沈陽市原生污水源熱泵技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)技術(shù)問題研究

劉 權(quán)

（沈陽市城市公用事業(yè)發(fā)展中心，遼寧 沈陽 110014）

沈陽位于東北地區(qū)的中南部，冬季干燥寒冷，夏季炎熱多雨。大氣溫度的年溫差可達(dá)到40℃，但沈陽市原生污水的年溫差只有 10℃左右。原生污水具有冬暖夏涼的特性，受氣候影響較小，與其他能源相比，原生污水水溫冬季較高，夏季較低，是比較理想的熱泵熱源和空調(diào)冷源。因沈陽市城市規(guī)模逐漸擴(kuò)大，城市的原生污水排放量不斷增加，故原生污水水源充足。經(jīng)初步測算，如果將沈陽市原生污水中的能量充分利用，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤46 萬t，減排二氧化碳112.35 萬t，二氧化硫3.45 萬t，氮化物1.725 萬t，具有明顯的節(jié)能、減排效果。

1 原生污水源熱泵重點(diǎn)技術(shù)問題解析

城市原生污水源熱泵供暖空調(diào)包括三項(xiàng)技術(shù)：第一是水源熱泵技術(shù)，該技術(shù)已得到成熟發(fā)展應(yīng)用；第二是污水的取排方法與裝置，實(shí)現(xiàn)污水對設(shè)備的無堵塞、污染技術(shù)； 第三是含復(fù)雜混合物的城市污水的流動與換熱特性，保證系統(tǒng)穩(wěn)定傳遞熱量的設(shè)計計算模型。第一項(xiàng)為常規(guī)技術(shù)，國內(nèi)外已發(fā)展應(yīng)用多年。第二、三項(xiàng)為應(yīng)用新技術(shù)，是污水熱能得以再生利用的關(guān)鍵，目前屬專有技術(shù)包括專利產(chǎn)品，已成功運(yùn)用到實(shí)踐中。由于原生污水的水質(zhì)特點(diǎn)，使其與其它水源熱泵技術(shù)相比有自身的兩個技術(shù)：一是應(yīng)用設(shè)備與工藝；二是污水換熱器，這也是該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

2 直接換熱模式——撫順市綠地劍橋一期項(xiàng)目

項(xiàng)目地址位于撫順市望花區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)濱河路，為住宅建筑，建筑面積為 20 萬m2，供暖方式采用污水源熱泵能源站進(jìn)行集中供暖，建筑末端采暖設(shè)備為地板輻射。

本項(xiàng)目污水源熱泵能源站由北京瑞寶利熱能科技有限公司投資、建設(shè)以及運(yùn)營管理，機(jī)房內(nèi)設(shè)有5 臺熱泵主機(jī)，包含3 臺大熱泵機(jī)組和2 臺小熱泵機(jī)組，大熱泵機(jī)組的額定制熱量為 3400kW，額定制熱輸入功率為 680kW，小熱泵機(jī)組的制熱量為2152kW，額定制熱輸入功率為 460kW，8 臺污水側(cè)循環(huán)泵（低區(qū)每臺機(jī)組對應(yīng)2 臺泵，4 用互備；高區(qū)每臺機(jī)組對應(yīng)1 臺泵，2 用互備），7 臺用戶側(cè)循環(huán)泵（不同規(guī)格4 用 3 備）。

本項(xiàng)目污水源熱泵系統(tǒng)采用了直進(jìn)式污水源熱泵技術(shù)，污水主干渠內(nèi)的城市污水經(jīng)過防阻機(jī)直接進(jìn)入熱泵機(jī)組蒸發(fā)器放熱后，再回灌到污水主干渠，熱泵機(jī)組制取的采暖熱水通過用戶側(cè)循環(huán)泵輸送至末端住戶。

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀及測試結(jié)果

熱泵系統(tǒng)測試期間，室外最高氣溫-0.6℃，最低氣溫-5.7℃，平均溫度為-4.5℃。在系統(tǒng)供熱住戶內(nèi)抽測5 戶室內(nèi)客廳及臥室溫度，結(jié)果顯示溫度全部達(dá)到設(shè)計要求，供暖保證率為100%。

對污水源熱泵機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況下制熱性能測試結(jié)果顯示：熱泵機(jī)組的制熱平均性能系數(shù)為5.02。同一時間，對污水源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況下制熱性能測試結(jié)果顯示：熱泵系統(tǒng)的制熱平均性能系數(shù)為4.25。

2.2 系統(tǒng)評估

2.2.1 節(jié)能效益評估

采用常規(guī)能源替代量Qs（噸標(biāo)煤）進(jìn)行節(jié)能效益的評估計算，得出結(jié)果見表1。

表1 污水源熱泵系統(tǒng)常規(guī)能源替代量表

2.2.2 環(huán)境效益評估

采用二氧化碳減排量、二氧化硫減排量、粉塵減排量進(jìn)行污水源熱泵系統(tǒng)環(huán)境效益的評估。該項(xiàng)目全年常規(guī)能源替代量為1314t 標(biāo)煤，由此計算該污水源熱泵系統(tǒng)各項(xiàng)環(huán)境效益指標(biāo)，計算結(jié)果見表2。

表2 污水源熱泵系統(tǒng)各項(xiàng)環(huán)境效益指標(biāo)表

3 間接換熱模式——陽光100 三期項(xiàng)目

3.1 項(xiàng)目概況

陽光 100 三期污水源熱泵系統(tǒng)為原生污水源熱泵典型代表，項(xiàng)目地址位于于洪區(qū)吉力湖街，供熱面積為 20 萬m3，主要功能為住宅。采用原生污水源熱泵系統(tǒng)，污水取自城市污水管網(wǎng)，自建污水池700m3。原生污水源熱泵機(jī)房內(nèi)設(shè)有六臺螺桿滿液式水源熱泵機(jī)組、六臺熱水循環(huán)泵、兩臺中介水循環(huán)泵、寬流道板式換熱器、八臺補(bǔ)水泵和軟化水處理設(shè)備等。污水源熱泵機(jī)房設(shè)于地下室泵房內(nèi)，采暖系統(tǒng)分為三個分區(qū)。供熱范圍為陽光 100 三期住宅，包括多層、小高層、高層住宅。

冬季室外計算溫度：-16.9℃；

冬季通風(fēng)室外計算溫度：-11.0℃；

供暖室內(nèi)設(shè)計溫度：≥18℃；

冬季室外平均風(fēng)速：2.6m/s；

主導(dǎo)風(fēng)向：C NNE；

大氣壓力：102.08kPa；

供暖方式與期間：連續(xù)152d；

熱網(wǎng)供、回水參數(shù)：55℃/45℃。

3.2 項(xiàng)目初投資情況

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹了解到，該原生污水源熱泵系統(tǒng)2010 年安裝并投入使用，總投資共計2100 萬元，污水源熱泵機(jī)房設(shè)備及安裝費(fèi)用計算初投資為105 元/m2。

3.3 機(jī)房運(yùn)行費(fèi)用

2015 年，該項(xiàng)目實(shí)際收費(fèi)面積為11 萬m2，收費(fèi)金額約305 萬。經(jīng)過2015 年整個采暖季電費(fèi)統(tǒng)計結(jié)果表明，2015 年整個原生污水源熱泵機(jī)房總計用電量為 350 萬度電，但能夠提供實(shí)際供熱面積約為14 萬m2，折合供熱面積25.0 度/m2，根據(jù)當(dāng)時電價，陽光100 三期均為大工業(yè)用電，折合平均電價為0.65 元/度。整個采暖季，三期需電費(fèi)總計約為 350 萬度×0.65 元/度=227.5 萬元。運(yùn)行電費(fèi)匯總詳見表3。

表3 運(yùn)行電費(fèi)匯總表

3.4 污水源熱泵系統(tǒng)維護(hù)問題

該系統(tǒng)正常維修保養(yǎng)在供暖季結(jié)束后進(jìn)行，供暖季結(jié)束后對系統(tǒng)進(jìn)行清洗維護(hù)保養(yǎng)。其中，寬流道板式換熱器在拆開清洗中發(fā)現(xiàn)存在污泥狀態(tài)，沖洗后內(nèi)壁光滑，并無結(jié)垢腐蝕現(xiàn)象。原生污水雜質(zhì)多，格柵機(jī)每天產(chǎn)出較多垃圾，室外污水池每天均需清渣，格柵機(jī)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)能保證機(jī)房內(nèi)污水源換熱系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 間接換熱模式——哈爾濱工業(yè)大學(xué)A02 公寓和二校區(qū)公共浴室項(xiàng)目

本項(xiàng)目為哈爾濱工業(yè)大學(xué)部分公共浴室廢水余熱回收節(jié)能減排技術(shù)改造工程。項(xiàng)目需要在入水溫度≥5℃的條件下，A02 公寓設(shè)計日產(chǎn)55℃熱水75 t，二校區(qū)公共浴池設(shè)計日產(chǎn)55℃熱水200t。熱水采用節(jié)能環(huán)保的洗浴污水廢熱回收方式生產(chǎn)，從洗浴廢水中提取熱量并回用于學(xué)生洗浴，系統(tǒng)達(dá)到優(yōu)化、可靠、先進(jìn)、節(jié)能、環(huán)保的目標(biāo)。

4.1 項(xiàng)目初投資情況

AO2 公寓浴池?zé)崴畽C(jī)房位于AO2 公寓一層指定房間內(nèi)，熱水機(jī)房由熱水機(jī)組設(shè)備間、水泵間、水箱間組成。機(jī)房內(nèi)安裝污水廢熱回收熱水機(jī)組、熱水供水泵、潛水污水泵、熱水箱、污水箱、電源柜等。熱水機(jī)組設(shè)備間與水箱間選擇在A02 公寓一層的5 號房間。5 號房間內(nèi)布置3 臺熱水機(jī)組，熱水機(jī)組之間的冷、熱水管道與載冷劑采用并聯(lián)方式連接，即3 臺機(jī)組共用冷水進(jìn)水主管道、熱水出水主管道以及載冷劑循環(huán)主管道。同時，考慮到哈爾濱地區(qū)冬季自來水溫度偏低的特性，5 號機(jī)房內(nèi)還需增設(shè)電補(bǔ)熱設(shè)施，用來補(bǔ)充系統(tǒng)冬季可能會出現(xiàn)的缺熱情況。

4.2 運(yùn)行費(fèi)用情況

A02 公寓浴池每天用熱水 75 m3，共3 臺HCRB（A）-Y48 型熱水機(jī)組。在熱水出水 55℃時 ，每臺熱水機(jī)組產(chǎn)水量為1.1m3/h，熱水機(jī)組輸入功率為9.56kW，按每年浴池每年運(yùn)行310d計算，則熱水機(jī)組每年的運(yùn)行費(fèi)用約為 10.3 萬元。二校區(qū)公共浴池每天用熱水 200m3，共4臺HCRB（A）-Y100 型熱水機(jī)組。每臺熱水機(jī)組產(chǎn)水量為 2.2m3/h，熱水機(jī)組輸入功率為16.56kW，按每年浴池每年運(yùn)行310 d 計算，則熱水機(jī)組每年的運(yùn)行費(fèi)用約為 23.8 萬元。

4.3 節(jié)能減排量

節(jié)能量計算原則是按A02 公寓浴池采用燃?xì)忮仩t、二校區(qū)公共浴池采用燃煤鍋爐生產(chǎn)熱水所消耗的能源，減掉熱水機(jī)組生產(chǎn)等量的熱水所消耗的能源，得出的差值即為節(jié)約的能源，從而計算出減排量。

若采用天然氣鍋爐的節(jié)能計算結(jié)果詳見表4。

表4 A02 公寓浴池改造前后節(jié)約標(biāo)煤的減排量表

因?qū)W校浴池運(yùn)行時存在運(yùn)行高峰和運(yùn)行低谷，考慮到目前實(shí)際運(yùn)行節(jié)能量約占最大節(jié)能量的65%，因此每年實(shí)際節(jié)約標(biāo)煤約為142t。

若采用燃煤鍋爐的節(jié)能計算結(jié)果詳見表5。

表5 A02 公寓浴池改造前后節(jié)約標(biāo)煤的減排量表

因?qū)W校浴池運(yùn)行時存在運(yùn)行高峰和運(yùn)行低谷，考慮到目前實(shí)際運(yùn)行節(jié)能量約占最大節(jié)能量的65%，因此每年實(shí)際節(jié)約標(biāo)煤約為613t。

5 結(jié)語

通過現(xiàn)場調(diào)研及數(shù)據(jù)分析得出污水源熱泵換熱模式等是影響污水源熱泵應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題。目前，城市原生污水，水質(zhì)很差，難以達(dá)到直接式污水源熱泵系統(tǒng)對水質(zhì)的要求，使用時宜采用間接式污水源熱泵系統(tǒng)?，F(xiàn)階段間接式和直接式換熱模式均有廣泛的應(yīng)用案列，且有比較成功的典型案例，通過調(diào)研的實(shí)際運(yùn)行案列來看，直接式換熱模式換熱效率更高，但需選用性能良好的專用污水源熱泵機(jī)組，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行;間接式換熱模式雖然換熱效率較低，但清洗維護(hù)方便，建議選用性能良好的污水取水泵，間接式換熱模式比直接式應(yīng)用更為普遍，建議增加格柵等大尺度污物過濾措施。對于有集中洗浴廢水的項(xiàng)目，其水溫較高，水量有保證，條件較好，應(yīng)優(yōu)先選用污水源熱泵系統(tǒng)，合理利用其余熱廢熱，建議加大類似項(xiàng)目的推廣力度，循序漸進(jìn)，因勢利導(dǎo)。