城市地下污水源模塊熱泵機組的應用案列

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的中央空調機組，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回路，每個系統都采用電子膨脹閥節流，控溫準確；蒸發器與冷凝器均采用殼管式換熱器，換熱效率高，效果好。該機組采用模塊設計，現場可以多機組并聯安裝使用，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系統服務公司委托定制蘇州市建設局污水源熱泵模塊空調主機的任務。由于該項目是蘇州市政府的3大建筑節能改造示范項目之一，除了要求正常空調主機所需的技術指標以外，還必須比正常的節能指標提高1～2個COP值，以滿足該建筑總體節能率65%以上的指標。

3 產品用途

城市污水是一種相對穩定的恒溫源，主要是二級水以及中水，這也是一種相對穩定的能源來源，通常夏季溫度穩定在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一體機，便可夏季做空調的冷卻、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碼變容量原生態污水源模塊冷熱水空調機組，使污水先通過防阻機去除浮游物質，再使處理后的清水流入專用換熱設備，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 設備性能及參數

（1）采用多臺獨立系統的全封閉壓縮機為模塊化設置，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）蘇州地區原生污水冬季水溫比北方低2～3 ℃，不宜采用常規的換熱器，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中的進一步推廣，提供了技術上和實踐上的可靠保障。

（3）污水換熱器的氟側為6個獨立的滿溢式蒸發系統，共用一個污水系統，而每個滿溢式蒸發系統都有獨立的回油裝置，保證蒸發時壓縮機系統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場的應用圖片

5 污水源利用設計

根據夏、冬季節冷熱負荷設計工況分別計算污水最大設計用量：

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熱量，由12 ℃利用到7 ℃，可用溫差按5 ℃計，則空調模塊機組出水48 ℃ ，進水43 ℃，室內風機盤管出風溫度42 ℃左右，房間溫度24～25 ℃。在此設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，空調模塊機出水7 ℃、回水12 ℃，室內風機盤管出風溫度17～18 ℃，室內溫度控制在24～26 ℃，在此設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于2009年12月中旬進行初次調試，12月底試運行，并于2010年1月16日正式投于運行“開啟”空調。當時的室外溫度為-4～-6 ℃，污水溫度保持在9 ℃以上。經開機運行后，室內溫度逐漸回升并保持在25 ℃上下，達到了設計要求。

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

圖3 污水源熱泵設備運用圖

7 項目成果與意義

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

（2）污水源熱泵技術具有明顯的節能效果。該項目成功運行已預計每年可節約標準煤20 t，減少CO2排放量約8.8 t，減少向大氣環境排放廢熱約5.0×102kcal/h。

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

（4）采用城市污水熱能利用系統，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境具有明顯的效果，是名符其實的環保型空調系統 。