、水温、水量都变化不大，受气候影响较小，是水源热泵的理想热源，即利用经过二级处理拥有相对稳定水体温度的污水水体（夏季为17～21℃，冬季11～15℃），采用热泵原理，通过输入少量的电能，实现热量的逆向搬运作用，即将热量从温度低的地方向温度高的地方搬运。使之可在冬季作为热泵供暖的热源亦可作为夏季空调的冷源，即在冬季，把污水中的热量"取"出来，供给室内采暖；夏季时，把室内的热量"吸"出来，释放到污水中去。
工程概况：
以下为太原市杨家堡污水处理厂供热系统改造的工程实例，该厂内原先的锅炉为2.8MW的层燃链条锅炉，燃烧效率68%，使用的为太原 煤，发热量为5900kcal/kg，太原地区冬季供暖138天，一个采暖季的耗煤量为2058t，此期间内共排放：灰尘20t、二氧化硫123 t、二氧化碳4939 t、氮氧化合物17 t、一氧化碳4 t、碳氢化合物0.93 t；此外，还要产生铀、钍等多种微量的放射性物质。为了节约能源、保护环境、节省费用，决定对这套供热系统进行改造，不再使用燃煤，而改用既能供热又能制冷的污水源热泵系统。对整个污水处理厂内体形系数较大且围护结构达不到节能建筑标准的办公楼、试验楼、食堂、洗浴中心、各单体分散值班室及周围门面房等总计面积为2万平米的建筑供热系统进行改造，取消原来的散热器供暖系统，改为安装能够制冷制热的风机盘管。
系统原理及设计
冬季，污水温度约11～15℃，经过换热器换热后回水温度约为7～10℃，系统中介水提取污水中的热量作为水源热泵机组的热源，进入热泵机组蒸发器，热泵冷凝器出水作为供暖系统循环水，供回水温度为55～45℃。夏季，污水温度约为17～21℃经过换热器换热后的回水温度为19-23℃，污水带走冷却水中的热量使之成为水源热泵机组制冷时的冷源，热泵蒸发器出水作为供冷系统冷冻水，供回水温度为7-12℃。该系统冬、夏季工况的转换通过切换机房内系统中的阀门来实现。
采暖空调设计参数：
负荷计算：夏季 按照120W/m2计算，总冷负荷为20000×120=2400KW
冬季 按照100W/m2计算，总热负荷为20000×100=2000KW
基于以上的前提条件，我们选择了首家获得"中国节能产品认证证书"的"美意（Mammoth）"水源热泵机组，其特点有：自控程度高可设定温度无需人员值守；运行稳定，高效节能；压缩机为世界先进的全封闭涡旋压缩机，保证机组高效可靠的运行；冷凝器、蒸发器具有特殊的肋型结构，换热效率高。系统流程结构简洁，换热稳定，部件故障少，维修保养简单，高效换热器可保证机组在较低的蒸发温度下也保持较高的能效。
据厂方提供的供电负荷，选用MWH150CD型机组3台，单台技术参数如下：
制热量：456KW
制冷量：500KW
功率：121KW
制冷剂： R407C
考虑到污水的取水位置在二级水的出水池中，水池为敞开式，污水中的悬浮物较多，为了保证其在壳管中滞留的时间短，其流速要求高，权衡多方面利弊，最后选用上海东方泵业生产的污水泵2台 (一用一备，单台流量250 t/h，功率18.5KW) ，定时切换。而且要在含有悬浮物的二级出水进入泵前设两台过滤器（一用一备）。为了控制改造成本，不选用全自动清洗过滤器，设计为备用过滤器和管路，解决在不停机情况下过滤器的清洗工作。
施工及运行
本工程于2007年10月初开始施工，并在2007年11月竣工。系统于11月初开始运行，迄今为止的四个月内系统运行正常，且各采暖建筑室内温度均能达到设计要求。
项目的优点
节能
通常，水源热泵每消耗1kJ的能量，用户可以得到4kJ以上的热量或冷量，与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%左右的电能或70～90%的燃料内能转换为热量供用户使用，因此水源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃煤锅炉节省二分之一以上的能量。由于作为污水水源热泵的热源水，全年温度较为稳定，这种特性使得污水热泵比传统空调系统运行效率要高20%以上。
环保
污水源热泵是利用了污水原水作为冷热源，进行制热制冷。供热时省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉房系统，减少CO2、SO2、粉尘颗粒等大气污染物的排放；供冷时省去了冷却水塔及其消耗的水量，避免了冷却塔的噪音及霉菌污染，减少了城市的热导效应。不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，有效缓解了环境污染的问题。
节资
该工程总投资为420万元，由于各单体建筑布局分散，导致外网投资偏高，为总投资额的15%左右，故单位面积成本为210元/m2。 运行费用计算参数：制热系数取3.5，制冷系数取4.0。运行时间按每天12h计算，夏季按75天，冬季按138天，电费取0.6元/Kw•h.
冬季供暖与原有燃煤锅炉散热器采暖系统运行费用比较
夏季制冷与溴化锂机组比较系统运行费用（原厂区无夏季制冷措施）
该工程实践证明，污水水源热泵系统具有节水、节能、环保、运行费用低廉等优点，是利用城市污水进行供暖、制冷的空调新形式，符合世界各国城市污水再利用和城市水源问题的大趋势，是一项值得深度推广的新技术。
参考文献：
[1]吴荣华，张成虎，孙德兴 城市原生污水水源热泵系统运行工况与参数特性[A]200511-0073-04
[2] 杨海静 污水热泵技术在密云污水处理厂的应用
作者简介：
刘世梅（1983-）太原市大陆建筑设计事务所 山西 太原
何凤璟 （1971-） 一级注册结构工程师 太原市大陆建筑设计事务所所长 山西 太原
孙云海 太原市杨家堡污水净化厂厂长 山西 太原
