城市原生污水源热泵系统的工程应用及可行性分析

0引言
近年来，随着我国经济的迅猛发展和城市建设步伐的加快，建筑采暖空调的普及率快速提高，导致暖通空调能耗急剧增长，由此带来的生态污染与环境破坏也日趋严重。

在保护和利用好现有资源的基础上，世界各国积极努力地寻找着解决目前资源短缺和保护环境不再恶化的措施。

其中，利用污水源热泵就是其中最有力的措施之一[1]。

城市污水源热泵具有环保、节能、节水、减排温室气体等诸多优点，恰好符合了“
大力发展循环经济，建设节约型城市”的要求[2]。

本文对呼和浩特市伟业大厦这一国家可再生能源示范项目进行研究分析，以期城市污水源热泵技术在内蒙古其他地区得到更加广泛的推广与应用。

1呼和浩特市污水处理厂状况及污水特征
城市污水的处理量在某种程度上标志着城市污水热能的贮存量，为了使污水排放设施适应城市的发展，提高管网普及率和污水处理率，尽快改善城市水环境，呼和浩特市政府把城市污水排水工程系统改造作为一项重要工作在过去的“十一五”期间已落到了
实处。

目前已改建完成的污水处理厂有：辛辛板污水
处理工程、章盖营污水处理厂、公主府污水处理厂和如意白塔污水处理厂。

呼和浩特市辛辛板污水工程一期工程为5万m 3/d 一级处理，二期工程污水处理能力达到10万m 3/d ，并由一级处理提高到二级处理，三期工程不仅将污水处理能力提高到15 万m 3/d ，而且还新建了4.2万m 3/d 污水深度处理系统，经再次处理的污水可在特定场合二次使用[3]。

呼和浩特市各污水处理厂状况及污水特征参数见表1。

随着经济的较快增长及城市化进程的加快，呼和浩特市污水排放量将会持续保持增加。

污水处理厂大都采用的是二级生化处理技术，出水水质较好，适用于污水源热泵系统的建设。

污水源热泵系统冷热源的选择除直接引用经污水处理厂处理后的污水之外，还可引用项目所在地附近的原生污水管道中的城市原生污水。

近年来随着污水源热泵系统防除污设备及技术方案的日趋成熟，城市原生污水作为蕴含着巨大热量的低位冷热源也得到了充分的利用。

伟业大厦污水源即取自乌兰察布东路市政污水主干管中的原生污水，污水自东向西流动，主干管直
收稿日期：2012-05-18；
修回日期：2012-06-02
城市原生污水源热泵系统的工程应用及可行性分析
杨佳璐，
徐向荣
(内蒙古工业大学，呼和浩特
010051)
摘要：利用污水源热泵回收城市污水中的热能，既减少了煤炭等不可再生能源的使用，又降低了消耗传统能源对大气环境所造成的污染，从而不但开发了可再生能源，而且保护了环境。

以呼和浩特市伟业大厦可再生能源示范项目为例，对城市污水源热泵系统的应用进行了一定的研究分析，得出结论：城市污水是一种理想的低位冷热源，污水源热泵系统具有显著的节能、经济、环保效益。

关键词：城市污水；
污水源热泵系统；
节能；经济性比较中图分类号：
TU831
文献标志码：
A
文章编号：
1673-7237(2012)09-0025-04
Application and Feasibility Analysis of Urban Sewage Source Heat Pump System
YANG Jia-lu,XU Xiang-rong
(Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China)
Abstract: Recovery of heat energy in municipal waste water heat pump system could reduce the use of coal and other non-renewable energy,and reduce the pollution caused by the consumption of traditional energy sources on the atmospheric environment,exploring new clean energy and protecting the environment.The analysis and application of urban sewage source heat pump system were introduced on a renew －able energy demonstration project in Hohhot.The results show that urban sewage is an ideal heat and cold sources.The energy-saving envi －ronmental and economic benefits of urban sewage source heat pump system are remarkable.
Key words: municipal waste water; sewage source heat pump system; energy-saving; economic comparison
■新能源与绿色建筑
NEW ENERGY &GREEN BUILDING
建筑节能
2012年第9期(总第40卷第259期)
No.9in 2012(Total No.259，Vol.40)doi ：10.3969/j.issn.1673-7237.2012.09.007
25
径为1 m。

经长期监测的数据显示，该干管污水水量充足稳定，满足冬季所需最大流量240 t/h；冬季污水水温为12～14 ℃，高出气温大约23 ℃；夏季污水温度为20～25 ℃，比气温低大约10 ℃。

由此可知，将污水作为热泵系统的冷热源具有十分巨大的能量资源前景。

2工程概况
呼和浩特市伟业大厦可再生能源示范工程项目，位于呼和浩特市乌兰察布东路80号。

该建筑为集酒店客房、办公及公寓为一体的新建公用建筑。

建筑面积为3.53万m2。

示范工程采用城市原生污水源热泵示范技术进行冬季供热，夏季供冷。

供暖面积为3.53万m2，制冷面积为1.9万m2。

初步设计提供供热总热负荷为1 800 kW，空调总冷负荷为1 140 kW。

3原生污水源热泵系统
3.1污水源热泵系统的分类
污水源热泵系统分为直接式与间接式两类，依据是原生污水是否直接进热泵机组蒸发器或者冷凝器。

直接利用方式是指将污水中的热量通过热泵回收后输送到采暖空调建筑物；间接利用方式是指污水先通过热交换器进行热交换后，再把污水中的热量通过热泵进行回收输送到采暖空调建筑物[4]。

直接式系统对水源水质有较高的要求。

如直接利用原生污水作为热泵系统冷热源，需前置可靠的防除污设备。

系统流程图见图1。

图1直接换热污水源热泵系统流程图
Fig.1 Diagram of process of direct sewage heat pump system
间接式系统采用污水换热器通过中介水进入热泵机组蒸发器或冷凝器，因此，对水源水质要求较低。

系统流程图见图2。

图2间接式污水源热泵系统流程图
Fig.2 Diagram of process of indirect sewage heat pump system
伟业大厦采用的是直接换热式污水源热泵系统，该系统具有以下优点：
(1)不需采用中间换热器，减少占地面积，降低了系统的初投资费用。

(2)系统无中介循环水，污水直接与末端循环水进行热交换，热泵机组效率提高，系统能耗降低。

3.2伟业大厦供热、供冷系统方案
本方案利用污水中所蕴含的大量低位热能，冬季污水温度大于大气温度，相当于一个低温热源，将污水中低位能量转化为高位能量，供给末端采暖使用；公寓侧1层、5～16层末端采用地板辐射采暖，地板辐射采暖面积1.45万m2；酒店侧及公寓侧办公区为中央空调供热，空调末端为风机盘管+新风系统，空调面积1.9万m2。

冬季设计污水温度11 ℃，设计污水温差5.5 ℃，冬季所需污水最大流量为240 t/h。

夏季制冷与冬季制热使用同一套设备，只是将蒸发器与冷凝器的制冷剂段进行了切换，原蒸发器改为冷凝器，冷凝器改为蒸发器；空调末端为风机盘管+新风系统，空调面积1.9万m2。

夏季设计污水温度：24 ℃，设计污水温差6 ℃，夏季所需污水最大流量为160 t/h。

过渡季节对污水源热泵系统进行检修，保证系统的良好运行。

供热供冷系统设计方案见图3。

3.3主要设备及性能参数
设备的选型关系到热泵系统投入运行时能否满
表1呼和浩特市各污水处理厂状况及污水特征参数
Tab.1 Existing sewage treatment factories and sewage feature in Hohhot
污水处理厂名称处理规模/(万m3/d) 冬季污水温度/℃夏季污水温度/℃可提取热量/万kW·h 可供热(制冷)面积/万m2辛辛板污水处理工程15 12 22 3.99 79.8
章盖营污水处理厂 6 13 24 1.6 32
公主府污水处理厂 5 12 21 1.33 26.6
如意白塔污水处理厂 4 14 25 1.07 21.4合计30 7.99 159.8注：1.提取热量依据热量公式Q =Cm t计算，其中C=4.18×103 J/(kg·K)，m为污水处理量，t为提取热量前、后污水温差(污水温差约为5.5 ℃)；
2.可供热面积按呼和浩特地区冬季温度达到18 ℃时采暖设计热负荷指标为50 W/m2计算。

快速除污器
水源热泵
潜污泵
污水池
补水泵
快速除污器循环泵
末端散热器
膨
胀
阀
冬夏切换阀
污水出水
污水进水中介水泵
压缩机
冷凝器
蒸发器
污水换热器
系统循环泵
空调供水
空调回水
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4污水源热泵系统在呼和浩特地区的推广依据
4.1
环保
以污水源热泵作为冷、热源取代燃煤锅炉、燃气锅炉、冷水机组等常规能源，不仅可以减少占地，节约不可再生能源，还可以大量地减少二氧化碳、二氧化硫、粉尘等有害物质的排放量，同时也减少了煤、灰渣等的运输量以及运输过程中所产生的尾气排放及为城市交通带来的压力，从而有效地改善了城市环境的状况，美化城市环境，提高市民生活质量。

伟业大厦采用污水源热泵系统所具有的环保效益见表4。

表4
伟业大厦污水源热泵系统污染物减排量单位：t
Tab.4 Reduced pollutant quantity of sewage source heat pump system of Weiye
标准煤节约量
CO 2减排量
SO 2减排量
NO x 减排量
粉尘减排量
3 012 7 439 122 87 31
4.2
节资
工程技术方案的经济效益在工程技术方案的选择中占有非常重要的地位，在可以满足需求的诸多方案中，经济效益成为引领投资者的核心内容之一[5]。

由于呼和浩特市近年来大力推广城市集中供热热网覆盖率，使集中供热热网这一热源形式较分散的燃煤锅炉、燃气锅炉等热源形式更具有竞争力。

因此本课题将污水源热泵系统与城市热网+冷水机组这一常规能源系统做经济性比较，具体数值见表5。

其中，初投资由热网入网费、设备购置费、机房工艺安装费、配电及安装费、人工费等组成；运行费用由电费、维修费、材料费及其他费用组成。

本项目供热时间为180 d ，设计热负荷1 800 kW ；供冷60 d ，设计冷负荷1 140 kW 。

电费按0.53元/kW ·h 计算。

由表5可知，应用污水源热泵系统在经济上是可行的，有较大的优势。

足工况设计需求，是否充分考虑设备初投资费用的合理性以及后期的维护、保养、检修是否方便，操作是否可靠等。

伟业大厦核心设备污水源热泵机组选用北京瑞宝利生产的WM —200B —1RT 型机组3台，其性能参数见表2。

项目其他主要设备及性能参数见表3。

表2污水源热泵机组性能参数
Tab.2 Capability parameters of sewage source heat pump
制热量(R22)/ 输入功率(R22)/ 满载效率(COPh)/ 空调侧水流量/ 空调侧水压降/ 污水侧水流量/ 污水侧水压降/
kW kW kW/kW m 3/h kPa m 3/h kPa 制热工况679 136 4.99 117 85 78 72制冷工况
617 102 6.05 77 69 106 85
表3
其他主要设备及性能参数
Tab.3 Capability parameters of the other major equipments
编号
设备名称
规格型号
数量/台
性能参数
1 智能污水防阻机RBL —ZNWFJ —100 3 额定流量：100 t/h ，功率1.5 kW
2 末端循环泵1RG —125—160A 4 流量：124 t/h ，扬程：32mH 2O
3 二级污水泵KQL150/315—30/
4 4 流量：96 t/h ，扬程：15mH 2O 4 一级污水泵
WQ100—13—7.5 4 流量：96 t/h ，扬程：15mH 2O
图3
伟业大厦冬季供冷方案与夏季制热方案
Fig.3 Schematic diagram of the heat pump system ’s heating and cooling
防阻机
一级污水泵
二级污水泵冬季：5.5 ℃夏季：30 ℃
冬季：11 ℃夏季：24 ℃冬季：45 ℃夏季：7 ℃
冬季：40 ℃夏季：12 ℃
补水泵
循环泵
末端用户
热泵机组
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(上接第24页)处的温度分布，室内温度主要分布在21～24 ℃间。

图15显示了不同高度的室内平均温度。

在地面
至0.4 m ，空气温度骤降，从地面温度26 ℃降至0.4 m 处的21.2 ℃；在0.4～2.5 m 中，温度逐渐上升，至2.5 m 处温度达22.3 ℃；在活动区(1.5 m 以下范围)，
图15
不同高度的室内平均温度
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4
高度/m
26252423222120
室内温度/℃
5结论
城市污水中蕴含有大量的低位热能，且具有冬暖夏凉、水温适宜、污水排放量巨大且集中、容易获取等诸多优点，是一种优良的低位冷热源。

随着呼和浩特市经济的较快增长及城市化进程的不断推进，污水热能的发展潜力将不断扩大。

在该地区应用污水源热泵技术提取污水中的热量，不仅使可再生能源的应用范围得到有效拓宽，对自然资源的合理利用也起到了促进作用。

通过分析比较，污水源热泵系统减少了有害气体对环境的污染，初投资及运行费用低廉，在环保与经济效益方面均效果显著。

伟业大厦示范工程项目的成功实施具有很好的示范作用，将为污水源热泵技术在内蒙古其他地区的推广与应用提供宝贵的技术资料与经验。

参考文献：
[1]李明霞.城市污水源热泵的可行性分析[D].南京:东南大学能源与环境学院,2010.
[2]沈朝.高效防堵除污型污水换热器研制及换热特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.
[3]张荣旺,梁志明.呼和浩特市城市污水处理及污水资源化[J].内蒙古农业大学学报,2008,29(2).
[4]李建兴,赵力,池勇志.不同换热形式的污水热泵工程运行能效分析[J].中国给水排水,2009,25(2):98-100.
[5]叶雨天.工程经济分析与评价的基本方法[Z].百度文库,2012.
作者简介：杨佳璐(1987)，女，内蒙古乌兰察布市人，在读研究生，供
热、供燃气与通风空调专业，从事可再生能源利用方向的研究(Yang jialu3@)。

表5污水源热泵系统与常规能源系统经济性比较
万元
Tab.5 Economic comparison of sewage heat pump and traditional energy systems
项目城市热网+冷水机组污水源热泵系统节省费用节约比例
初投资526 421 105 20%年运行费用
136 84 52 38%
温度呈现出下暖上凉现象。

5结语
基于双重认证的复杂性，须在设计阶段综合分析两种认证的要求，总结出适宜该项目的绿色技术要求。

本文从暖通专业角度出发，分析了该项目对可再生能源、室内空气质量、能源计费及自动控制的要求，介绍了该项目的暖通设计方案，给今后设计提供参考。

作者简介：
卞维锋(1983)，男，江苏人，工程师(Bianwf83@)。

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