山西国瑞苑污水水源热泵空调系统及生活热水系统工程与应用

摘要： 目前地源(水源)热泵在中央空调系统中的应用较为普遍,但利用城市污水解决制冷制热及生活热水的成功案例不多,本项目的“空调+生活热水”系统运行了一个采暖季和一个制冷季,其利用城市污水来提供热源,“空调+生活热水”的系统较为成功,该空调+生活热水系统值得推广。

关键词：污水换热器 热回收 生活热水

一、污水源热泵特点简介

污水源热泵是指从城市污水或工业污水等低品位热源中提取热量，转换成高品位清洁能源，向用户供冷或供热的热泵系统。它主要由污水换热装置与水源热泵机组组成，其空调特性与常规水源热泵系统相似，主要有以下5个方面特点：

1. 污水源热泵是一种节能、环保、高效并充分利用可再生能源的技术；

2. 夏季节省了冷却塔投资和冷却风扇运转费用，将用户室内多余热量排放到城市污水道中，冬季从可再生的污水热源中取热，向用户室内提供热量，并全年为用户提供免费的生活洗浴用热水，一套设备同时可以实现夏季供冷、冬季供热，全年提供免费的生活洗浴用热水，设备利用率高，全年运行费用低于常规空调系统；

3. 成熟的热泵机组技术及可再生的稳定污水源，确保了污水源热泵系统具有较高的能效比和可靠的运行特性；

4. 由于节省了打井费用，污水源热泵的初投资和运行维护成本也低于常规地源和水源热泵。

5. 污水源热泵机组的工质主要有 R22 R407C、R134a、ZHR等工质，采用R22 R407C的机组制热工况下出水温度设计值一般在50℃左右，采用 R134a的机组制热工况下出水温度可以达到60℃以上，采用ZHR工质的机组制热工况下出水温度可以达70～85℃以上，采用设备选型时应综合考虑，空调末端的设计需与之配合。

二、污水源热泵的意义

1. 污水源热泵是水源热泵的一种。众所周知，污水水源热泵的优点是利用水的比热容大，设备传热性能好，水温的变化较室外空气温度的变化要小，运行工况相对稳定的特点，因而污水源热泵的运行工况比空气源热泵的运行工况要稳定。城市处理后的污水是一种优良的引人注目的低温余热源，是水/水热泵或水/空气热泵的理想低温热源。

2. 城市污水一年四季变化较小，数量相对稳定，具有冬暖夏凉的温度特征，所蕴含的冷热量潜力很大，属于可再生能源，被公认为是可回收利用的清洁能源之一。因此，研究污水冷热源热泵的应用推广具有重要意义。

3. 污水源热泵系统按照其实用的污水的处理状态可分为以未处理过的污水作为热源/热汇的污水源热泵系统、以二级出水或中水作为热源/热汇的污水源热泵系统；

4. 我国城市污水源热泵技术推广应用刚刚起步，但发展很快。目前在北京、秦皇岛、哈尔滨、大庆、石家庄等地均有污水源热泵系统在运行。

5. 经多年的污水热泵运行实践充分表明：由于污水相对于清水而言，它具有一些特殊性，这对污水源热泵空调系统的设计与运行带来一些新的影响，使污水源热泵空调系统具有许多独特的特点。

三、污水源热泵的系统工程设计案例分析

1. 工程概况

“国企苑” 位于山西省太原市平阳路101号， “国瑞苑”坐落于太原市，总建筑面积10万平方米，被评为山西省节能环保示范工程。该工程于2006年10月份开始施工，2007年1月份投入运行。该系统冬季提取平阳路污水干渠内污水热量，为本建筑供暖；夏季将建筑物内的热量排至污水，为本建筑制冷；夏季制冷时回收冷凝热量，制取免费生活热水。该建筑采用水源热泵供冷、供热及利用主机热回收提供生活热水。该项目由山东中大.贝莱特空调集团承建。

办公楼 住宅楼

2、污水源热泵的机房及污水热泵机房流程图

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3、设计依据

 《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）

 《建筑设计防火规范》（GBJ16-87 2001年版）

 《民用建筑热工设计规范》(GB50176-93)

 《通风与空调工程施工及验收规范》(GB50243-2002)

 《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》(GB50242-2002)

 《人民防空地下室设计规范》(GB50038-94)

4、设计范围

 办公楼及住宅楼污水水源热泵机房及空调末端系统

5、室外设计参数

 冬季采暖室外计算干球温度 -12℃

 冬季通风室外计算干球温度 -7℃

 冬季空调室外计算干球温度 -15℃

 冬季空调室外计算相对湿度（最冷月平均）51%

 冬季室外平均风速2.6m/s

 夏季空调室外计算干球温度 31.2℃

 夏季空调室外计算湿球温度 23.4℃

 夏季通风室外计算干球温度 28℃

 冬季大气压力932.9hPa

 夏季大气压力919.2hPa

6、空调系统设计说明

1) 该工程从平阳路引入污水，污水自流至地下二层污水换热机房；污水经一级污水泵加压后，进入污水防阻机；污水在防阻机内除污过滤；过滤后的污水，经二级污水泵加压，加压后的污水进入换热器内换热；换热后的污水，再次进入防阻机反冲洗过滤出来的杂质，换热后的污水携带杂质，排至污水函道。

2) 空调系统 制冷模式和制热模式 的转换，通过开关8换季阀门实现。

3) 机房冬季制热模式介绍：污水换热器利用污水和中介水的温度差，将污水热量换至中介水；中介水在循环泵的驱动下反复循环，机组蒸发器从中介水中吸取热量，机组利用电力驱动的压缩机做功，机组将吸取的热量以较高的温度释放到冷凝器。

4) 冷凝器将吸取的热量释放到系统水中，系统水在循环水泵的驱动下反复循环，末端设备利用系统水和室内空气的温度差，将热量散发至室内。

5) 机房夏季制冷模式介绍：末端设备利用系统水和室内空气的温度差，将室内热量排至系统水。系统水在循环水泵的驱动下反复循环，机组蒸发器从系统水中吸取热量，机组利用电力驱动的压缩机做功，机组将吸取的热量释放到冷凝器。

6) 冷凝器将热量排至中介水，中介水在循环泵的驱动下反复循环，污水换热器利用中介水和污水的温度差，将热量最终排至污水。

7 水源热泵主机选型

1) 主机选型

 该项目建筑面积49900m2。采用城市污水源热泵系统供暖空调供应。中央空调系统总冷负荷4900kW,总热负荷5390kW；空调冷热负荷为主要设备选型的依据。

 根据大夏要求，冷负荷2194kW，热负荷:1880kW，选用三台LSBLG1160MH热回收型满液式水源热泵主机，两用一备(恶劣条件下启动三台), 单台LSBLG1160型水源热泵，机组标准工况：制冷量：1160kW（冷冻水供回水温度7/12℃；冷却水供水温度18℃，冷却水量：107T/H），制热量：1218kW（热水供回水温度50/45℃；冷水供水温度15℃，冷水水量：107T/H），热回收量：300kW（热水供水温度50～55℃），制冷输入功率：205kW，制热输入功率：265kW,蒸发器压降66kPa，冷凝器压降64kPa，机组重量:6000kg，机组噪音：76dB(A)。

2) 空调机房系统

 夏季制冷：空调机组向末端系统提供7/12℃冷冻水；标准工况需冷却水供水温度18℃，所有机组满负荷运行时,冷却水总需求量为: 321 T/H

 冬季制热：空调机组向末端系统提供50/45℃热水；标准工况冷水侧供水水温为15℃，所有机组满负荷运行时,冷水总需求量为: 321 m3/h.

 使用侧水系统：冷热水系统为两管制一次泵变水量系统。机房内设置全自动软化水装置，自来水经过处理后储存在软化水箱，经定压补水装置补进系统,保证机房管道经过长时间运行，不会有水垢产生。

 生活热水系统：三台地源热泵均为热回收型附带热回收器，机组在制冷工况时回收冷凝热量，节约能源，制取免费生活热水。

8、空调系统自动控制

 空调机组根据空调系统负荷的变化，自动调节机组的运行负荷，节约能源。

 闭式定压补水系统，根据系统压力自动控制补水泵的运行情况。

 生活热水供水系统，生活热水加压泵采用变频控制，节约能源。

9 机房系统介绍

10 清水机房系统介绍

四、污水引进难点

 利用城市原生污水做热泵冷热源的最大技术难题是防止污水对管路、换热设备的污染．腐蚀与堵塞。主要包括较大杂物对系统的堵塞．易粘附在流道表面的物体对流动阻力与换热效率的影响和污水中腐蚀性成分对换热器材质的影响等方面。

 城市中水杂质较少，对系统的破坏性较小，是较好的余热资源，但其资源量有限。城市原生污水资源丰富，但是其水质很差，处理成本约为0.9元/T，为采用水源热泵而进行污水处理，将使系统的初投资和运行费用大幅度增加，显然不经济。因此应重点从污水换热工艺方面考虑如何避免污水中的杂物对于系统的影响，污水换热工艺和设备的选择是污水源热泵系统成功与否的关键，污水预处理和换热器的清洗更是其中的关键工艺。污水预处理一般采取一级或二级过滤，换热器清洗广泛采取了反冲洗工艺。

 污水源热泵有着广阔的应用前景，污水处理技术的关键问题是从未处理的城市污水中回收其热能 。

五、污水管道

 城市污水是由生活污水和工业废水组成，它的成分极其复杂。生活污水是城市居民日常生活中产生的污水，常含有较高的有机物（如淀粉、蛋白质、油质等）、大量柔性纤维状杂物与发丝、柔性漂浮物和微尺度悬浮物等。

 生活污水的水质很差，污水中的大小尺度的悬浮物和溶解化合物等污物的含量达到 1％以上。工业废水是各工厂企业生产工艺过程中产生的废水，由于生产企业（如：药厂、化工厂、印染厂、啤酒厂等）的不同，其生产过程产生的废水水质也各不相同。

 工业废水中含有金属及无机化合物、油类、有机污染物等成分，同时工业废水的PH值偏离7，具有一定的酸碱度。

六、污水的特殊性常使污水源热泵出现下列问题：

1. 污水流经管道和设备（换热设备、水泵等）时，在换热表面上易发生积垢、微生物贴附生长形成生物膜、污水中油贴附在换热面上形成油膜，漂浮物和悬浮固形物等堵塞管道和设备的人口。其最终的结果是出现污水的流动阻塞和由于热阻的增加而恶化传热过程；

2. 污水常引起管道和设备的腐蚀问题，尤其是污水中的硫化氢易使管道和设备腐蚀生锈。

3. 由于污水流动阻塞使换热设备流动阻力不断增大，引起污水量的不断减少，同时传热热阻的不断增大，又引起传热系数的不断减小，基于此，污水源热泵运行稳定性相对于其他水源热泵差。其供热量随运行时间的延长而衰减。

4. 由于污水的流动阻塞和换热量的衰减，使污水源热泵的运行管理和维护工作量加大。为了改善污水源热泵运行特性，需对换热器定期进行一次高压反冲洗。

5. 对污水水质处理的优劣是污水源热泵供暖系统成功与否的关键。

6. 要了解和掌握污水水质，应对污水作水质分析，以判断污水是否可作为低温热源。处理后污水中的悬浮物、油脂类、硫化氢等均要比原生污水小十倍乃至几十倍。

7. 污水源热泵常选用城市污水处理厂处理后的污水或城市中水设备制备的中水为它的热源与热汇。而城市污水处理厂通常远离城市市区，这意味着热源与热汇远离热用户。为了提高系统的经济性，常在远离城市市区的污水处理厂附近建立大型污水源热泵站。

六、防堵塞与防腐蚀的技术措施

堵塞与防腐蚀问题是污水源热泵空调系统设计、安装和运行中的重要的关键问题。其问题解决的好与坏，是污水源热泵空调系统成功与否的关键。通常采用的技术措施归纳为：

1. 由于二级出水和中水水质较好，在可能的条件下，宜选用二级出水或中水作污水源热泵的热源和热汇。这样其系统类似于一般的水源热泵系统，净化后的污水不会引起由电镀碳钢制成的蒸发器腐蚀问题。

2. 在设计中，宜选用便于清污物的淋激式蒸发器和浸没式蒸发器。污水水水换热器宜采用浸没式换热器。

七、在原生污水源热泵系统中要采取防堵塞的技术措施：

1. 在污水进人换热器之前，系统中应设有能自动工作的筛滤器，去除污水中的浮游性物质，如污水中的毛发、纸片等纤维质。目前常用自动筛滤器、转动滚筒式筛滤器等。

2. 在系统中的换热管中设置自动清洗装置。去除因溶解于污水中的各种污染物而沉积在管道内壁的污垢。目前常用胶球型自动清洗装置-钢刷型自动清洗装置等。

3. 设加热清洁系统。用外部热源制备热水来加热换热管，去除换热管内壁污物，其效果十分有效。

4. 在污水源热泵空调系统中，易造成腐蚀的设备主要是换热设备。

5. 对原生污水源热泵，宜选用钛质传热器和铝塑传热管。

注意：

– 钛质传热管与其他材质相比较，其价格昂贵。

– 到铜管对污水中的酸、碱、氨、汞等的抗腐蚀能力相对较弱。

– 钢制、铝制换热管的表面电镀铜合金表面后不适用于污水源热泵 系统。

– 加强日常运行的维护保养工作是不可忽视的防堵塞、防腐蚀的措施。进行定期的水力冲洗，每月对污水换热器进行1次高压反冲洗，否则，易出现污水堵塞而使污水量减少。

八、结论

 热泵技术是一种高效环保的节能技术，在制定空调方案时应结合项目外部条件充分考虑采用各种形式的热泵系统的可行性。

 污水源热泵充分利用可再生能源，集制冷制热生活热水于一体，一机多用，相对于常规地源．水源热泵系统具有更高的技术经济性，在城市污水源条件应用的地方应考虑将其作为首选方案。

 按本文中所给的计算条件和能源价格，采用污水源热泵系统总投资与常规燃气锅炉和电空调相结合的冷热供应系统接近，年燃料费用则明显低于常规系统，具有显著的技术经济性。

参考文献

[1] 方肇洪，地源热泵技术集成及其推广应用，通用机械，9：13－15，2004

[2] 水源•地源•水环热泵空调技术及应用/蒋能照、刘道平等编著，北京：机械工业出版社，2007.3

[3] 热泵技术/张旭等编著.北京：化学工业出版社，2007.1

作者介绍

高士清（1966-），男，湖北人，高级工程师，贝莱特空调研究院院长。

邮编253022,email [email protected]