某污水處理廠辦公樓污水源熱泵系統設計

戚明喆，周 毅，司天行

（1.徐州創展節能科技有限公司，江蘇 徐州 221000；2.江蘇美城建筑規劃設計院有限公司，江蘇 淮安 223005）

自工業化革命以來，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，中國能源消費量和二氧化碳的排放量呈逐年上升的趨勢。其中，能源消費量增長238.86%，CO2排放量增長198.19%[2]。2019年人均碳排放量為8.12 t，超過了世界平均水平[3]。為在2030年達到碳峰值、2060年前實現碳中和，傳統能源的使用向清潔能源使用的轉變迫在眉睫[4]。

在傳統能源的使用向清潔能源的使用轉變過程中，建筑物的清潔能源使用將是重點[5]。這是由于我國總碳排放量的28%來自于建筑的運行，在這中間的2/3來自于快速增長的電量使用[6]。另一方面，中國水資源比較緊缺，工業生產導致城市污水排放較為嚴重，直接加劇了水資源短缺、水資源利用不足的問題[7]。提高城市污水的使用率、實現水資源的重復利用可以在一定程度上緩解水資源的浪費以及實現保護環境的可持續發展[8]。使用污水源熱泵為建筑物供暖供冷，可以同時緩解水資源短缺和碳排放量高這兩個問題。

污水源熱泵一般指利用城市污水這一低品位的熱源，通過熱泵機組轉化為高品位能源，為建筑物提供冷熱源[9]。它來源穩定，不受季節天氣影響。水體溫度較為恒定，可以使機組穩定、可靠的運行。同時，也保證了系統的高效性和經濟性，是一種良好的清潔能源[10]，具體優點如下。

（1）利用可再生能源是一項節能、環保、高效的能源利用技術，符合國家可持續發展戰略。

（2）城市污水具有水溫變化幅度小的特點，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、產生量大，幾乎全年保持恒定的流量。

（4）污水源熱泵系統在夏季節省了冷卻塔投資、冷卻水循環泵和冷卻風扇運轉費用，冬季也不需要設置鍋爐房，很大程度上降低了設備投資、區域管網費用和系統的運行費用[12]。

本文設計了一種方案，通過使用污水源熱泵為某污水處理廠辦公樓供熱、供冷，從而在溫度上滿足辦公樓正常生產生活的需求，同時達到節能減排、實現環保經濟的目的。

1 工程概況

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

在夏季，用戶側供回水溫度為7～12℃，污水側供回水溫度為30～35℃。制冷量按照125 W/m2計算冷量：

在冬季，用戶側供回水溫度為50～45℃，污水側供回水溫度為10～5℃。按照100 W/m2計算熱負荷：

2 系統方案

2.1 系統方案制定

污水源熱泵根據污水進入機組的方式，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入機組換熱器的熱泵系統，一般用于處理后的污水，冷熱轉換為氟路轉換[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組采取二次換熱，污水不直接進機組，設置中間轉換器，通過中介水換熱，一般用于原生污水，冷熱轉換為水路轉換[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，從而增加傳熱熱阻，導致熱泵系統效率下降。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、省去了中介水循環水泵，減少了機房的占地面積和經濟投資，是目前污水源熱泵研究的前沿領域和未來發展的方向[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，蒸發溫度可提高3～5℃左右，系統總的耗電量可降低9%～15%以上，從而大大提高熱泵機組的效率。直接式污水源熱泵省去了污水換熱器及相應的中介水循環水泵，機房占地面積減少，不僅大大降低了土建和設備初投資，而且也減少水泵能耗[16]。

對于淮北某污水處理廠，城市污水經過該污水處理廠處理后，滿足GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》各級標準，屬于二級水水質。污水直接進入機組后省去了中間換熱過程，沒有中間換熱溫差損失，可提高機組的性能系數，與間接式污水源熱泵系統相比較，直接式污水源熱泵系統運行費用降低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

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。經過實地測量、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℃，經過處理后的水質指標見表1。

表1 水質指標 單位：mg/L

污水的需求量可以根據冷熱負荷計算。夏季單臺熱泵機組需要的污水量為：

2臺熱泵為：

2臺熱泵為：

經計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 污水源系統熱泵設計

在直接式污水源熱泵系統中，冷熱采用氟路轉換。為提高系統效率，污水泵和末端水泵采用一級能效節能水泵，系統設置自動控制系統，可以根據末端需求自動增減載、電量和冷熱量計量、系統能效實時顯示、增加手機APP服務、隨時監控運行狀態等。在此方案設計前筆者調研了國內部分直接式污水源熱泵系統，比較突出的問題在于換熱器。在熱泵的使用過程中，由于污水直接進入換熱器，隨著使用時間的累積，容易產生污垢堆積，從而導致換熱器中熱量不能正常交換。換熱效率隨之下降，甚至導致換熱管堵塞情況發生，需經常拆開用毛刷清洗。經現場拆開換熱器發現換熱管內有軟的污垢，這是因為處理后的污水中含有水垢造成的。為避免此種情況，在此項目設計中增加了污水側換熱器在線清洗系統。為便于分析系統能耗情況，增加了電量計量和冷熱量計量設備，這是和傳統污水源熱泵不同部分。

污水源熱泵機房主要的設備有污水源熱泵機組、末端循環泵、定壓設備、分集水器等。

根據夏季所需冷量為437.5 kW、共計所需熱負荷350 kW計算，需要污水源熱泵機組2臺，單臺制冷量220 kW，輸入功率47.9 kW，蒸發器進出水溫度12℃、7℃，冷凝器進出水溫度30℃、35℃；制熱量232 kW，輸入功率64.1 kW，蒸發器進出水溫度10℃、5℃，冷凝器進出水溫度45℃、50℃。末端循環泵流量為45 m3/h，揚程30 m，功率5.5 kW/臺，節能型，數量3臺（2用1備）。污水循環泵流量為50 m3/h，揚程20 m，功率5.5 kW/臺，節能型，數量3臺（2用1備）。直接式污水源熱泵系統的工作原理圖如圖3所示。

圖3 直接式污水源熱泵系統圖

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

2.4 污水源熱泵自控系統

由于該項目體量較小，目前運行人員工資在不斷增加。為了降低運行管理費用，提高企業的經濟效益，增加了一套自動控制系統。該自控系統可以做到無人值守，根據設置溫度和工作時間自動運行，將運行參數通過手機APP傳給管理人員，符合自動化監控、調整、生產的未來工業發展趨勢。

2.5 自動在線清潔系統

化學水處理不能完全解決冷水機組的換熱效率問題。由于直接式污水源熱泵的特殊性，在長時間的工作中會造成大量水垢，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，造成冷凝器要通過不停提升冷凝溫度的方法才能實現換熱，這樣就造成壓縮機能耗的增加，嚴重情況下，滿負荷時可能造成冷水機組跳脫[17]。因此，采用在線清洗系統來解決管路系統和換熱器中污垢的問題。

自動在線清洗系統通過水泵動力將柔軟、有韌性的剝皮橡膠球注入到換熱器的進水管中，借助冷卻循環水水泵的循環動力，將剝皮橡膠球擠壓進換熱器的換熱管當中。小球與內螺紋換熱管壁充分接觸，帶走內螺紋內積累的污垢同時清潔內管壁，充分保證換熱器的熱傳導效率；經過換熱器的小球經過換熱器后，進入到集球器當中，此時，設備主機啟動將小球收集到設備主機的小球發球器當中。小球在發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使用。在線清洗裝置原理圖如圖4所示，實物圖如圖5所示。

圖4 膠球清洗裝置原理圖

圖5 膠球清洗裝置實物圖

3 能耗分析

能效比是能源轉換效率之比，計算方法是用制冷量（制熱量）除以輸入功率。能效比越大，節省的電能就越多，本項目滿負荷前提下系統能效計算如下。

夏季：

冬季：

根據以上的計算結果可以看出，系統能效并不是太高。這是由于機組小，選用的渦旋式壓縮機制冷時主機能效只有220/47.9≈4.59，制熱時主機能效232/64.1≈3.62，實際能效還要等項目實施后實測。

4 結束語

本文設計的污水源熱泵系統通過利用污水的來源穩定、環保、水溫恒定等特點，作為熱泵機組的熱源，為辦公樓供冷供熱。有效地利用了可再生能源，響應國家節能減排號召，具有良好的環境效益和經濟效益。