某污水源热泵系统工程设计及应用分析

1、 某污水源热泵系统工程设计及应用分析刘江涛（阳泉市建筑节能监督管理中心，山西阳泉045000）【摘要】为解决阳泉市某污水源热泵空调工程的技术难题和投资控制，对该工程的取水量、取水方案、污水源热泵系统集成等进行了设计计算和分析，而后将污水源热泵系统与常规系统进行了经济性比较、节能性比较和环境影响评价。项目设计空间节省量大，构思新颖，技术含量高，和周围环境相得益彰。【关键词】污水源热泵；一体化污水源热泵机组；污水取水；节能性比较【中图分类号】X706【文献标识码】B【文章编号】16713702（2012）05005904作者简介：刘江涛，男，工程师，阳泉市建筑节能监督管理中心主任，主要从事工业与民

2、用建筑设计、施工质量监督管理方面的工作。1引言随着国家“十二五”规划的提出，“节能减排”成为我国当前的时代主题，城市生活污水冷热能在建筑节能技术中的研究应用，受到了日益广泛的关注1。城市生活污水作为热泵冷热源具有以下优点：冬暖夏凉、受气候影响小、水温变化幅度小；水量充足，可利用区域广阔；机组运行稳定可靠，经济效益明显；属于可再生能源，环境效益显著24。在国外，污水源热泵应用技术相对较为成熟，已形成一套较为完备的技术和经验5，6；在国内，污水源热泵技术推广应用相对较晚，主要体现在污水源热泵空调及卫生热水系统应用上，但发展很快7。目前，虽然尚未实施特大项目的城市污水源热泵系统，但在全国许多城市已有

3、污水源热泵示范工程开始申报、建设或投入使用。2项目概况某工程的污水源热泵空调工程是阳泉市首例应用城市原生污水作为冷热源的空调工程。一期工程空调面积2.13万m 2，夏季空调冷负荷3153kW ，冬季空调热负荷2852kW ；二期工程空调面积2.07万m 2，夏季空调冷负荷3096kW ，冬季空调热负荷2939kW 。项目场地距市政一级污水总管网仅70m ，管网内全年污水流量稳定，平均流量约1690m 3/h，污水温度适宜，取水高差仅6m 。 第30卷2012年第5期案例分析ase AnalysisThe Engineering Design and Application Analysis i

4、n the Sewage Source Heat Pump SystemLIU Jiang-tao(Yangquanbuilding energy saving supervision and management center, Yangquan Shanxi 045000, ChinaAbstract:In order to solve the problem of technology and investment control in the sewage source heat pump which is used in air conditioning engineering in

5、 Yangquan city, the quantity of water, the water solution and integration of sewage source heat pump system has been calculated, analyzed, and then compared with the economic, energy conservation and environment impact assessment between sewage source heat pump system and common system. The project

6、design has saved large space, and is novelty idea, high technical content and matches the form of its surroundings.Keywords:Sewage source heat pump; Sewage source heat pump integration unit; Sewage water; Comparison of energy conservation59-3污水源热泵系统设计3.1系统原理根据空调负荷要求，项目一期选用间接式污水源热泵系统8。在夏季制冷工况下，污水温度比中

7、介水温度低，高温中介水通过板式换热器的对流换热作用，将热量传递到低温污水，使高温中介水的温度下降，温度下降后的中介水再输送至水源热泵机组冷凝器侧从而完成制冷工况；同理，在冬季制热工况下，污水温度比中介水温度高，高温污水通过板式换热器的对流换热作用，将热量传递到低温中介水，使低温中介水的温度升高，温度升高后的中介水再输送至水源热泵机组蒸发器侧从而完成制热工况。其工作原理流程如图1所示。3.2取水工程设计1）取水量计算项目地靠近城市污水干管，取水高差仅6m ，污水温度适宜，污水夏季最高月平均温度为25，冬季最低月平均温度在10以上。若取夏季污水设计取水温度为25，回水温度为30。所选热泵机组在设计

8、工况下的制冷能效比（EER）为5.3，则所需取水量L 为：L =Q lEER+11C p t（1）式中：Q l 夏季空调设计总冷负荷（W ）；EER 制冷能效比；C p 水的定压比热容（J/kg·）；t 设计供回水温差（）。通过计算可得，夏季空调系统所需污水量为1277m 3/h，污水水量完全满足夏季取水要求。若取冬季污水设计取水温度为10，回水温度为5。所选热泵机组在设计工况下的制热能效比（COP ）为4.5，则所需取水量L ' 为：L t =Q rCOP 11p （2）式中：Q r 冬季空调设计总热负荷（W ）；COP 制热能效比；其他参数同上。通过计算可得，冬季空调系统

9、所需污水量为775m 3/h，污水水量同样满足冬季取水要求。2）取水方案设计污水源热泵空调系统的关键在于取水方式的选择。本项目污水水量充足，取水高差小，取水点位置距离项目地很近。经分析和考虑，并结合当地市政规划要求，最终选择在项目地附近市政公路旁修建污水换热泵房，如图2所示。污水沉淀池紧贴市政污水总管网，同时污水换热泵房设置于沉淀池上方。其具有以下优势：污水取水及输送管道短，输送热损失小，管道保养费用相对较低；可有效增加污水沉淀、过滤空间及时间，污水过滤充分；四级沉淀池内污水水质相比较好，可相对延长换热器清洗周期及系统维护费用。在污水换热泵房施工期间，为不影响污水市政管网的正常工作，在市政主干

10、管的施工段设计了污水取水旁通管，通过闸门井来控制管内污水流动。施工结束后可考虑保留污水旁通管及控制闸门井，以便于后期系统检修及清理维护，如图3所示。图1间接式污水源热泵工作原理流程图案例分析ase Analysis60- 图2污水换热泵房示意图3.3污水源热泵集成系统设计项目采用自行研发生产的组合式一体化污水源热泵机组，它是集水质过滤、水质监测、系统循环、系统控制、冬夏季运行工况转换、系统配电、能耗测评、数据采集、远程控制于一体的污水源热泵集成机组。该机组可有效过滤颗粒物及漂浮物，过滤精度小于1mm ，滤沙量达到90%。机组内设1台全程水处理器，可有效去除藻类及部分微生物。4污水源热泵系统应用

11、分析4.1经济性分析1）初投资及运行费用为了解污水源热泵系统的经济效益，选用常规水冷机组+燃气锅炉系统与之进行相关经济性对比，其初投资（不含末端系统费用）及运行费用对比如表1所示。由表1可以看出，采用污水源热泵系统比采用常规空调系统每年可节约运行费用88万元，增加的初投资262万元。2）静态回收期N=T （3）式中：N 静态回收期（年）；T 增加的初投资费用（万元）；Q 每年节约的运行费用（万元）。可得，静态投资回收期为2.98年。3）动态回收期通过资金回收的折现系数可以得出污水源热泵系统的现金流量（银行基准利率为6.4%）。其折现系数计算方法如下：R=11+i（4）式中：R 折现系数；i 折

12、现率，即银行基准利率；n 年数。可以得出，污水源热泵系统投资回收的现金流量情况如表2所示。表1初投资及全年运行费用对比方案污水源热泵系统常规空调系统污水源热泵节省费用（万元）初投资（万元）685423262全年运行费（万元）21029888图3污水取水施工设计示意图61-根据累计现金流量的计算可以求得投资回收期：P t =N 1+AB（5）式中：P t 投资回收期；N 累计净现金流量开始出现正值的年份数；A 上年累计净现金流量的绝对值；B 当年净现金流量。计算得动态投资回收期为4.42年。4.2节能效益分析项目采用污水作为空调的冷热源，与常规空调方案相比，采用污水源热泵空调方式全年运行节省能耗

13、折合标煤为3.56×105kg ，折合电能为1.02×106kW ·h ，折合一次能为1.04×1010kJ ，节能效果显著。相比常规空调系统，全年运行能耗节约率为31.8%。燃煤发电产生的污染物主要有CO 2、SO 2、NO 2、TSP 等。依据我国现阶段燃煤发电平均水平，每发电1kW ·h 平均消耗0.4kg 标准煤，其污染物排放定额如表3所示。由以上节能量的计算分析可以计算，采用污水源热泵空调系统全年运行节省燃煤356t/a，减少CO 2排放938t/a，减少SO 2排放3.04t/a，减少NO 2排放2.64t/a，减少TSP 排放0.

14、58t/a。4.3环境影响分析本项目污水取水直接取自市政污水一级总管网，夏季空调取水量为1277m 3/h，冬季空调取水量为775m 3/h，最佳取水温差为5。由热平衡方式可以计算得出污水的温升。M S ×T j +M t ×T t =M j ×T（6）式中：M S 扣除取水量后的污水流量（m 3/h），即M S =T j M t ；T j 污水温度（）；M t 退水量（m 3/h）；T t 退水温度（）；M j 污水流量（m 3/h）；T 退水与污水混合后的温度（）。经计算得出，夏季污水换热后温升到28.8，冬季污水换热后温降到7.7。项目污水换热后经泄压井排至

15、污水干管下游，其污水流量和污水水质基本没有改变，仅污水温度发生变化。该温度变化对下游污水处理厂的污水处理工艺基本无影响。同时，由于污水取水点距离污水处理场距离较远，污水在沿途流动过程中温度通过与土壤换热逐渐得到恢复，可认为本项目取排水对市政污水处理无明显影响。5结语该项目因地制宜地利用换热泵房的地下空间设计了污水取水池，大大节省了取水空间，有利于改善取水水质，减少系统清洗维护费用。项目一期采用自行研发生产的组合式一体化污水源热泵机组集成化管理，进一步节省机房面积及初投资，构思新颖，技术含量高，和周围环境相得益彰，是一个符合环保、节能的工程设计。参考文献1马最良，姚杨，赵丽莹. 污水源热泵系统的

16、应用前景J.中国给水排水，2003，19（7）.2林真国. 城市生活污水冷热资源建筑应用研究D.重庆大学博士学位论文，2010，（4）：15.3黄国琦. 城市污水源热泵的开发与应用J.流体机械，2005，33（6）. 4冯彦刚. 城市污水资源化的研究D.北京工业大学工学硕士论文，2001，（6）：14.5BaekNc. A Study on the Design and Analysis of a Heat Pump Heating System Using Waste Water as a Heat SourceJ.Solar Energy ，2005，78（3）：421445.6朱明清. 污水源热泵系统设计及性能分析D.南京理工大学工学硕士论文，2010，（6）：515.7宋建华. 污水源热