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污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在污水處理廠的應用

文檔作者：周文忠文檔來源：國中愛華(天津) 市政環(huán)境工程有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年01月23日
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工程實例
污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)
在污水處理廠的應用
國中愛華(天津) 市政環(huán)境工程有限公司　周文忠☆
摘要　該項目以二級出水作為污水源熱泵系統(tǒng)的熱源/ 熱匯。介紹了系統(tǒng)流程、水源側(cè)系
統(tǒng)、用戶側(cè)系統(tǒng)及系統(tǒng)的控制等。對該方案與電制冷加燃油鍋爐方案的經(jīng)濟性進行了比較,結(jié)
果顯示該方案的初投資比后者低6 %左右;運行費用夏季基本相當,冬季大約低67 %。
關鍵詞　污水源熱泵　污水處理　BOT 　經(jīng)濟性
Ap plic a tio n of s ewa g e s o urc e h e a t p ump
s yst e ms t o a s ewa g e tre a tme nt pl a nt
By Zhou We nz hong ★
Abst ract 　The project adopts the secondary effluent as the heat source/ sink of the heat pump system. Presents the
system flow process , the systems in water source and user sides , and the system control . Compares this system with the
electric refrigeration plus oil2fired boiler scheme in economics . The results show that the initial cost of the project is less
than the second scheme by 6 %; the operating expense is about equal in summer and is less by 67 % in winter.
Keywords 　sewage source heat pump , sewage treatment , build2operate2transfer (BOT) , economics
★ InterChina Aihua Municip al &amp;amp; Environmental Engineering Co. , Ltd . , Tianjin , China
　　污水源熱泵系統(tǒng)利用污水中的能量,以污水作
為熱源/ 熱匯,通過熱泵機組將低品位水中難以直
接利用的能源提取出來, 供冬季供暖夏季制冷使
用。按照其使用的污水的處理狀態(tài)可分為以未處
理過的污水作為熱源/ 熱匯和以二級出水或中水作
為熱源/ 熱匯的污水源熱泵系統(tǒng)。本項目中應用的
是以二級出水為熱源/ 熱匯的污水源熱泵系統(tǒng)。
1 　工程概況
本工程為秦皇島海港區(qū)污水處理廠,平均日處
理水量為12 萬t ,污水處理達到二級排放標準。本
工程采用國際上市政基礎設施建設較常用的BOT
( build2op erate2transfer) 模式。
1. 1 　市政基礎設施BOT 模式簡介
BOT 模式,即建設運營移交, 是城市市政公
用事業(yè)特許經(jīng)營制度的一種典型形式。政府通過
簽訂特許權(quán)協(xié)議,將應由政府投資經(jīng)營的市政公用
基礎設施如城市供水、污水處理、集中供熱、燃氣、
垃圾處理等設施,授予通過招投標選中的企業(yè)來投
資、建設、運營、維護等。特許權(quán)期限內(nèi),項目公司
向用戶收取費用, 來抵償投資和經(jīng)營成本, 并獲得
合理回報, 政府則擁有對項目的監(jiān)督權(quán)、調(diào)控權(quán)。
特許期滿,項目公司把基礎設施無償移交給政府。
本BOT 項目運營期為20 年,與一般工程項目
不同,BOT 項目更要綜合考慮初投資和運行費用,
既要節(jié)約初投資,又要考慮以后運行費用的節(jié)約。
1. 2 　水源情況
本項目利用污水中的冷熱能,采用二級出水(接
觸池水) 的溫差作為輸入能供集中空調(diào)系統(tǒng)使用。
二級出水量約為5 000 t/ h ,有足夠的溫差能供機組
提取利用。二級出水水質(zhì):懸浮物30 mg/ L ,5 日生
　　　　　　　　暖通空調(diào) HV&amp;amp;AC 　2 0 0 5 年第 3 5 卷第 1 期 　　　　　　　　 ·83 ·
☆ 周文忠,男,1973年3月生,工學碩士,工程師 300060 天津市河西區(qū)衛(wèi)津南路21 號新金龍大廈北樓4 層
(022) 23376168 215
E2mail :wzh-zhou @hotmail . com
收稿日期:2003 09 24
一次修回:2003 10 29
二次修回:2004 11 25
化耗氧量30 mg/ L ,鉻測定化學耗氧量60 mg/ L ,氨
氮25 mg/ L ,總磷1 mg/ L ,冬季水溫不低于10 ℃,
其他季節(jié)可達25 ℃左右。
1. 3 　冷/ 熱負荷
秦皇島地區(qū)集中供暖期152 天,供暖期室外設
計溫度- 12 ℃。廠內(nèi)建筑物面積總計3 038. 78
m2 ,供熱面積2 698. 42 m2 ,供冷面積1 604. 23 m2 。
供熱總負荷約為337. 8 kW,供冷總負荷約為260. 6
kW,具體負荷分布見表1 。供冷主要集中在廠前區(qū)
的生活辦公用房和生產(chǎn)區(qū)的部分值班操作室儀表配
電間等有較高要求的地點,采用風機盤管系統(tǒng)。生
產(chǎn)性廠房車間只考慮散熱器供暖,供暖溫度按防凍
溫度( t = 5 ℃) 考慮。
表1 　污水處理廠冷熱負荷
建筑面積
/ m2
供暖面積
/ m2
供冷面積
/ m2
熱負荷
/ kW
冷負荷
/ kW
綜合樓1 085 1 085 1 085 173 . 9 175. 6
機械間、車
　庫、倉庫
395. 28
　
112 . 32
　
20
　
傳達室32. 31 32. 31 32 . 31 11. 7 7. 1
細格柵及旋
　流沉砂池
142
　
135
　
12 . 15
　
加藥間及氯
　庫
141. 84
　
141 . 84
　
12 . 76
　
污泥濃縮脫
　水機房
447
　
447
　
69 . 12
　
40 . 23
　
11. 06
　
鼓風機房288 288 57. 6 25 . 92 9. 22
空調(diào)站123. 75 123 . 75 27 11 . 14 4. 32
變配電室383. 6 333. 2 333. 2 29 . 99 53. 31
總計3 038. 78 2 698. 42 1 604. 23 337. 79 260. 61
2 　污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)
利用二級出水為熱源/ 熱匯的污水源熱泵系統(tǒng)
流程如圖1 所示。根據(jù)本工程實際情況,系統(tǒng)采用
圖1 　以二級出水為熱源/ 熱匯的污水
源熱泵系流程圖(制冷循環(huán))
的是二級出水直接進入水源熱泵機組冷凝器,而不
是再經(jīng)過換熱器換熱的形式。這主要是基于以下
兩點考慮:
a) 二級出水冬季溫度較低, 再經(jīng)過一次換熱
會使水溫進一步降低,這樣就有可能不滿足水源熱
泵機組的進水溫度要求,而造成蒸發(fā)器凍結(jié);
b) 經(jīng)過對二級出水水質(zhì)的分析, 二級出水經(jīng)
過處理進入板式換熱器是完全可以的。本工程中
在潛水泵的四周(抽水區(qū)域) 加設40 目的過濾框架
網(wǎng),對懸浮物進行第一次過濾, 在進入機組前又進
行了60 目過濾,這樣完全能保證機組不受懸浮物
的影響,安全有效地運行。
2. 1 　制冷機組選型
根據(jù)冷熱負荷及工程需要,本工程選用3 臺半
封閉螺桿式水源熱泵機組, 單臺額定制冷量為
141 kW,制熱量為161 kW, 電機功率為30. 1 kW。
該機組采用高性能半封閉螺桿壓縮機和不銹鋼釬
焊板式換熱器等優(yōu)化設計, 并采用模塊化設計, 機
組體積小, 結(jié)構(gòu)緊湊, 并可方便地增加容量。3 臺
機組分為母機和子機, 它們既可聯(lián)動, 又可獨立運
轉(zhuǎn)。機組能夠?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)控, 并具有多種保護措
施;能夠均衡3 臺機組的運行時間, 保證運行時間
相同,均衡磨損,延長壽命; 并具有記憶功能,能記
憶最近50 次故障。
2. 2 　水源側(cè)系統(tǒng)
水源水是影響水源熱泵機組制冷制熱性能的
主要因素,水源的水質(zhì)不但影響換熱效率, 還影響
機組等設備的使用壽命。
2. 2. 1 　水源水泵
根據(jù)系統(tǒng)要求, 水源側(cè)循環(huán)水量夏季約為
60 m3/ h ,冬季約為50 m3/ h ,二級出水水量完全能
夠滿足要求。根據(jù)工程實際,本工程選擇了2 臺清
水潛水泵作為水源水泵,技術參數(shù)見表2 。
表2 　水源水泵技術參數(shù)
型　號
　
流量/
(m3/ h)
揚程
/ m
功率
/ kW
轉(zhuǎn)速/
(r/ min)
電　源
　
SP4624 50 30 7. 5 2 900 3 ×380 V/ 50 Hz
　　因為水源水泵置于接觸池二級出水中,所以本
工程選擇的是潛水泵; 又因為二級出水水質(zhì)較好,
所以本工程沒有選用潛污泵, 而是選擇清水潛水
泵。但為了防止二級出水中較大的懸浮物進入并
堵塞水源水泵的吸入口, 在泵的吸入口周圍設置
40 目鋼制過濾網(wǎng), 且在水源水泵后面的管道上安
裝了自動自清洗過濾器和電子水處理儀。
2. 2. 2 　自動自清洗過濾器
選用流量為100 m3/ h , 過濾精度為0. 23 mm
·84 · 工程實例 　　　　暖通空調(diào) HV&amp;amp;AC 　2 0 0 5 年第 3 5 卷第 1 期 　　　　　　　　
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(60 目) ,型號為ZG100 L 的自動自清洗過濾器1
臺。殼體為碳鋼,過濾元件、軸、排污管、手動排污
閥為不銹鋼,殼體內(nèi)外壁涂防水防銹漆, 涂層厚度
為0. 4 mm 。工作原理如圖2 所示。
圖2 　自動自清洗過濾器
工作原理示意圖
自動自清洗過濾器具有自動反沖洗、連續(xù)供水
等功能,還具有精度高、過濾面積大、可靠性高、運
行安全等特點。
2. 2. 3 　電子水處理儀
選用DC 25 型電子水處理儀1 臺,置于自動
自清洗過濾器后,用于水源水的處理。本工程熱泵
系統(tǒng)的水源水為污水處理的二級出水,含有極少量
的污染物、藻類、細菌和酸堿離子殘余,采用電子水
處理儀能起到一定的防垢、除垢、殺菌滅藻和緩蝕
作用。
2. 3 　用戶側(cè)系統(tǒng)
用戶側(cè)系統(tǒng)同常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)基本相同,設有冷
/ 熱水循環(huán)泵、集水器、分水器、定壓補水裝置及空
調(diào)末端設備。夏季供回水溫度為7 ℃/ 12 ℃,冬季
為50 ℃/ 40 ℃。
本工程選用了2 臺立式管道泵作為冷/ 熱水循
環(huán)泵,具體參數(shù)見表3 。
表3 　冷/ 熱水循環(huán)泵參數(shù)
型　號
　
流量/
(m3/ h)
揚程
/ m
功率
/ kW
轉(zhuǎn)速/
(r/ min)
電　源
　
CR64 1 50 23 . 55 5. 5 2 900 3 ×380 V/ 50 Hz
3 　系統(tǒng)控制
3. 1 　冷熱水系統(tǒng)
通過水路上閥門的切換來實現(xiàn)污水源熱泵系
統(tǒng)冷熱工況的轉(zhuǎn)換,同一般的水源熱泵機組冷熱水
系統(tǒng)的控制方法相同,這里就不再詳述。
3. 2 　水源側(cè)系統(tǒng)
因為自動自清洗過濾器所需的反沖洗壓力不
低于0. 2 MPa ,而其在正常運行時的壓力損失只有
0. 01～0. 02 MPa 。正常運行時和反沖洗時所需的
壓力差別較大。故此在水源側(cè)系統(tǒng)上設置了一個
調(diào)壓閥,以滿足反沖洗時的壓力要求。
3. 3 　機組和其他設備
根據(jù)負荷變化和循環(huán)水量的變化,機組和水泵
等設備進行質(zhì)調(diào)節(jié)和臺數(shù)調(diào)節(jié)。設備可以單獨操
作也可以自動地按順序打開或關閉。
3. 4 　中央控制室
在中央控制室對污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進行遠
程監(jiān)測,實時反映各臺機組的水源水進出口溫度、
循環(huán)水進出口溫度等的變化情況。機房內(nèi)可實現(xiàn)
無人值守,只要定期巡檢即可。
4 　技術經(jīng)濟分析
因為本工程完全按照市政公用設施BOT 項目
方式運作,所以工程投資方對工程的初投資和運行
費用更為關心。下面對本工程采用污水源熱泵系
統(tǒng)和采用常規(guī)的電制冷冷水機組加燃油鍋爐方案
的初投資和運行費用進行技術經(jīng)濟比較。
4. 1 　初投資比較
因為污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的用戶側(cè)系統(tǒng)與常
規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相同, 所以僅比較機房部分的初投資,
見表4 ,5 。
表4 　污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)初投資(機房部分)
設備名稱
　
　型　號
　
單位
　
數(shù)量
　
單價
/ 萬元
總價
/ 萬元
水源熱泵
　機組
RHSBW140HM
　
臺
　
3
　
18 　
　
54 　　
　
冷/ 熱水循
　環(huán)泵
CR64 1
　
臺
　
2
　
0. 3
　
0. 6 　
　
水源水泵SP46 4 臺2 0. 5 1 　　
自動自清洗
　過濾器
ZG100 L
　
臺
　
1
　
3. 6
　
3. 6 　
　
附屬設備套1 　6. 368 6. 368
材料費7. 98
安裝調(diào)試費6. 9
合計80. 468
表5 　電制冷冷水機組加鍋爐方案
初投資估算(機房部分)
設備名稱
　
　型　號
　
單位
　
數(shù)量
　
單價
/ 萬元
總價
/ 萬元
冷水機組KLSW 040S 臺3 16 　48 　
燃油鍋爐DSJ 30 臺1 8. 5 8. 5
冷水泵CR64 1 臺2 0. 31 0. 62
冷卻水泵SP46 4 臺2 0. 31 0. 62
冷卻塔LBCM 50 臺1 5 5
附屬設備套1 6. 368 6. 368
材料費8. 5
安裝調(diào)試費7. 5
合計85. 108
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4. 2 　運行費用比較
由于上面提到的原因,也僅對機房部分的運行
費用進行比較。因為空調(diào)系統(tǒng)的運行費用在很大
程度上反映在能量消耗上,所以本文對由于能量消
耗而產(chǎn)生的運行費用進行比較。
4. 2. 1 　空調(diào)系統(tǒng)能量消耗比較(見表6)
表6 　空調(diào)系統(tǒng)能量消耗比較
污水源熱泵方案/ kW 冷水機組加鍋爐方案/ kW　
夏季水源熱泵機組　　30. 1 ×2 冷水機組　　　30. 0 ×2
冷/ 熱水循環(huán)泵　　7. 5 ×1 冷水泵　　　　7. 5 ×1
水源水泵　　　　5. 5 ×1 冷卻水泵　　　7. 5 ×1
膨脹罐補水泵　　2. 0 ×2 膨脹罐補水泵　2. 0 ×2
自動自清洗過　　1. 5 ×1
　濾器
電子水處理儀　0. 1 ×1
　
電子水處理儀　　0. 1 ×1
合計　　　78. 8 　79 . 1
冬季水源熱泵機組　　39. 7 ×2 燃油鍋爐　　　0. 75 ×1
冷/ 熱水循環(huán)泵　　7. 5 ×1 (柴油　　　　32. 7 kg/ h)
水源水泵　　　　5. 5 ×1 冷水泵　　　　7. 5 ×1
膨脹罐補水泵　　2. 0 ×2 冷卻水泵　　　7. 5 ×1
自動自清洗過　　1. 5 ×1
　濾器
膨脹罐補水泵　2. 0 ×2
　
電子水處理儀　　0. 1 ×1
　
電子水處理儀　0. 1 ×1
合計 　
　
　98 . 0
　
　19 . 85
　(柴油32. 7 kg/ h)
4. 2. 2 　運行費用比較
在秦皇島地區(qū),夏季供冷大約120 天, 每天運
行約10 h ; 冬季供暖約150 天, 每天運行約20 h 。
按每kWh 電0. 4 元、每kg 柴油3. 6 元計算運行費
用,結(jié)果見表7 。
表7 　空調(diào)系統(tǒng)運行費用比較元
污水源熱泵方案冷水機組加鍋爐方案
夏季37 824 　　　37 968
冬季
　
117 600
　
23 820 (電) + 353 160 (柴油)
　　= 376 980
　　從上面的技術經(jīng)濟分析可以看出,采用污水源
熱泵空調(diào)系統(tǒng)的初投資比電制冷冷水機組加燃油
鍋爐方案大約低6 % ;夏季運行費用基本相當,冬
季運行費用則節(jié)約大約67 % ,每年運行費用總體
節(jié)約約60 %。
當然,初投資和運行費用的節(jié)約還受到以下因
素的影響,如設備的選擇、電價和油價等。因為污
水處理廠一般處于城市的邊緣地區(qū),周圍建筑物較
少,目前該污水源熱泵項目供熱供冷的范圍還僅限
于廠區(qū)內(nèi)的建筑物,項目規(guī)模較小,與污水中含有
的巨大能量相比還不成比例,大有潛力可挖。當項
目規(guī)模較大時,還需對其技術經(jīng)濟性進行具體分
析。
5 　結(jié)語
采用污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)既可實現(xiàn)夏季供冷,
又可實現(xiàn)冬季供熱,而不用設置鍋爐房和冷卻塔,
減少了對環(huán)境的污染,并節(jié)省了設備的初投資和運
行費用。污水處理廠有充足的水源,以污水(或二
級出水和中水) 作為水源熱泵的熱源/ 熱匯,可以充
分利用污水中的低品位冷熱能,既節(jié)能環(huán)保,又經(jīng)
濟可行,值得在城市污水處理廠推廣使用。
(上接第119 頁)
　　b) 傳熱傳質(zhì)過程的驅(qū)動力在除濕器內(nèi)部并不
是均勻分布的,而是不可避免地在溶液與空氣的進
口交界點存在最大值。
c) 叉流除濕過程的傳質(zhì)驅(qū)動勢不能采用對數(shù)
平均濕差,而應采用積分平均濕差進行計算。
參考文獻
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分析. 暖通空調(diào), 2005 ,35(1) :110 114
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