1、天津市园艺工程研究所污水源热泵工程方案书世界首创 技术水平 国际领先天津市园艺工程研究所污水源热泵工程方案书天津市金大地能源工程技术有限公司2011年7月地 址：天津市河西区环湖南路9号9门 （邮编300060） 电 话：022-23536666公司网址： 传 真：022-23510059电子信箱： 联系人：刘兴泽 13072213011目 录一、污水源热泵方案设计 2二、技术参数设计3三、运行参数与工艺流程4四、主要设备选型5五、污水源热泵投资及运行费用估算6六、污水源热泵的优势 7七、污水源热泵的应用情况 8八、技术及原理概要 11九、质量服务体系19一、污水源热泵方案设计（一） 项目概况
2、本工程为天津某研究所,建筑面积为4000。采用风机盘管和散热器作为空调系统的末端装置，拟采用污水源热泵作为空调系统的热源。用以满足该建筑夏季制冷、冬季采暖的需求。表1.建筑面积及冷负荷、热负荷项目经济技术指标名称面积（m2）热指标(w/m2)热负荷（kw）冷指标(w/m2)冷负荷（kw）住宅楼400070280260合计400070280260备注：设计总制热量为280 kw。设计总制冷量为260 kw。 根据本项目的冷、热负荷，为节省该项目的初投资，建议使用一套污水源热泵系统，解决建筑的采暖、空调。（二）项目资源状况本方案利用王顶堤复康路污水干渠中原生污水作为冷、热源，采用热泵技术供热、空调
3、。（三）总体建设方案为节省该项目供暖、空调系统的一次性投资、便于管理等，建设一个污水源热泵机房，满足建筑供热、空调需求。按单项建设分为：（1）污水的取水和排水系统工程建设。（2）水泵、换热器、热泵机组购置及安装，按工程需求量。（3）热泵机房管线等安装建设。（4）热泵站低压配电控制系统建设。（四）此方案优点：（1） 降低初投资；节省运行费用；（2） 集中控制、集中管理。（五）方案要点（1）污水输送管道敷设可以采用开挖式，也可以采用非开挖式。（2）热泵机组的选型按设计冷、热负荷为依据。（六）空调设计依据GB50019-2003采暖通风与空气调节设计规范GBJ242-82采暖与卫生工程施工及验收规范
4、二、技术参数设计（一）污水数据（常规数据）（1）冬季水温： 10-16 ；（2）夏季水温： 22-24 ；（3）污水水质：PH；（4）设计污水温差冬季3、夏季5。三、运行参数与工艺流程1、 运行参数：表2.系统运行参数名称夏季空调，系统制冷冬季采暖，系统制热污水循环24进水，29出水，温差5，水量53.8m3/h10进水，7出水，温差3，水量60.34 m3/h中介循环27进水，32出水，温差5，水量53.8 m3/h4进水，7出水，温差3，水量60.34m3/h末端循环7供水，12回水，温差5，水量44.8 m3/h45 供水，40回水，温差5 ，水量48.3m3/h2、工艺流程：采用闭式污
5、水源热泵系统，污水先将热量或冷量传递给清洁水（起中介导热作用，又称中介水），中介水再进入热泵机组进行冷热量转换。全系统分为三个子系统：（1）污水开式子系统、（2）中介水闭式子系统、（3）末端循环水子系统。3、主要设备：1热泵机组 2. 污水换热器 3. 污水泵 4. 中介泵 5. 末端泵 6. 防阻机四、主要设备选型该污水热泵系统主要设备及其选型见下表。表3.系统主要设备及其选型表序号设备名称型号及规格性能数 量备注1热泵机组单台制热量：170kW制热功率：38 kW单台制冷量： 150 kW制冷功率：29 kW2台非标内切型2污水换热器单台换热面积130m2 单台换热量340kw1组专用01
6、型3一级污水泵单台流量38m3/h，扬程22米，功率4kw350ZJWQ38-22-4两用一备4中介水循环泵单台流量38m3/h，扬程24米,功率4 kw3台两用一备5末端循环水泵单台流量25m3/h，扬程35米，功率5.5 kw3台两用一备6定压补水装置单台流量2m3/h，扬程21米，功率0.75 kw1个7软化水箱V=1m31个8高位水箱V=0.5 m31个9快速除污器处理水量50m3/h1个DN5010快速除污器处理水量50m3/h1个DN5011机房安装（管路、辅材、阀门、保温等）1套12电控柜及电缆的供货与安装1套污水源热泵机房配电量105kw。五、污水源热泵投资及运行费用估算一、污
7、水源热泵系统初投资估算：1、热泵机组2台（非标内切型板式）20.4万元2、专用污水换热器1组15万元3、辅助设备（水泵、水箱、软水器等）5万元4、管材、阀门、配电等 7万元5、机房系统安装 5万元总计52.4万元 注： 1、冷、热负荷为原设计说明中的数值，如实际发生变化，投资也相应变化。2、本报价中不含室外管网。3、本套系统要改为地源热泵，按每口井120米计算，每延米取热40Kw需要打井58眼，采用双U型高密度PE管，间距4.5米。打井及外管网费用约40万。二、污水源热泵年运行费用估算：表4.系统运行参数值项 目标 准项 目标 准制冷周期100天/年供暖周期120天/年日开机时间供暖24小时电
8、 价0.70元/度制冷12小时平均负荷系数冬季0.6 ； 夏季0.95调节系数0.6（1）城市污水热泵系统运行费用为电费。年运行费用如下表。表5. 污水源热泵年运行费用表 (单位:人民币万元)单 项计算公式总 计（万元）年供暖费用(制热功率 + 附属设备功率) 负荷系数调节系数日运行小时数年运行天数电价 105kw0.60.624小时120天0.70元/度7.62（万元）（19.05元/）年制冷费用(制冷功率 + 附属设备功率) 附属设备系数负荷系数调节系数日运行小时数年运行天数电价87kw0.950.612小时100天0.70元/度4.17（万元）（10.41元/） 六、污水源热泵的优势1、
9、城市污水源热泵空调技术能实现冬季供暖、夏季空调、全年生活热水供应（很廉价的热水供应方案）、夏季部分免费生活热水供应。城市污水热泵空调是一项高新技术，具有节能、环保及经济效益，符合经济与社会的可持续性发展战略。2、城市污水源热泵机组以污水为冷热源，冬季采集来自污水的低品位热能，借助热泵系统，通过消耗部分电能（1份），将所取得的能量（大于4份）供给室内取暖；在夏季把室内的热量取出，释放到水中，以达到夏季空调的目的。它有以下特点： （1）环保效益显著城市污水源热泵是利用了污水作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排烟污染；供冷时省去了冷
10、却水塔，避免了冷却塔的噪音及霉菌污染。不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，环境效益显著。 （2）高效节能冬季，污水温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季污水温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。 （3）运行稳定可靠污水的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。 （4）一机多用，应用范围广此热泵系统可供暖、空调，生活热水供应（夏季免费）等。一机多用，一
11、套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。七、污水热泵的应用情况（一）应用情况本污水热泵供暖空调技术为一项新技术，目前建设投运的工程情况如下：北京首都机场东污水厂本项目为首都机场扩建工程中水回用系统供暖工程，供暖空调面积为8000m2采用节能环保的污水源中央空调系统。 工程比传统集中供热加单冷机空调系统，初投资费用减少32%，运行费用减少35%，节能效果明显。西青污水处理厂本项目采用污水热泵系统实现5000m2办公建筑的冬季供暖和夏季制冷。比传统供热空调方式初投资费用减少25%，节能效果明显。空港污水处理厂本工程为天津空港物流加工区污水处理厂污水源热泵中央空调系统工程。天津空港物流加工区
12、污水处理厂一期工程日处理能力15万吨，利用原生污水梯度温差建设原生污水热泵机站一座，满足综合楼及厂区建筑物6000平米的空调和采暖需求。节能效果明显。北京弘利苑大厦 城市原生污水源热泵系统工程，是哈工大担任工程设计和技术总负责，采用自主研发的第三代专利技术产品。该工程于2006年投运。建筑面积15000，热泵系统装机容量1350 KW。该工程运行效果良好，取得了可观的环保与经济效益（北京市对热泵技术应用的扶持政策较为完善其中可再生能源的利用补贴较高，本工程得到了政府补贴款50元）。哈尔滨望江宾馆原生污水源热泵系统工程是本课题研发组担任工程设计和技术总负责，采用自主研发的第一代专利技术与产品（能
13、量采集装置A型）实现的第一个试点工程。 该工程于2003年投运，建筑面积16000，热泵系统装机容量1500kW。原燃煤年供暖空调费用61元/平方米，现费用41元/平方米，节省运行费用30%以上该工程运行效果良好，年节省运行费用80万元。 哈尔滨太古商城原生污水源热泵空调工程是本课题研发组进一步利用第二代专利技术与产品（能量采集装置B型）实施的第二个大型的试点工程。 该工程于2004年投运，建筑面积34000m2，热泵系统装机容量1800kW。该工程运行效果良好，年节省运行费用90万元。 北京悦都大酒店 城市原生污水源热泵系统工程，是哈工大担任工程设计和技术总负责，采用自主研发的第三代专利技术
14、产品。该工程于2006年投运。建筑面积15000，热泵系统装机容量1350 KW。该工程运行效果良好，取得了可观的环保与经济效益（北京市对热泵技术应用的扶持政策较为完善其中可再生能源的利用补贴较高，本工程得到了政府补贴款50元）。北京南站北京南站位于北京市南二环右安门东滨河路以南，建筑面积约为25万平米，其中17万平米采用原生污水源热泵空调系统。北京南站是国家重点建设项目，建设规模大，建设周期短、要求高、社会影响大。天津公馆该工程建筑面积5.4万，位于天津市解放南路与绍兴道交口。主要功能为商业、办公、住宅。是目前天津市首例应用城市原生污水作为冷热源的空调工程。 八、技术及原理概要（一）热泵空调
15、系统的原理各类可再生性低位清洁能源利用是通过热泵技术实现的。热泵空调技术是根据逆卡诺循环原理，将低温热源（如城市污水、各种废水、地下水等）中的低品位热能进行回收，转换为高品位热能的一种节能与环保性技术，利用这项技术的逆过程同时还可以达到制冷的目的，是以存在合适的环境能源为必要条件的。图1 水源热泵供暖空调的工作原理作为举例图1示意了一种水源热泵向建筑物供热的工作原理。所谓水源热泵，就是指以环境中的水（地面水、地下水等等）作为热源。制冷工质（例如氟利昂）在压缩机1的驱动下，在压缩机1、冷凝器2、膨胀装置3、蒸发器4几个主要部件中循环运动。工质的热力性质决定了蒸发器中的工质温度可以保持在例如2（称
16、为蒸发温度）左右，而冷凝器中则为60（称为冷凝温度）以上。这里的地下水虽然在冬季仅为10，但却可以作为热泵系统的热源，因为当将它引入温度为2的蒸发器时，它必然要把自身中的热能（称为内能）交给机组，变为例如4被回灌到地下。获取了环境热能的工质被压缩机压缩到例如60，在冷凝器中加热来自房间的系统循环水，由该水将热量带到房间的散热设备中。总的来看，热泵能够从常温或低温的环境中获取热量，以较高的温度向房间供热。过程中机组每消耗一份高位能源，能够从环境中攫取3份以上的热量，房间实际得到的热量则为4份以上。（二）污水热泵运行原理1、运行机制主要技术原理是热泵的运作机制，即将污水中的热量或冷量传递给建筑物。
17、可分为三个能量传输与转移过程：（1）污水将冷热量通过换热器或蒸发器传递给制冷剂。或直接传递，即污水直接进入蒸发器或冷凝器；或间接传递，即污水先将冷热量传递给洁净水，再有洁净水进入蒸发器或冷凝器。（2）制冷剂在蒸发器与冷凝器之间将热量进行传递与转换。制冷剂在蒸发器内吸收外届热量，蒸发后被压缩机吸入并压缩，变成高温、高压气体，该气体进入冷凝器后，通过冷凝器将热量传出。（3）末端空调系统循环水通过蒸发器或冷凝器吸收冷热量。末端空调系统循环水吸收蒸发器或冷凝器的冷热量后，通过末端散热设备风机盘管等将冷热量释放给房间，达到制热制冷目的。在能量的传输与转移过程中，热泵机组的能量输入输出比最高可达到4.4,
18、即电机输入电能是1kcal时，从末端系统得到的能量是4.4kcal。在整个的过程中消耗少量的电能，极大的利用污水的能量，从而达到节能的目的,制冷过程是制热过程的逆过程。2、工艺流程为实现这种能量传输与转移过程，需要有数个冷热媒的循环系统，包括：（1）污水的取水排水系统，此系统为开式系统。（2）洁净水或乙二醇水溶液循环系统，此系统为闭式系统。（3）空调冷热水循环系统，此系统为闭式系统。其工艺流程如下图2所示。图中1、2、3、4、5组成污水的取排系统；5、6、7组成洁净水循环系统。1-污水干渠；2-污水泵；3-污水管线；4-防阻器；5-污水换热器；6-洁净水泵；7-热泵机组图2 污水源热泵工艺流程
19、3、技术关键与要点污水源热泵供热与空调既节能环保，又经济，那么为什么一直没有能够获得大面积的推广呢？事实上，与机组主机相关的技术与制冷技术同生共存，已有一百五十年多年的历史了，虽还在不断改进，但不存在技术方面原则意义上的障碍。问题在于水源方面。形象地说：“热泵好，源难找”。依靠传统的技术，热泵中的蒸发器与冷凝器只能承受清洁水换热。而环境中温度适宜的清洁水却很难找。例如在我国北方地区，冬季室外大气温度太低，就算是比较清洁的江水与河水已无法被用作热泵的热源。仅仅就在几年以前，可以较大规模作为热泵冷、热源的只有浅层地下水。而地下水的开采是受限制的。第一，会引发水文地质问题，；第二，投资较高；而且由于
20、通常都是在没有地质资料的情况就需要决定立项，因此投资方面存在风险，第三，回灌问题不易解决。存在的特殊问题是与水源的换热技术，即此前还没有解决好不良水质在换热过程中可能引发的各种问题，主要包括堵塞、污染与腐蚀三个方面。（1）防堵塞技术在上述三个问题中，堵塞问题是首当其冲的。因为一旦发生此问题，换热设备将完全失去功能。堵塞最严重的当属城市的原生污水。据资料报道北欧、日本曾使用未处理污水（untreated wastewater）作热泵冷热源，但细观其系统，其中有过滤网；沉砂池；自动筛滤器；积水池等， 实际上是先进行水处理再提热。资料中未说明四个问题，a. 污水渠中的过滤网很快堵塞怎么清理？b. 机
21、械的复杂性问题。自动筛滤器中毛刷、刀片等关键硬件精密复杂，带来设备的制造成本及系统运行成本等问题；c. 在繁华的市区沉沙池、积水池建设在何处？如何实现环境保护？d. 筛滤下来的固体污杂物往何处排放? 因此可以判定该系统无法在市区推广应用。另外，即使采用最简单的水处理工艺，其处理成本也要大大地高于热泵从水中取热与取冷的价值。处理污水的目的是取热，供暖空调时，从每吨污水中所能获取的数千千卡热（冷）量价值约为几角钱，获取这个价值还必须投入设备和电能。因此先对水处理投资再进行换热的国外做法是不具有推广价值的。在上个世纪80年代日本有十几个小型工程（每个3000平米左右）报道后，再未见扩展应用的报道。为
22、防堵塞，先行过滤是最容易想到的物理方法。就其机理而言，过滤永远是容易的，人们可以采用多级过滤将污水处理到任意的洁净程度。过滤工艺的难点永远都是在如何清理滤面，以保证过滤过程能够连续地进行这个问题上。定期更换滤面是一个方法，当然，这里不适用。国内外都已有人采用用刮刀清理旋转滤面的机械方法，装置被称为“自动筛滤器”该方法至今未见普及使用，问题可能是在于a.刮刀会将软性固体污杂物(腐烂菜叶等)抹入网眼；b.刮掉的污杂物在流场中会再次扑向滤网；c.未扑向滤网的部分污杂物是沉淀，还是漂浮？如何控制并排除？最好的方法是对滤面进行连续的水力反冲洗，这是哈工大发明的世界首创、国际领先，我们国家享有独立知识产权
23、的技术，其原理如图2所示：1- 一级污水泵；2-外壳；3-旋转滤网；4-内挡板；5-二级污水泵；6-污水换热器图2 滤面过滤功能水力连续再生装置原理图专利设备-防阻机该装置又称“滤面的水力连续自清装置”。滤面自身旋转，在任意时刻都有部分滤面位于过滤的工作区，另一部分滤面位于水力反冲区。在滤面旋转一周的几秒到十几秒时间内，每个滤孔都有部分时间在过滤的工作区行使过滤功能，另一部分时间在反冲区被反洗，以恢复过滤功能，这里称之为滤面过滤功能的再生。污水经由过滤后去换热设备无堵塞换热，换热后的污水回到污水热能处理机的反冲区对滤面实施反冲，并将反冲掉的污杂物全部带走至排放处。该装置不惧怕任何污杂物含量的污
24、水，工作可靠，价格低廉；再一个优点是无需人工清理污杂物。即使是对水质较好的江、河、湖、海水，为防止污杂物在换热设备中的积累，也是使用该设备为好，比其他任何方法都好，可以一劳永逸的解决问题。（2）关于对换热面的污染与腐蚀问题首先，关于腐蚀问题，城市的生活污水虽然水质极差，但其PH值却近似为7。地面水的酸碱度也近似为中性。这就决定了它们对碳钢的腐蚀基本没有，特别是在不暴露大气密闭运行的情况下。就暖通空调所用水源热泵而言，不良水质对换热设备腐蚀与污染问题的严重性在一些专业人士的心目中往往被夸大了。实际上地面的自然水和城市污水对换热设备的腐蚀与污染问题在实际工程中都不很显著，大可不必过分地应对。换热设
25、备采用通常的碳钢材质即可。完全不腐蚀是不可能的。轻度的腐蚀仅会些许降低换热系数，假定运行一个相当长的周期后换热器腐蚀到了即将泄漏的程度，换一台换热器也比当初采用特种钢材经济。针对污染问题，污染的后果不过是传热系数的些许降低，设计时按常规做法将换热面积取一个余量系数，即可保证整个采暖或空调季的换热效果。换季时将换热器打开清洗是正常的维护程序，壳管换热器的人工清洗操作方便，成本很低，是很容易的事情。这里主张的人工清洗似乎不够高级，没有推崇国外的一些机械或水力的自动方案，但一个很精辟的观点：达到同样效果时，最经济的方案就是最科学的方案。目前，对抗污染自清洗的换热器已有了非常可喜的进步，产品在生产中。
26、4. 系统的设计问题(1) 系统形式的分类与选择污水源热泵空调系统可分为直接式与间接式两类。若水源水直接进入热泵机组的蒸发器或冷凝器换热则为直接式系统，若水源水先与中介水换热，中介水进入机组则为间接式系统。直接式系统对水源水的水质有较高的要求，或者说对蒸发器、冷凝器适应较差水质的能力有较高的要求。水质方面，一般限定为用于城市污水站中的二级出水、江河湖水、海水、地下水、部分工企业废水等，这类水源水中仅含有少量粒径在1mm以下的固体悬浮物，水质相对洁净。蒸发器或冷凝器则须有可靠的防堵，防污染与腐蚀能力。而间接式系统由于使用水源水换热器替代蒸发器与冷凝器取热（冷），因此对水源水水质的处理要求大大降低
27、。工程实践已经证明，即使是水质极差，完全不加处理的城市原生污水，只要使用旋转反冲洗的防阻技术，整个系统已可长期连续安全取热、取冷运行。(2） 换热方式 可能的换热方式有紧凑式换热器换热 、非紧凑式套管换热、空气载热和浸泡法4种。采用紧凑式换热器换热须解决好堵塞、污染与腐蚀三个问题。考虑到这三个问题，在所有的紧凑式换热器形式当中，壳管换热器的管程是最适合于非洁净水的（壳空间无法清理）。其他换热器形式，例如板式，螺旋板式等，解决上述三个问题都难度很大。因此本项目采用壳管换热器是最佳方案。(3）换热工况 换热工况是指系统中各节点（地面非洁净水的进、出口，中介水的进、出口，蒸发器，冷凝器等）的温度和各
28、环路（地面非洁净水环路，中介水环路）的流量。这些参数首先须保证系统能够达到使用效果。在此前提下，他们将直接决定机组、各换热器、水泵等设备的投资和系统的运行费用。水源水冬季的最低温度与夏季的最高温度是确定的，其在供暖或空调高峰负荷时段的最小水量也是确定的。因此换热工况各参数的确定是受限制的。在限制范围内，这些参数又可有一些变化。较好的换热工况设计应兼顾系统的投资与运行费用。蒸发温度高些，冷凝温度低些，机组可获得较高的能源效率。但它们又分别受到现有与需求条件的限制。冷凝温度受末端使用条件的限制。通常末端只能是风机盘管或地面采暖。蒸发温度受水源水水温和水量的限制。水源水降温后最低温度应为1以上，以避
29、免冻坏管路。在考虑使用效果、运行效率的同时，须避免选用过大的换热面积，兼顾换热设备的初投资。在考虑使用大水量运行以提高换热效果的同时，也须顾及水泵的耗功。综上，每一具体工程换热工况的设计都是一个需综合考虑初投资与运行费用的优化课题，需进行反复的计算比较后再最后确定。由于污水的水质条件极差，含有大量的悬浮固体及溶解性化合物，管路与设备很容易瞬时堵塞，同时换热器换热面污染严重，换热效果差，采用常见的过滤工艺及普通的换热方式解决不了上述问题。常见的过滤工艺包括多级过滤，机械格栅，大型过滤器等，这些设备除掉了悬浮物，但引发了设备的占地、维护、投资、辅助能耗，污物运输及周边的环境污染等问题，因此不具有可
30、行性。哈尔滨工业大学针对瞬时阻塞问题，开发了应用工艺与装置，已获多项国家发明专利（附件），并投入哈尔滨望江宾馆、太古商城工程中，运行效果良好，经济效益显著。（4）污水换热器经过防阻塞设备后的污水还含有溶解性化合物、微尺度泥沙，在没有污水处理工艺的条件下，换热器换热面受到污染是必然的，利用普通的换热器时，换热量急剧下降，甚至系统不能运行。换热器需要特殊设计。哈工大深入研究了污水的换热特性，开发了专用污水换热器，并投入实际工程，运行效果良好。九、质量服务体系服务体系如下：1、技术培训方案免费提供现场使用级培训、维护级培训，具体内容如下：（1）现场使用级培训：培训机组运行工况的设定，冬夏运行水路的转
31、换，运行参数调整、机房日常管理。（2）维护级培训：内容包括空调机组的工作原理、简单故障的判断及排除、日常维护保养。2、服务保障机构总部设有售后服务部，制定严密的售后服务控制程序，每年在供暖制冷前，制度性地组织巡视,为用户的机组免费进行开机调试、检查，协助用户日常维护工作。认真听取用户对机组运行情况及售后服务质量方面的情况，同时公司每年两次培训用户机组操作人员，学习理论、实践、维护、保养各方面的知识，达到独立操作水平。3、免费维修方案、期限提供机组自出厂日起18个月内免费保修，保修期内由于机组本身质量故障均由厂家负责维修和更换并负担费用。4、保外服务维修中心将对用户提供有偿的终身维修业务，所需更换的部件以成本价提供，公司的维修中心将建立用户的维修保养档案，定期向用户提供咨询服务，终身免费提供技术服务。21天津市金大地能源工程技术有限公司
