污水源热泵工程设计与应用

　　某污水处理厂污水源热泵工程位于沧州市迎宾大道以西，经一路与渤海路交口西南角的位置，小流津河东岸。一期工程的厂区综合楼、污泥脱水间、加药间、配电室值班等室内需要供暖，供暖面积3000余平米。原设计采用市政热源，通过厂区新建换热站为厂区提供热媒。一次网供回水温度为105/55℃，二次网供/回水温度70/45℃。

　　污水处理厂的一期设计规模为6万吨/天;二期设计规模也为6万吨/天。二期工程建成后，运西污水处理厂的整体日处理规模可达到12万吨/天。在一期工程建设运营中，发现污水排放的水质比较好，污水量比较稳定，冬季污水平均水温在13℃左右，夏季污水平均水温在20℃左右。按照保守的日处理污水量3万吨/天计算，从排放的污水中提取3℃的温差，冬季污水可提供4300kW的热量，该热量可供10平米小区冬季供暖使用。如果未来二期建成后，按照12万吨/天排放量计算，污水的低位热量至少可供30万平米小区供暖使用，能产生极为可观的经济效益。

　　正是基于这一点考虑，结合厂区自身的供暖要求进行了调整，采用污水源热泵系统进行供暖，同时，还考虑使用该系统解决厂区夏季空调的需求。

　　目前，市场上污水源热泵设备已比较成型，设备冷凝侧可提供50℃热水，蒸发侧最低可出5℃的冷水。因此，该工程的设计关键点在于污水侧换热器设计计算。污水换热器可以分为两种设计思路：

　　(1)把换热器放在换热机房里，污水池内设潜水泵将污水送入机房换热器，换热完毕后再排入污水池。该方案优点是比较好布局，施工简单。缺点是增加了潜水泵的功耗，同时，污水换热管线里始终流动的是污水，易腐蚀管路。进换热器入口需要设置快速除污器，需要定期进行除污清洗，增加了售后维护工作。

　　(2)制作专门的污水源换热器，将污水源换热器直接放入污水池中，利用污水自身的水流进行换热。这样减少了一次水泵的循环功耗，提高了节能效果。另外，与热泵机组进行换热的循环水系统采用软化水，既保证了水质干净清洁，又避免了管路的堵塞和腐蚀。

　　运西污水现场实际情况是污水经过处理后，通过一段污水排放池后，排入市政污水管道。这段排放池长40多米，宽2米，内设紫外线消毒渠、巴氏计量槽，该装置对污水排放流道有一定要求，如图示。考虑这种特殊要求，将专门的污水源换热器设置在污水进入排放池的前面，充分利用污水自身流速进行换热(如图1)。

　　一、方案设计依据

　　污水处理厂日处理污水量为60000吨/天，考虑尖峰和低谷的因素，按平均小时排水量1250m3/h计算，以此水量进行换热器选型计算依据。污水源热泵机组夏季冷凝器设计温度为45/40℃，冬季蒸发器设计温度为9/6℃，污水进行换热器时，冬季参数较为不利，因此，以冬季工况进行选型计算。

　　室外气象参数：供暖室外计算温度-7.1℃；冬季通风室外计算温度-3℃；夏季空调室外计算干球温度34.3℃；夏季空调室外计算湿球温度26.7℃；夏季通风室外计算温度30.1℃；

　　室内设计温度：

　　冬季：办公、值班等生活房屋室内采暖设计温度为tn=20℃;有人巡视而不久留的房间，室内采暖设计温度为tn=12℃。

　　夏季：办公、值班等生活房屋空调设计温度：26℃;

　　按照目前采暖总面积，根据《全国民用建筑工程设计技术措施――暖通空调》及《民用建筑空调设计规范要求》，考虑外管网热量损失，冬季热负荷需170kW，夏季制冷量165kW。设计计算过程如下：

　　在污水池设置换热器：污水池深1.5米，宽2米，将该换热器直接放置在污水排放池中，污水池温度11℃;热泵机组蒸发器出水进该换热器温度为6℃，出该换热器为9℃;换热量为200kW，材质为不锈钢。

　　机组选用两台污水源热泵机组，单台制热量175kW，耗电功率36kW;蒸发器供回水温度：6/9℃，循环水量50m3/h，冷凝器进出水温度50/45℃，循环水量20m3/h;

　　室内热水循环泵设置2台，一用一备，循环水量40m3/h，扬程32m;污水源侧循环泵设置2台，一用一备，循环水量60m3/h，扬程30m。

　　二、换热器热力计算

　　(1)原始数据。

　　热泵机组冷冻水进口温度t1′=6℃;出口温度t1�=9℃;

　　污水侧冷水流量G1=1250000kg/h;污水冷却流入温度t2′=11℃;污水冷却流入出温度t2�=10℃。

　　(2)计算温度及物性参数：

　　污水冷却水的定性温度t2=(t1′+t1�)/2=(10+11)/2=10.5℃;

　　冷却水的密度查物性表得ρ2=992.9kg/m3;

　　冷却水的比热查物性表得Cp2=4.174kJ/kg.℃;

　　热泵机组冷冻水的定性温度;

　　冷冻水的密度查物性表得ρ1=976kg/m3;

　　冷冻水的比热查物性表得Cp1=4.192kJ/kg.℃

　　(3)传热量与水热流量

　　取定换热器热效率为η=0.98;

　　污水侧可提供的热量：

　　完全可以满足所需要提取的热量。

　　污水换热器二次侧换热量：

　　逆流平均温差：

　　根据浸没在液体中的盘管总传热系数大致值，W/(m2•℃)如表1。

　　初定传热系数K0=1000W/m2•℃;

　　选用φ16×1.5无缝钢管作换热管;管子外径d0=0.016m;管子长度取为l=6m;管子总数：

　　三、换热器的设计制作

　　根据污水连续运行无堵塞换热技术的要求，换热器制作需要采用特殊设计，换热管需要采用不锈钢材质的高效换热管，管径相对于普通机组加大25%和璧厚加大20%，保证设备的运行效率和使用寿命。为避免换热器与污水流通截面被污水内藻类杂质堵塞的可能，同时，便于以后清洗换热管时，操作简单方便，应当合理调整换热管间的距离，保证长期使用的可靠性。因此，单根换热管的长度取为6m，直径Ф16mm，厚度δ=1.5mm;(如图2)。

　　U形管的尺寸

　　①U形管弯管段的弯曲半径

　　U形管弯管段的弯曲半径R(见图3)应不小于两倍的换热管外径，常用换热管的最小弯曲半径Rmin可按GB151-1999表11选取，取Rmin=40mm。考虑污水侧有时会有藻类杂质流通，防止U形管间距过小影响污水流通，取换热管的弯曲半径R=76mm。

　　四、换热管间距

　　换热管的中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，根据GB151-1999要求，考虑污水流通性，取换热管中心距为S=32mm(见图4)。

　　污水侧换热器完成后，整体工程的安装布局按照如下原理图进行了布局和施工，考虑该系统需要解决办公楼夏季制冷需要，因此，在办公区室内增加了风机盘管系统，这样可满足办公楼冬夏季使用(见图5)。

　　五、运行情况分析

　　目前机组蒸发器侧水温14℃，冷凝器侧水温49℃，机组50%负荷运行，运行状况良好。

　　污水源热泵年运行费用：

　　主要机组设备冬季平均投运功率：43kW;年平均运行时间：12小时/天;120天/年;

　　电耗：43kW×12小时/天×120天/年×0.8元/kW.h=4.9万元;

　　采用污水源热泵系统进行供暖和空调使用，具有以下优势：

　　(1)缓解能源消耗，利用城市污水作为热源对建筑进行采暖，可以直接减少其他短缺能源的消耗。

　　(2)保护环境，污水源热泵供暖系统是利用低温污水作为热源无燃烧、无排渣、无排烟等过程，从环保方面看，热泵运行对环境是零污染。

　　(3)经济效益显著，如电价按民用电价计算，出水温度在50度以下，与集中供热相比可节省运行费用30%左右。

　　(4)社会效益显著，可替代传统的供热锅炉，避免建设新的集中供热锅炉房，对节约资源、提高能源利用、减少污染物排放，改善城市环境、提高居民生活质量。

　　六、结语

　　结语本次污水源热泵是利用污水出水量大、水质稳定、温度适宜等特点，以污水作为热源进行制冷、制热循环的一种空调系统。该系统具有热量输出稳定、COP值高、换热效果好、机组结构紧凑等优点，是实现污水资源化的有效途径。污水源热泵比燃煤锅炉环保，污染物的排放比空气源热泵减少50%，比电供热减少75%。它节省能源，比燃煤锅炉节省1/2以上的燃料。由于污水源热泵的热源温度全年较为稳定，其制冷、制热系数比传统的空气源热泵高出40%左右，其运行费用仅为普通中央空调的50%～60%。因此，该项目的实施，有着很高的经济效益。(来源：沧州市供水排水集团有限公司)