污水源熱泵在威海威高海洋館空調系統中的應用

姜衍禮 崔從明 董信林

山東中天羲和環境科技股份有限公司

0 引言

我國大部分地區，冬季采暖主要是依靠煤、石油、天然氣等石化燃料的燃燒來獲得。采暖與環保成為一對難以解決的矛盾。城市污水是北方寒冷地區不可多得的熱泵冷熱源。它的溫度一年四季相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，這種溫度特性使得污水源熱泵比傳統空調系統運行效率要高，節能和節省運行費用效果顯著。

污水源熱泵系統是利用了城市廢水作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統，污水經過換熱設備后留下冷量或熱量返回污水干渠，污水與其他設備或系統不接觸，密閉循環，不污染環境與其他設備或水系統。供熱時省去了燃煤、燃氣、燃油等鍋爐房系統，沒有燃燒過程，避免了排煙污染。不產生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵，環境效°C顯著。城市污水熱泵供暖系統，僅使用少量電能驅動便可達到冬季采暖，是一種綠色環保的供暖方式[1]。

1 工程概況

威海威高海洋館（圖1）位于山東省威海市高新技術開發區文化西路北，大連路西，建筑面積24996 m2，地下一層，地上5 層。根據建筑的功能和使用情況，空調冬季設計供回水溫度為50°C/45°C；夏季供回水溫度為7°C/12°C，冬季空調總熱負荷為2500 kW，夏季空調總冷負荷為2600 kW。

圖1 威高海洋館實景圖

2 系統設計

本項目優勢是距離威海高新區污水處理廠處理后排海的污水干管道約200 m，日排放污水5 萬m3，污水全年水溫在11～29°C范圍，PH 值約為7。

排海的污水雖然在污水處理廠經過一系列處理，污水中的大顆粒固體和懸浮物基本被處理掉，但污水中依然含有小克隆物理雜質、氨根、氯離子等化學成分，以及微生物、藻類及膠體等雜質，沒有達到直進水源熱泵機組的水質要求，所以采用本項目間接式污水源熱泵系統。先將污水進入污水換熱器和中介水進行換熱，再由中介水進入水源熱泵機組，換熱后系統循環水在熱泵機組與末端散熱設備之間循環，形成污水與熱泵供熱空調系統宏觀上的三個子循環系統，即污水循環，中介循環和末端循環，熱泵機組的內部還有一個熱泵工質（例如氟利昂）循環，即熱泵機組的工作過程，宏觀上不顯現。系統的主要設備包括污水泵、污水換熱器、中介泵、熱泵機組、末端泵。系統的流程原理圖見圖2。

圖2 系統的流程原理圖

2.1 污水系統引退水方案

工程項目冬季和夏季所需要的污水總量是系統的供水方式，水源熱泵機組的性能，污水的水溫及建筑物采暖空調的冷熱負荷等因素決定的。

冬季污水源熱泵按制熱工況運行時，需要污水總量約為：

式中：Qh為冬季空調總熱負荷，取2500 kW；mgw為需要污水流量m3/h；駐T 為污水換熱溫差，取4°C；COP為熱泵機組制熱性能系數，取4。

代入數據計算得冬季污水流量mgw＝403 m3/h。

夏季污水源熱泵按制冷工況運行時，需要污水總量約為：

式中：Qe為夏季空調總冷負荷，取2600 kW；mgw為需要污水流量m3/h；駐T 為污水換熱溫差，取4°C；EER為熱泵機組制冷能效比，取5。

代入數據計算得夏季污水流量mgw＝447 m3/h。

夏季制冷需要的污水量要大于冬季制熱，按夏季系統換熱需要的污水量計算，每天需要污水量為1.07萬m3，本區污水干管日排污水量為5 萬m3，可以滿足本項目夏季制冷和冬季采暖要求。

2.2 污水系統取水方案

該項目采用污水處理廠排海的污水作為水源熱泵機組熱源。污水取水系統包括：取水管接點、管道、污水蓄水池、污水泵、污水換熱器、回水管接點。取水管接點是在污水主管道上鉆孔裝夾管三通，連接PE管引到污水源熱泵機房污水蓄水池內，采用污水泵將污水送至機房內的污水換熱器中，和中介水進行換熱后進到水源熱泵機組提熱或散熱，換熱后的污水重新排到污水干干管回水管接點。

2.3 污水換熱器選擇

污水源熱泵的關鍵技術是防堵，防垢和高效換熱，這三個問題都集中在污水換熱器之上，污水換熱器成為污水熱泵系統的關鍵設備之一[2]。

現有的換熱設備通常采用板式換熱器和管殼式換熱器，由于流道較窄和并聯形式，因此不具備防堵的能力，通常加設前置過濾裝置措施，例如防阻機。在前置過濾技術方面，現有前置過濾裝置都存在一定的缺陷，一方面無法徹底過濾，另一方面普遍存在內泄漏問題，反沖水混入進水，造成進水溫度降低，從而影響系統效率[3]。

事實上，如果換熱設備已具備防堵功能，較大的懸浮物能順暢地通過，當然就不需要防阻機了。流道式換熱技術已不需要前置水處理措施，污水經污水泵后直接進入流道式換熱器。防垢問題很難應對，因為只要污水接觸換熱器表面，換熱表面不可避免地要貼敷或沉積污垢，至于采用換熱表面納米材料等技術，事實上很難，而且造價上也承受不起。因此防垢要從三個方面著手：一是盡可能減少污垢的貼敷速度，延長污垢的清洗周期。二是換熱器清洗時容易拆卸和封裝，同時不對換熱器造成損傷。三是清洗換熱表面時容易清洗，而且工作量要盡可能的小。流道式換熱技術兼顧了上述三個方面[4]。

高效換熱是任何換熱器都追求的特點，污水換熱器就更加注重，因為污水換熱本身是很小的傳熱溫差，換熱器用量很大，再加上污垢及污水作為一種流體的本質特點，換熱系數較清水要小很多。而很小的傳熱溫差、污垢及污水的流體特性是改變不了的，因此要提高換熱性能，只能從結構形式上作文章，例如純逆流換熱等。當然提高污水流速也是一種辦法，但是很有限，這也是一種正常的設計手段。流道式換熱技術采取了純逆流等換熱方式。

2.4 熱泵機房設計

機房設置于該館前廣場東側地下，水源熱泵機組，水處理器，污水換熱器，中介水泵和末端循環水泵等均安裝在機房內部。分集水器設在館內地下一層設備間，末端系統分5 個環路，負責地下一層，二層，三層，四、五層和維生系統，系統采用同程式，集水器回水管路設平衡閥，調節各環路水力平衡。

2.5 設備選型

根據建筑冷熱負荷總量，選擇兩臺型號YEWS415HA50E-HP2 水源熱泵機組，具體參數和輔助設備見如表1：

表1 污水源熱泵系統主要設備表

2.6 污水源熱泵換熱器選型設計

根據設備表數據可以算出：

1）每臺熱泵對應的中介水量為220 m3/h。

2）每臺熱泵對應的污水量為250 m3/h。

3）污水換熱器的換熱量。夏季：QL=Qe+Ne=1420+233.4=1653.4 kW；冬季：QR=Qh-Nh=1406-377.4=1028.6 kW。式中：QL為夏季污水換熱器的換熱量，kW；Qe為夏季熱泵機組制冷量，kW；Ne為熱泵機組制冷功率，kW；QR為冬季污水換熱器的換熱量，kW；Qh為冬季熱泵機組制熱量，kW；Nh為熱泵機組制熱功率，kW。

因此每臺熱泵系統的運行參數應為：

1）夏季中介水溫降：

2）夏季污水溫降：

3）冬季中介水溫降：

4）冬季污水溫降：

式中：駐TLZ為夏季中介水溫降，°C；駐TLW為夏季污水溫降，°C；GLZ為夏季中介水流量，m3/h；GLW為夏季污水流量，m3/h；駐TRZ為冬季中介水溫降，°C；駐TRW為冬季污水溫降，°C；GRZ為冬季中介水流量，m3/h；GRW為冬季污水流量，m3/h。

代入數據，可計算得：駐TLZ=6.5°C；駐TLW=5.7°C；駐TRZ=4.0°C；駐TRW=3.5°C。

冬季所需換熱面積計算：冬季污水設計溫度取13°C，出水溫度9.5°C，為保證熱泵良好運行工況，中介水回水溫度不低于5°C，因此傳熱溫差最多取4.25°C，這樣供水溫度按9°C。

式中：駐TCR為冬季換熱器傳熱平均溫差，°C；TWGR為冬季換熱器污水進水溫度，°C；TZGR為冬季換熱器中介水出水溫度，°C；TWHR為冬季換熱器污水出水溫度，°C；TZHR為冬季換熱器中介水進水溫度，°C。

代入數據計算得冬季換熱器傳熱平均溫差駐TCR＝4.25°C。

ZTWH-145S 污水換熱器連續穩定運行時傳熱系數為1.2 kW/(m2·°C)，考慮增加安全余量，傳熱系數k取1.0 kW/(m2·°C)，冬季需要污水換熱器換熱面積計算如下：

代入數據計算得冬季需要污水換熱器換熱面積FR＝242 m2。

兩臺熱泵共需換熱面積：2×242=484 m2。

結論：每臺ZTWH-145S 污水換熱器的換熱面積為145 m2，因此冬季采暖需要4 臺換熱器，所通過換熱面積共為：580 m2。

夏季所需換熱面積計算：夏季污水設計溫度取25°C，出水溫度30.7°C，為保證熱泵良好運行工況，中介水回水溫度不高于34°C，因此傳熱溫差最多取2.9°C，這樣供水溫度按27.5°C。

式中：駐TCL為夏季換熱器傳熱平均溫差，°C；TWGL為夏季換熱器污水進水溫度，°C；TZGL為夏季換熱器中介水進水溫度，°C；TWHL為夏季換熱器污水出水溫度，°C；TZHL為夏季換熱器中介水出水溫度，°C。

代入數據計算得夏季換熱器傳熱平均溫差駐TCL＝2.90°C。

夏季需要污水換熱器換熱面積計算如下：

代入數據計算得夏季需要污水換熱器換熱面積FR＝570 m2。

兩臺熱泵共需換熱面積：2×570=1140 m2。

結論：每臺ZTWH-145S 污水換熱器的換熱面積為145 m2，因此夏季空調需要8 臺換熱器，所通過換熱面積共為：1160 m2，本項目選擇8 臺污水換熱器。

3 經濟運行分析

經濟效°C主要是指運行費用，污水源熱泵在運行中主要消耗的是電能（表2）。

表2 系統滿負荷耗電量估算

建筑采暖空調平均所需負荷按設計負荷的50%。設備平均每天運行12 h。冬季供暖使用時間為120 天。夏季空調使用時間為90 天。平均電價按1.0 元kW·h計算。

3.1 冬季運行費用估算

運行耗電量：902.8×120×12×50%=650016 kW·h

運行費用：902.8×120×12×50%×1.0=650016 元

冬季單位建筑面積耗電量：650016 kW·h 衣24996 m2·季=26 kW·h/(m2·季)

冬季單位建筑面積運行費用：650016 元衣24996 m2·季=26 元/(m2·季)

3.2 夏季運行費用估算

運行耗電量：614.8×90×12×50%=331992 kW·h

運行費用：614.8×90×12×50%×1.0=331992 元

夏季單位建筑面積耗電量：331992 kW·h 衣24996 m2·季=13 kW·h/(m2·季)

夏季單位建筑面積運行費用：331992 元衣24996 m2·季=13 元/(m2·季)

3.3 運行費用比較

污水源熱泵的經濟性主要體現在冬季制熱，夏季制冷的能效比和冷水機組基本差不多，冬季制熱本項目可以采取的方案還有采用熱電廠蒸汽換熱，蒸汽壓力0.3 MPa，飽和蒸汽溫度132.9°C，蒸發熱焓2726 kJ/kg，蒸汽價格每噸172 元。

供暖熱負荷2500 kW，蒸汽換熱器換熱效率按90%，蒸汽耗汽量為：

式中：Q 為冬季采暖總熱負荷，kW；im為蒸汽熱焓，kJ/kg；tr為采暖熱水溫度，°C；C 為水的比熱4.18 kJ/(kg°C)。

代入數據計算得蒸汽耗汽量Gm＝1.09 kg/s。

每天運行12 小時，使用蒸汽量為：1.09 kg/s×12 h×3600 s衣1000=47t。

冬季采用蒸汽換熱運行費用為：47 t×120 天×172元/t=97 萬元。

采用污水源熱泵采暖比蒸汽換熱每年節省運行費用：97-33=64 萬元。

5 整體系統運行情況

本項目目前已經安裝完畢，經過整體系統的調試，運行參數滿足設計要求，2018 年7 月夏季正式運行，至今機組運行穩定，滿足使用要求。

6 結論

1）利用城市污水作為熱泵冷熱源為建筑物供暖、空調具有重要的節能與環保及經濟價值，在技術上是可行的，在工程實施上也完全具有可行性。

2）解決污水源熱泵系統的取水和換熱問題是污水源熱泵系統成功應用的關鍵。

3）污水源熱泵不但運行費用與熱電蒸汽供暖方式來比較，優勢十分明顯，而且該項目在節能、水資源循環利用、環保三方面起到的作用是其它方式無法比較的。