污水源热泵空调系统设计

污水源热泵系统设计工程应用

摘要：本文论述了污水源热泵系统在某冷热源系统改造工程的应用。通过设置换热池，应用聚合物换热器实现污水再生水与二次介质水的间接换热。本文分别对系统原理、污水再生水换热池、一、二次水系统以及曝气系统的设计进行了全面介绍，并分析该系统的优缺点。

关键词：污水源热泵联合供能污水换热池聚合物换热器曝气系统

1.工程概况

本工程位于北京市延庆区，总建筑面积约为43613平方米。设计内容为空调系统改造。原空调系统以地源热泵作为冷热源，本次改造引入另外两种清洁能源，分别为新打地热井作为空调热源；引入污水处理厂再生水作为冷热源。现状空调系统分为三个独立的子系统，由三个冷热源机房分别服务三个区域。本次改造将新增的两种冷热源分别引入三个冷热源机房，与原有地源热泵介质水联合供冷供热。改造后的系统原理图详见附图1。本文主要论述污水处理厂再生水作为冷热源的设计部分。

2.污水再生水换热系统介绍

延庆污水处理厂与本工程所在地一墙之隔，距离约为170米。该污水处理厂日处理污水量为28000吨/天，处理后再生水平均水温为13℃，冬夏水温较为稳定，处理水量较为可靠，可作为天然的空调冷热源。污水经过格栅除污机进行前处理后，流入现状的污水再生水储水池，之后被引入换热池与二次介质水换热后，排入市政污水管道。

污水在生水作为冷热源的一次侧，二次侧的介质水与一次水换热后直接供至各冷热源机房。因此二次水为清洁的介质水，避免了二次侧系统中堵塞、腐蚀、污染、维修清理费用高等问题。此外，本工程为改造工程，可保留原有地源热泵机组，不必更换为专用污水源热泵机组，从而节省一部分初投资。

在污水处理厂室外新建一座地下的污水换热池，一、二次水的换热在换热池中实现。换热池中放置污水换热器，并且引入污水再生水，系统原理如图1所示。

图1 水源热泵系统原理图

3.污水换热池设计

3.1 换热器设计计算

本工程建筑功能为三星级酒店、宿舍、办公等，用水时间为24小时，该污水处理厂日处理污水量为28000吨/天，理后的污水源源不断地汇入现状污水池，平均小时排水量约为1167m3/h。为了保证其作为冷热源的可靠性，低峰排水时取0.5的系数，约为580m3/h。以此水量进行换热器选型计算依据。

地源热泵机组夏季冷凝器设计温度为45/40℃，冬季蒸发器设计温度为9/4℃，选择换热器时冬季较为不利，因此以冬季工况进行选型计算。

该换热池的设计换热量为3000kW，污水设计温度为13/8℃。根据公式（一）可求得污水侧、二次介质侧水流量均520m3/h，与污水处理厂低峰小时排水量匹配。

G=Q

公式（一）c∙∆t

F=Q

公式（二）K∙B∙∆t pj

本工程选用美国FAFCO的聚合物换热器，片状结构，每片长约3.66米，宽约1.22米。上下各有D63集分水器头一个，中间为200根外径6.5mm管道，壁厚0.5mm，工作压力不小于10公斤，传热系数为160W/m2，换热器详图见图2。

根据换热器传热面积公式（二），平均温差∆t pj取算术平均温差为8.5℃，,水垢系数B取0.6，得出换热器传热面积共3676m2，单台换热器换热面积为10m2，考虑15%的换热损失及富余量，可计算出共需要420块散热器。10块换热器连接为一组，共需要42组。

图2 换热器详图

3.2 污水换热池土建设计

根据换热器的数量及布置来设计换热池尺寸大小。新建换热池长17米，宽7米，高5.25

米，位于冻土层以下，换热池及换热器布置图见图3。

图3 换热器布置平面图

该换热池的污水引自现有污水池，将新建换热池与现状污水池用管子连通，利用U型管等液位的原理使水自动流入新建换热池。两个水池的高度相对位置如图4所示。利用两池的液位差来克服两水池内部以及连通管的压力损失，因此新建换热池水位要低于原有污水池水位。由于两水池横截面积较大，流速较低，阻力可忽略不计。进出水管采用无缝钢管，压力损失计算应用海澄-威廉公式（三），根据水力计算可确定管路总阻力为7.1kPa，考虑两水池内的阻力取1.4的富裕系数，则总阻力为10kPa换算为1m的水头，因此确定两池液位差为1m，用以克服摩擦阻力及换热器阻力。从而最终确定换热池的深度。

图4 换热池剖面图

∆P m=105Cℎ−1.85d j−4.87q g1.85L（公式三）式中∆P m——计算管段的沿程水头损失（kPa）

d j——钢管内径（m）

q g——流量（m3/s）

L——计算管段长度（m）

Cℎ——海澄-威廉系数

3.3 水系统设计

一次水污水再生水下进上出、二次水介质水上进下出，为逆流换热。

一次水污水侧为开式系统，污水取自现状水池、排至市政污水管，以上节所述的两池液

位差为系统动力，流量为该污水处理厂平均小时污水处理量。污水进、出水管管径取DN400，流速约为1.12m/s。为尽可能保证换热池内一次水供水均匀，将污水进水管延宽度方向分两路对称布置，进水口延长度方向每隔1米布置一个，并且通过水力计算调整各进水口孔径，尽量保证每个进水口流量相同。使得整个换热池均匀进水从而保证均匀换热。出水管设置在换热池计算液位高度上集中出水。一次水管道布置图详见图5。

二次介质水为闭式系统，在换热池中与一次水通过换热器进行间接换热后，作为冷热源供给各热泵机组，循环水泵设在各冷热源机房内。二次水供回水管径取DN300，比摩阻约123Pa/m。为在换热池中，二次水供回水管道与换热器采用同程式连接，尽量保证每组换热器流量相同。此外，在进入污水换热池前，二次介质水管路在旁边的风机小井内设过滤器、温度计、压力表及检修阀门。二次水管道布置图详见图6。

图5 一次水管道平面图

图6 二次水管道平面图

3.4 曝气系统设计

在换热池内由于池体截面较大，水流速度很小，流体处于层流状态。为了强化换热，加大对流换热系数，特在换热池中增设一套曝气、气系统，通过引入气泡迫使换热池内水流加速，从而达到增强换热的效果。被引入的气体最终聚集换热池顶部，从通气管排出。

根据风机大小与相对位置，在换热池旁边新建一个长3.1米、宽3.5米、高2.7米的地下