污水源熱泵工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用

　　某污水處理廠污水源熱泵工程位于滄州市迎賓大道以西，經(jīng)一路與渤海路交口西南角的位置，小流津河?xùn)|岸。一期工程的廠區(qū)綜合樓、污泥脫水間、加藥間、配電室值班等室內(nèi)需要供暖，供暖面積3000余平米。原設(shè)計(jì)采用市政熱源，通過廠區(qū)新建換熱站為廠區(qū)提供熱媒。一次網(wǎng)供回水溫度為105/55℃，二次網(wǎng)供/回水溫度70/45℃。

　　污水處理廠的一期設(shè)計(jì)規(guī)模為6萬噸/天;二期設(shè)計(jì)規(guī)模也為6萬噸/天。二期工程建成后，運(yùn)西污水處理廠的整體日處理規(guī)?？蛇_(dá)到12萬噸/天。在一期工程建設(shè)運(yùn)營中，發(fā)現(xiàn)污水排放的水質(zhì)比較好，污水量比較穩(wěn)定，冬季污水平均水溫在13℃左右，夏季污水平均水溫在20℃左右。按照保守的日處理污水量3萬噸/天計(jì)算，從排放的污水中提取3℃的溫差，冬季污水可提供4300kW的熱量，該熱量可供10平米小區(qū)冬季供暖使用。如果未來二期建成后，按照12萬噸/天排放量計(jì)算，污水的低位熱量至少可供30萬平米小區(qū)供暖使用，能產(chǎn)生極為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

　　正是基于這一點(diǎn)考慮，結(jié)合廠區(qū)自身的供暖要求進(jìn)行了調(diào)整，采用污水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖，同時(shí)，還考慮使用該系統(tǒng)解決廠區(qū)夏季空調(diào)的需求。

　　目前，市場上污水源熱泵設(shè)備已比較成型，設(shè)備冷凝側(cè)可提供50℃熱水，蒸發(fā)側(cè)最低可出5℃的冷水。因此，該工程的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在于污水側(cè)換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算。污水換熱器可以分為兩種設(shè)計(jì)思路：

　　(1)把換熱器放在換熱機(jī)房里，污水池內(nèi)設(shè)潛水泵將污水送入機(jī)房換熱器，換熱完畢后再排入污水池。該方案優(yōu)點(diǎn)是比較好布局，施工簡單。缺點(diǎn)是增加了潛水泵的功耗，同時(shí)，污水換熱管線里始終流動(dòng)的是污水，易腐蝕管路。進(jìn)換熱器入口需要設(shè)置快速除污器，需要定期進(jìn)行除污清洗，增加了售后維護(hù)工作。

　　(2)制作專門的污水源換熱器，將污水源換熱器直接放入污水池中，利用污水自身的水流進(jìn)行換熱。這樣減少了一次水泵的循環(huán)功耗，提高了節(jié)能效果。另外，與熱泵機(jī)組進(jìn)行換熱的循環(huán)水系統(tǒng)采用軟化水，既保證了水質(zhì)干凈清潔，又避免了管路的堵塞和腐蝕。

　　運(yùn)西污水現(xiàn)場實(shí)際情況是污水經(jīng)過處理后，通過一段污水排放池后，排入市政污水管道。這段排放池長40多米，寬2米，內(nèi)設(shè)紫外線消毒渠、巴氏計(jì)量槽，該裝置對(duì)污水排放流道有一定要求，如圖示?？紤]這種特殊要求，將專門的污水源換熱器設(shè)置在污水進(jìn)入排放池的前面，充分利用污水自身流速進(jìn)行換熱(如圖1)。

　　一、方案設(shè)計(jì)依據(jù)

　　污水處理廠日處理污水量為60000噸/天，考慮尖峰和低谷的因素，按平均小時(shí)排水量1250m3/h計(jì)算，以此水量進(jìn)行換熱器選型計(jì)算依據(jù)。污水源熱泵機(jī)組夏季冷凝器設(shè)計(jì)溫度為45/40℃，冬季蒸發(fā)器設(shè)計(jì)溫度為9/6℃，污水進(jìn)行換熱器時(shí)，冬季參數(shù)較為不利，因此，以冬季工況進(jìn)行選型計(jì)算。

　　室外氣象參數(shù)：供暖室外計(jì)算溫度-7.1℃；冬季通風(fēng)室外計(jì)算溫度-3℃；夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度34.3℃；夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度26.7℃；夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度30.1℃；

　　室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度：

　　冬季：辦公、值班等生活房屋室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度為tn=20℃;有人巡視而不久留的房間，室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度為tn=12℃。

　　夏季：辦公、值班等生活房屋空調(diào)設(shè)計(jì)溫度：26℃;

　　按照目前采暖總面積，根據(jù)《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施――暖通空調(diào)》及《民用建筑空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范要求》，考慮外管網(wǎng)熱量損失，冬季熱負(fù)荷需170kW，夏季制冷量165kW。設(shè)計(jì)計(jì)算過程如下：

　　在污水池設(shè)置換熱器：污水池深1.5米，寬2米，將該換熱器直接放置在污水排放池中，污水池溫度11℃;熱泵機(jī)組蒸發(fā)器出水進(jìn)該換熱器溫度為6℃，出該換熱器為9℃;換熱量為200kW，材質(zhì)為不銹鋼。

　　機(jī)組選用兩臺(tái)污水源熱泵機(jī)組，單臺(tái)制熱量175kW，耗電功率36kW;蒸發(fā)器供回水溫度：6/9℃，循環(huán)水量50m3/h，冷凝器進(jìn)出水溫度50/45℃，循環(huán)水量20m3/h;

　　室內(nèi)熱水循環(huán)泵設(shè)置2臺(tái)，一用一備，循環(huán)水量40m3/h，揚(yáng)程32m;污水源側(cè)循環(huán)泵設(shè)置2臺(tái)，一用一備，循環(huán)水量60m3/h，揚(yáng)程30m。

　　二、換熱器熱力計(jì)算

　　(1)原始數(shù)據(jù)。

　　熱泵機(jī)組冷凍水進(jìn)口溫度t1′=6℃;出口溫度t1?=9℃;

　　污水側(cè)冷水流量G1=1250000kg/h;污水冷卻流入溫度t2′=11℃;污水冷卻流入出溫度t2?=10℃。

　　(2)計(jì)算溫度及物性參數(shù)：

　　污水冷卻水的定性溫度t2=(t1′+t1?)/2=(10+11)/2=10.5℃;

　　冷卻水的密度查物性表得ρ2=992.9kg/m3;

　　冷卻水的比熱查物性表得Cp2=4.174kJ/kg.℃;

　　熱泵機(jī)組冷凍水的定性溫度;

　　冷凍水的密度查物性表得ρ1=976kg/m3;

　　冷凍水的比熱查物性表得Cp1=4.192kJ/kg.℃

　　(3)傳熱量與水熱流量

　　取定換熱器熱效率為η=0.98;

　　污水側(cè)可提供的熱量：

　　完全可以滿足所需要提取的熱量。

　　污水換熱器二次側(cè)換熱量：

　　逆流平均溫差：

　　根據(jù)浸沒在液體中的盤管總傳熱系數(shù)大致值，W/(m2?℃)如表1。

　　初定傳熱系數(shù)K0=1000W/m2?℃;

　　選用φ16×1.5無縫鋼管作換熱管;管子外徑d0=0.016m;管子長度取為l=6m;管子總數(shù)：

　　三、換熱器的設(shè)計(jì)制作

　　根據(jù)污水連續(xù)運(yùn)行無堵塞換熱技術(shù)的要求，換熱器制作需要采用特殊設(shè)計(jì)，換熱管需要采用不銹鋼材質(zhì)的高效換熱管，管徑相對(duì)于普通機(jī)組加大25%和璧厚加大20%，保證設(shè)備的運(yùn)行效率和使用壽命。為避免換熱器與污水流通截面被污水內(nèi)藻類雜質(zhì)堵塞的可能，同時(shí)，便于以后清洗換熱管時(shí)，操作簡單方便，應(yīng)當(dāng)合理調(diào)整換熱管間的距離，保證長期使用的可靠性。因此，單根換熱管的長度取為6m，直徑Ф16mm，厚度δ=1.5mm;(如圖2)。

　　U形管的尺寸

　?、賃形管彎管段的彎曲半徑

　　U形管彎管段的彎曲半徑R(見圖3)應(yīng)不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑Rmin可按GB151-1999表11選取，取Rmin=40mm。考慮污水側(cè)有時(shí)會(huì)有藻類雜質(zhì)流通，防止U形管間距過小影響污水流通，取換熱管的彎曲半徑R=76mm。

　　四、換熱管間距

　　換熱管的中心距宜不小于1.25倍的換熱管外徑，根據(jù)GB151-1999要求，考慮污水流通性，取換熱管中心距為S=32mm(見圖4)。

　　污水側(cè)換熱器完成后，整體工程的安裝布局按照如下原理圖進(jìn)行了布局和施工，考慮該系統(tǒng)需要解決辦公樓夏季制冷需要，因此，在辦公區(qū)室內(nèi)增加了風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，這樣可滿足辦公樓冬夏季使用(見圖5)。

　　五、運(yùn)行情況分析

　　目前機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)水溫14℃，冷凝器側(cè)水溫49℃，機(jī)組50%負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行狀況良好。

　　污水源熱泵年運(yùn)行費(fèi)用：

　　主要機(jī)組設(shè)備冬季平均投運(yùn)功率：43kW;年平均運(yùn)行時(shí)間：12小時(shí)/天;120天/年;

　　電耗：43kW×12小時(shí)/天×120天/年×0.8元/kW.h=4.9萬元;

　　采用污水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖和空調(diào)使用，具有以下優(yōu)勢：

　　(1)緩解能源消耗，利用城市污水作為熱源對(duì)建筑進(jìn)行采暖，可以直接減少其他短缺能源的消耗。

　　(2)保護(hù)環(huán)境，污水源熱泵供暖系統(tǒng)是利用低溫污水作為熱源無燃燒、無排渣、無排煙等過程，從環(huán)保方面看，熱泵運(yùn)行對(duì)環(huán)境是零污染。

　　(3)經(jīng)濟(jì)效益顯著，如電價(jià)按民用電價(jià)計(jì)算，出水溫度在50度以下，與集中供熱相比可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用30%左右。

　　(4)社會(huì)效益顯著，可替代傳統(tǒng)的供熱鍋爐，避免建設(shè)新的集中供熱鍋爐房，對(duì)節(jié)約資源、提高能源利用、減少污染物排放，改善城市環(huán)境、提高居民生活質(zhì)量。

　　六、結(jié)語

　　結(jié)語本次污水源熱泵是利用污水出水量大、水質(zhì)穩(wěn)定、溫度適宜等特點(diǎn)，以污水作為熱源進(jìn)行制冷、制熱循環(huán)的一種空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有熱量輸出穩(wěn)定、COP值高、換熱效果好、機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)污水資源化的有效途徑。污水源熱泵比燃煤鍋爐環(huán)保，污染物的排放比空氣源熱泵減少50%，比電供熱減少75%。它節(jié)省能源，比燃煤鍋爐節(jié)省1/2以上的燃料。由于污水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，其制冷、制熱系數(shù)比傳統(tǒng)的空氣源熱泵高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)用僅為普通中央空調(diào)的50%～60%。因此，該項(xiàng)目的實(shí)施，有著很高的經(jīng)濟(jì)效益。(來源：滄州市供水排水集團(tuán)有限公司)