污水源热泵空调系统的设计及应用

1、污水源热泵空调系统的设计及应用山东建筑大学 曲云霞 黄峰 楚广明烟台和立空调装饰有限公司 胡加升中国石化齐鲁有限公司供排水厂 王伟华摘要：齐鲁石化水厂原来采用分体空调对车间供冷，冬季采用蒸汽换热后制备热水后对车间和办公楼进行供热。现在对原有空调及采暖系统进行改造，采用设计方案为：夏季利用地下水作为热泵机组的冷却水源为办公建筑与车间提供冷冻水，采用风机盘管作为末端设备来进行降温；冬季利用该厂丰富的温度为30-40的工业污水作为机组的吸热源，为车间及办公楼提供热。经过一个冬季的使用结果表明，供热效果良好，而且在夏季空调面积增加的情况下，增加的设备投资在两年内即可收回。 关键词：污水源热泵；工业污水

2、；供冷；供热1、前言随着国民生产的发展，我国城市污水厂的处理量增长较快。根据国家环境保护“九五”计划和2010年远景目标，2005年污水处理量达到20010m 左右， 2010年城市集中污水处理率将达40%，83新增城市污水处理厂1000余座，到2015年城市污水年处理量将达到360.9510m 。城市污水具有量83大、集中、水质较为稳定的特点，把经过处理的污水回用于工业、市政、农业、建筑等领域，大力发展城市污水资源化，对于贯彻落实可持续发展战略，妥善处理好经济发展同人口、资源、环境的关系，具有十分重要的意义。城市污水资源化是结合我国水、能源以及环境状况提出的发展国民经济的有效途径。对城市污水

3、进行回用，一定程度上缓解了我国的水资源缺乏问题；开发利用污水中所蕴含的低位能源，为我国国民生产提供部分清洁能源，可以取代部分燃煤锅炉，以适当缓解我国的环境问题；在尚未有效利用的低温能源中，城市废热之一的污水因一年四季温度变化较小，数量稳定，具有冬暖夏凉的温度特征，且储存的热量较大，易于通过现有的城市污水管道进行收集等特点，而被公认是可回收和利用的清洁能源，污水源热泵技术即是利用该低位能源的有效途径之一。随着人民生活水平的提高，在空调和热水供应方面所消耗的能源显著增加，而这种能源需求对温度要求通常是在5060的中低温区域。对这部分能源的消费，大多是通过燃烧化石燃料来获取几百度到上千度以上的高位能

4、源来实现，从而导致大量的能源浪费。如果通过利用城市污水中热能来满足这部分能源需求，将节省高品位能源，提高能源的综合利用率。污水源热泵是利用污水处理厂中水或原生污水出作为热源进行制冷、制热循环的一种空调装置。它具有热量输出稳定、COP 值高、换热效果好、机组结构紧凑等优点，是实现污水资源化的有效途径。2、污水源热泵系统的类型污水源热泵系统按照其使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和以二级出水或中水作为热源/热汇的污水源热泵系统；根据污水与热泵的热交换部分是否直接进行热交换，可分为间接利用系统和直接利用系统；从工况转换方式上看，大体可分为两种：一种是制冷剂流向的

5、切换，即通过四通换向阀的换向来实现制热工况和制冷工况的转换；另一种是水切换式，即通过阀门改变水流方向来实现工况转换。由于考虑到污水水质及污水中污物对热泵机组的影响，目前国内多采用间接式污水源热泵系统。本文中的实例即为利用工业污水的间接式污水源热泵系统。3、工程概况中国石化齐鲁有限公司供排水厂（以下简称齐鲁石化水厂）主要负责处理“引黄济青”工程中淄博段黄河给水的处理和销售，以及中国石化齐鲁有限公司生产过程中污水的处理和排放。进入该厂的污水温度为3040，为了满足污水处理工艺过程的要求，在处理过程中，要向污水中加入大量的地下水，以降低污水的温度达到排放指标。该厂主要由净化车间、设备间、库房和办公楼

6、组成，总建筑面积约为9000平方米。净化车间全年需要保持一定的温度，因此原有设计方案为，净化车间冬季利用汽水换热器换热制备低温热水来供暖，末端设备为暖气片；夏季采用150台分体空调维持室内温度；办公楼和设备间冬季均采用散热器热水供暖，夏季无空调设施。因此原有夏季空调面积大约为3000m 2，冬季供暖面积约为5500m 2。根据厂方提供的数据，该厂冬季采暖所耗费用为85万元，夏季空调所耗电的费用为48万元，因此厂家觉得费用太高，希望能够根据该厂现有条件，对原有系统进行改造和设计，降低运行费用。4、空调方案设计4.1全年空调方案通过调查发现，该厂有优越的自然条件可以利用，首先有充沛的地下水资源，可

7、利用的深井水流量在100m 3/h以上，地下水温度为1620；其次具有大量工业污水，污水温度为3040。这些有利条件很适合使用水源热泵空调来为厂区供冷和供热。经过与厂方协商，决定采用水源热泵空调系统，具体方案如下：冬季，直接利用生产污水作为办公楼、设备间、库房和净化车间的吸热源向房间供热。为了节省设备费用，冬季设备间和净化车间仍采用原有的散热器供暖，只有办公楼和车间的值班岗位增设了风机盘管作为房间的末端设备。夏季，利用地下水作为热泵机组的放热源，利用水源热泵机组为办公楼提供712的冷冻水。空调总冷负荷约为450kW ，热负荷为500kW 。考虑到以后的发展，选用SGHP600A 螺杆水源热泵机

8、组，机组额定工况下制冷量为522 kW，进出水温度为7-12，制热量为574 kW，进出水温度为52-42。采用该方案后，一方面，充分利用了污水中的热量，节省了使用蒸汽采暖的费用，同时，使污水温度降低，减少了污水处理过程中地下水的用量，节省了地下水的用量，真可谓一举两得。4.2污水源供暖方案考虑到污水水质对热泵机组的影响，本工程中采用间接式污水源热泵系统，冬夏季工况采用水侧切换方式，系统流程见图1。冬季供暖时，阀门V1、V3、V5、V7、V8关闭，其余阀门开启。在该工程中，所利用的污水源主要是匀质池中的污水。由于污水中含有较高氯根、有机溶剂、碱性、和悬浮物，因此污水对铁、铜、普通不锈钢、部分种

9、类的塑料都具有较强腐蚀性。最终选择采用PEX 管作为污水换热器管材，换热器内加入自来水作为循环介质，通过自来水吸取污水中热量，然后与热泵机组进行热交换为用户提供50左右热水。在污水池中，污水换热器的设计直接影响到机组的制热量。考虑到匀质池的清淤问题，污水换热器沿着池内壁均匀敷设，而且管之间相隔一定间距，以利于热量的补水图1 机房流程图吸收和污水换热器的清洗。由于管子紧靠池内壁敷设，使得换热器的传热效果降低，因此传热面积应适当加大。本工程中采用32的PEX 管近5000m ，传热面积近500m 2。4.3地下水供冷方案由于该厂污水温度较高，夏季温度在35左右，因此采用污水作为冷却水不经济。而该地

10、有丰富的地下水资源，地下水温度在16左右，是很好的冷却水源，而且该厂已有的地下水井水量充沛，管道连接方便。因此，夏季利用深井水作为热泵机组的冷却水，将用户的热量通过机组释放到深井水中，同时制备冷冻水为用户提供冷量。井水中因含有泥沙，硬度较高，需经过处理才能进入机组。本工程中采用螺旋除沙器去除泥沙，用电子水处理仪防止结垢，夏季空调流程见图1。夏季工况时，阀门V1、V3、V5、V7、V8开启，其余阀门关闭。4.4使用情况调查该工程于2006年1月投入运行，运行结果表明，机组冬季供给用户的热水温度在46左右，回水温度为41左右。污水侧污水换热器内进口温度为25左右，出口温度为30左右。2006年1月

11、22日，通过实测，办公楼和值班岗位室内实际温度在2022之间，库房和车间温度达到12以上（工艺要求达到10以上即可），结果表明，采用该方案后，室内空气温度完全达到用户要求。5、系统经济性分析5.1原有方案经济性分析采用原有方案时，根据厂方提供的数据，净化车间冬季采暖蒸汽耗量约为2.4 t/h，当地蒸汽价格为124元/ 吨，当地采暖期按120天计算，故该厂冬季采暖费用约为2.4×24×120×124=857088元净化车间夏季共有150台分体空调，每台的额定功率为1.5kW ，假定夏季空调运行时间为90天，当地电价按0.6元/kWh，则夏季消耗电费为 去空调用户1.

12、5×150×24×90×0.6=291600元。故该厂净化车间一年采暖及空调运行费用约为115万元。5.2现有空调方案经济性分析采用现有空调方案后，冬季空调系统的运行费用主要为热泵机组和水泵的电费。根据机组测试的数据表明，机组冬季实际供热量约为600kW ，机组满负荷时电流为220A ，计算得到机组实际输入的电功率为123kW ，热泵机组实际制热系数高达4.8，水泵的功率为15kW ，因此冬季实际的耗电量为：（123+15）×24×120×0.6×0.75=178848元由于运行时间较短，缺乏夏季运行数据。因此在比

13、较经济性时，只能根据理论计算来进行比较。根据测量当地地下水温度为16，根据地下水温度和用户侧的额定工况（7度供水，12回水），通过理论计算得到热泵机组夏季耗功量为105 kW，假定水泵功率不变，则夏季耗电量为（105+15）×24×90×0.6=155520元由此可见，现有的空调方案中夏季空调面积增加了，但耗电量反而减少了，全年总耗电量约为33万元。因此一年即可节省运行费用80万元。当然，现有空调方案中增设了热泵机组、水泵、污水换热器和风机盘管等，设备投资增加，实际工程投资约为119万元，由此可见，增加的设备投资在2年内即可收回。6、结论该厂原来冬季利用热电厂蒸汽通过换热器转换为低温热水进行采暖，夏季采用分体空调为车间降温，每年运行费用高到115万元。空调供暖用系统经过改造以后，空调面积比原来增加了近2000m 2，工程投资约为119万元，但运行费用每年只有33万元，即每年即可节省80万元，增加的费用一年内即可收回。同时，经过一个采暖季的运行测试表明，供暖效果良好，完全达到用户需求。另外，由于利用