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摘 要：城市污水、中水是一种蕴含丰富低位熱能的可再生热能资源，随热泵技术发展，城市污水热能利用系统也日趋增多。结合具体工程案例详细阐述了水源热泵在污水厂中的应用。
关键词：水源热泵 污水厂 锅炉 冷负荷 节能
一、污水源热泵的应用优势
1.节能。通常水源热泵每消耗1kJ能量，用户可得到4kJ以上的热量或冷量，与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%的电能或70%～90%的燃料内能转换为热量供用户使用，因此水源热泵要比电锅炉加热节省2/3以上电能，比燃煤锅炉节省1/2以上能量。因作为污水水源热泵的热源水，全年温度较稳定，使污水热泵比传统空调系统运行效率要高20%以上。
2.环保。污水源热泵是利用了污水、中水作冷热源，进行制热制冷。供热时省去燃煤、燃气、燃油等燃料，减少CO2、SO2、粉尘颗粒等大气污染物排放；供冷时用水冷式的集中制冷系统代替分散的风冷式空调机，可改善城市热导效应，同时降低环境噪声污染。
3.可行性程度高。因《全国民用建筑工程设计技术措施暖通空调动力》规定，在采用地下水地源热泵系统方案设计前，应了解当地政策、法规是否允许开采地下水。地下水的开采、利用应符合当地地下水开发利用保护规划。在西北关中地区多为湿陷性黄土，回灌效果不好，当地水文水务单位不允许打井用水。地埋管热泵涉及到要在当地冻土层下安装长度较长管线，在进行地埋管地源热泵系统方案设计前，须进行工程场地状况调查，并对浅层地热能资源和岩土体地质条件进行勘察，不得污染地下水质，不得破坏地下原有管线和构筑物。采用地表水源热泵时要综合考虑地表水深度、面积，地表水水质、水位、水温。无进流和出流的地表水源不宜采用水源热泵系统，对江河水源热泵系统，设计时应考虑江河丰水、枯水季节水位差，并进行综合经济性比较。
二、工程概况
某污水处理厂每日污水处理能力20万m3，每日中水回用10万m3。办公楼及宿舍、食堂面积5500m2，空调面积4200m2。有一5000m3中水池，夏季池内中水水温24℃～28℃，冬季池内中水水温9℃～11℃。原污水厂设计为采用锅炉加空调供热制冷：供热以两台型号CWNS0.7-90/70燃油锅炉为热源，室内末端为散热器，制冷为各房间安装33台格力分体式空调，其中功率3000w的空调18台、功率2500w的空调15台。现利用污水处理后中水作热泵水源，对以上建筑进行制冷供暖。
三、污水源热泵系统的工作原理及设计计算
1.工作原理。据中水与热泵的热交换形式可分直接和间接换热，考虑中水水质对热泵机组影响，本工程采用间接式污水源热泵系统，冬季，中水池中的中水经换热器换热后回入水池，热泵冷凝器出水作供暖系统循环水，通过末端风机盘管送风供暖；夏季，中水同样经换热器换热回入水池，但热泵蒸发器出水作供冷系统冷冻水。该系统冬、夏两季工况转换通过切换阀门来实现。这样就实现了通过消耗少量电能驱动压缩机经热质交换设备。冬季从水源中提取能量，由热泵通过水作制冷剂提升温度后送到建筑物中；夏季将建筑物中的热量转移到水源中，因水源温度低，可高效带走热量。
2.设计计算。
2.1气象参数。参照该地区实际日平均温度，供暖室内计算温度20℃，夏季空调室内计算温度26℃。供暖期120 d，日供暖时间按24h算。夏季空调期90 d，日供冷时间以24h时间计算。
2.2计算对象。冷、热负荷须考虑因素：（1）厂区面积大，单体建筑多；（2）外管网辐射面积大，管道铺设距离远，热量输送有部分损失；（3）远期有其他建筑需要采用本设备进行采暖制冷，预留部分余量。选取办公楼及宿舍、食堂面积5500m2，夏季总冷负荷620kw，冬季热负荷336kw，以中水源作该热泵系统冷热源。
四、设备选型
1.污水源热泵系统。据以上前提条件选择一台热泵机组，制冷量675kw，制热量694kw，系统设备包括：污水源热泵机组、循环水泵和风机盘管等。据水质检测报告分析，中水对管道有部分腐蚀影响，使用普通传热管会减少机组寿命，增加中间换热器会降低热效率，且增加投资。针对此情况，机组蒸发器、冷凝器换热管材质选用抗腐蚀性传热管。
2.空调水系统。本工程共2套水系统：空调水循环系统、热源水循环系统。其中热源水则是利用污水处理厂内的中水，中水首先沉淀部分杂质，再由中水泵房内直接取水作污水源热泵水源，进入主机蒸发器或冷凝器（通过冷、热转换阀切换），保证热泵机组运行稳定性。空调水循环系统管路在建筑物内采用同程式设计，外网管道采用带护套保温管直埋方式，并在每个建筑物管道入口处安装平衡阀，有效保证水系统平衡。为满足系统水压恒定和补水需求，在机房内设置一套定压补水系统，由定压泵+定压罐+软化水箱+全自动软水器组成。
3.空调风系统。因原建筑物内采用散热器采暖，现需改造成风机盘管形式，综合办公楼内，采用卧式暗装风机盘管侧送侧回方式，风机盘管设置在走廊吊顶内。
4.空调自控系统。
4.1末端风机盘管控制采用温度控制器据设定室内温度调整风机盘管送风量，达控制室内温度、节约能源目的。
4.2机房内设备运行参数通过监控系统集中采集显示到一起，如水温、水压、水泵和主机运行状态，室外空气温湿度等参数，以供运行人员据数据进行调控。
五、经济分析
1.主要经济评价指标。
1.1系统造价。系统造价为供暖、空调系统各部分造价之和，包括设备购置费、安装费及其他费用等。
1.2年运行成本。年运行成本为系统中各部分每年需要的费用，包括电费、燃料费、管理人员工资、管理费、设备折旧费和设备维修费等。因该设备在污水厂内属于配套运行，为对比清晰，以下运行费用计算仅包含电费、燃料费。
2.经济分析。
2.1污水源热泵系统改造总投资约130万元（含：主机、末端、管道、控制及改造的其他费用。）每平方造价约260元/平方米。
2.2运行分析。计算前提电费0.5元/度；柴油5500元/吨；因污水厂全天有人值班，故机组每运行24小时，燃油锅炉耗油量64kg/h；地源热泵制冷功率112.3kw，制热功率150.4kw；冬季运行120天，夏季运行90天；同时使用系数0.8。
将改造前后采暖制冷运行费用列入下表：
由此可看出，采用污水源热泵采暖制冷，运行费用比原来减少了约20%，且在使用期间，只消耗少量电能，没有燃烧过程，避免排烟污染，使环境更加洁净优美。
六、结语
该污水厂污水源热泵方案通过对中水的重复使用，充分利用了中水的冷、热量，取得了很好的节能效果和经济效益。因此，利用污水源之中水作为冷热源的水源热泵系统在我国污水厂建设中有很好的应用前景。
参考文献：
[1]孙德兴，张承虎，庄兆意. 污水源热泵供暖空调中的新概念与新名词[J]. 暖通空调. 2010（06）.
[2]高欣欣.污水源热泵技术的应用实例及可行性分析[J]. 建筑. 2010（13） .
关键词：水源热泵 污水厂 锅炉 冷负荷 节能
一、污水源热泵的应用优势
1.节能。通常水源热泵每消耗1kJ能量，用户可得到4kJ以上的热量或冷量，与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%的电能或70%～90%的燃料内能转换为热量供用户使用，因此水源热泵要比电锅炉加热节省2/3以上电能，比燃煤锅炉节省1/2以上能量。因作为污水水源热泵的热源水，全年温度较稳定，使污水热泵比传统空调系统运行效率要高20%以上。
2.环保。污水源热泵是利用了污水、中水作冷热源，进行制热制冷。供热时省去燃煤、燃气、燃油等燃料，减少CO2、SO2、粉尘颗粒等大气污染物排放；供冷时用水冷式的集中制冷系统代替分散的风冷式空调机，可改善城市热导效应，同时降低环境噪声污染。
3.可行性程度高。因《全国民用建筑工程设计技术措施暖通空调动力》规定，在采用地下水地源热泵系统方案设计前，应了解当地政策、法规是否允许开采地下水。地下水的开采、利用应符合当地地下水开发利用保护规划。在西北关中地区多为湿陷性黄土，回灌效果不好，当地水文水务单位不允许打井用水。地埋管热泵涉及到要在当地冻土层下安装长度较长管线，在进行地埋管地源热泵系统方案设计前，须进行工程场地状况调查，并对浅层地热能资源和岩土体地质条件进行勘察，不得污染地下水质，不得破坏地下原有管线和构筑物。采用地表水源热泵时要综合考虑地表水深度、面积，地表水水质、水位、水温。无进流和出流的地表水源不宜采用水源热泵系统，对江河水源热泵系统，设计时应考虑江河丰水、枯水季节水位差，并进行综合经济性比较。
二、工程概况
某污水处理厂每日污水处理能力20万m3，每日中水回用10万m3。办公楼及宿舍、食堂面积5500m2，空调面积4200m2。有一5000m3中水池，夏季池内中水水温24℃～28℃，冬季池内中水水温9℃～11℃。原污水厂设计为采用锅炉加空调供热制冷：供热以两台型号CWNS0.7-90/70燃油锅炉为热源，室内末端为散热器，制冷为各房间安装33台格力分体式空调，其中功率3000w的空调18台、功率2500w的空调15台。现利用污水处理后中水作热泵水源，对以上建筑进行制冷供暖。
三、污水源热泵系统的工作原理及设计计算
1.工作原理。据中水与热泵的热交换形式可分直接和间接换热，考虑中水水质对热泵机组影响，本工程采用间接式污水源热泵系统，冬季，中水池中的中水经换热器换热后回入水池，热泵冷凝器出水作供暖系统循环水，通过末端风机盘管送风供暖；夏季，中水同样经换热器换热回入水池，但热泵蒸发器出水作供冷系统冷冻水。该系统冬、夏两季工况转换通过切换阀门来实现。这样就实现了通过消耗少量电能驱动压缩机经热质交换设备。冬季从水源中提取能量，由热泵通过水作制冷剂提升温度后送到建筑物中；夏季将建筑物中的热量转移到水源中，因水源温度低，可高效带走热量。
2.设计计算。
2.1气象参数。参照该地区实际日平均温度，供暖室内计算温度20℃，夏季空调室内计算温度26℃。供暖期120 d，日供暖时间按24h算。夏季空调期90 d，日供冷时间以24h时间计算。
2.2计算对象。冷、热负荷须考虑因素：（1）厂区面积大，单体建筑多；（2）外管网辐射面积大，管道铺设距离远，热量输送有部分损失；（3）远期有其他建筑需要采用本设备进行采暖制冷，预留部分余量。选取办公楼及宿舍、食堂面积5500m2，夏季总冷负荷620kw，冬季热负荷336kw，以中水源作该热泵系统冷热源。
四、设备选型
1.污水源热泵系统。据以上前提条件选择一台热泵机组，制冷量675kw，制热量694kw，系统设备包括：污水源热泵机组、循环水泵和风机盘管等。据水质检测报告分析，中水对管道有部分腐蚀影响，使用普通传热管会减少机组寿命，增加中间换热器会降低热效率，且增加投资。针对此情况，机组蒸发器、冷凝器换热管材质选用抗腐蚀性传热管。
2.空调水系统。本工程共2套水系统：空调水循环系统、热源水循环系统。其中热源水则是利用污水处理厂内的中水，中水首先沉淀部分杂质，再由中水泵房内直接取水作污水源热泵水源，进入主机蒸发器或冷凝器（通过冷、热转换阀切换），保证热泵机组运行稳定性。空调水循环系统管路在建筑物内采用同程式设计，外网管道采用带护套保温管直埋方式，并在每个建筑物管道入口处安装平衡阀，有效保证水系统平衡。为满足系统水压恒定和补水需求，在机房内设置一套定压补水系统，由定压泵+定压罐+软化水箱+全自动软水器组成。
3.空调风系统。因原建筑物内采用散热器采暖，现需改造成风机盘管形式，综合办公楼内，采用卧式暗装风机盘管侧送侧回方式，风机盘管设置在走廊吊顶内。
4.空调自控系统。
4.1末端风机盘管控制采用温度控制器据设定室内温度调整风机盘管送风量，达控制室内温度、节约能源目的。
4.2机房内设备运行参数通过监控系统集中采集显示到一起，如水温、水压、水泵和主机运行状态，室外空气温湿度等参数，以供运行人员据数据进行调控。
五、经济分析
1.主要经济评价指标。
1.1系统造价。系统造价为供暖、空调系统各部分造价之和，包括设备购置费、安装费及其他费用等。
1.2年运行成本。年运行成本为系统中各部分每年需要的费用，包括电费、燃料费、管理人员工资、管理费、设备折旧费和设备维修费等。因该设备在污水厂内属于配套运行，为对比清晰，以下运行费用计算仅包含电费、燃料费。
2.经济分析。
2.1污水源热泵系统改造总投资约130万元（含：主机、末端、管道、控制及改造的其他费用。）每平方造价约260元/平方米。
2.2运行分析。计算前提电费0.5元/度；柴油5500元/吨；因污水厂全天有人值班，故机组每运行24小时，燃油锅炉耗油量64kg/h；地源热泵制冷功率112.3kw，制热功率150.4kw；冬季运行120天，夏季运行90天；同时使用系数0.8。
将改造前后采暖制冷运行费用列入下表：
由此可看出，采用污水源热泵采暖制冷，运行费用比原来减少了约20%，且在使用期间，只消耗少量电能，没有燃烧过程，避免排烟污染，使环境更加洁净优美。
六、结语
该污水厂污水源热泵方案通过对中水的重复使用，充分利用了中水的冷、热量，取得了很好的节能效果和经济效益。因此，利用污水源之中水作为冷热源的水源热泵系统在我国污水厂建设中有很好的应用前景。
参考文献：
[1]孙德兴，张承虎，庄兆意. 污水源热泵供暖空调中的新概念与新名词[J]. 暖通空调. 2010（06）.
[2]高欣欣.污水源热泵技术的应用实例及可行性分析[J]. 建筑. 2010（13） .