天津某研究所污水源热泵工程方案书.docx
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天津某研究所污水源热泵工程方案书
世界初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
2011年7月
地址：
天津市河西区环湖南路9号9门（300060）电话：
公司传真：
电子信箱联系人：
刘兴泽
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、要紧设备选型………………………………………………………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形…………………………………………8
八、技术及原理概要…………………………………………………11
九、质量效劳体系………………………………………………………19
一、污水源热泵方案设计
（一）项目概况
本工程为天津某研究所,建筑面积为4000㎡。
采纳风机盘管和散热器作为空调系统的结尾装置，拟采纳污水源热泵作为空调系统的热源。
用以知足该建筑夏日制冷、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
4000
70
280
260
合计
4000
70
280
260
备注：
设计总制热量为280kw。
设计总制冷量为260kw。
依照本项目的冷、热负荷，为节省该项目的初投资，建议利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，采纳热泵技术供热、空调。
（三）整体建设方案
为节省该项目供暖、空调系统的一次性投资、便于治理等，建设一个污水源热泵机房，知足建筑供热、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、热泵机组购买及安装，按工程需求量。
（3）热泵机房管线等安装建设。
（4）热泵站低压配电操纵系统建设。
（四）此方案优势：
（1）降低初投资；节省运行费用；
（2）集中操纵、集中治理。
（五）方案要点
（1）污水输送管道敷设能够采纳开挖式，也能够采纳非开挖式。
（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》
二、技术参数设计
（一）污水数据（常规数据）
（1）冬季水温：
10-16℃；
（2）夏日水温：
22-24℃；
（3）污水水质：
PH≈７；
（4）设计污水温差冬季3℃、夏日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/h
10℃进水，7℃出水，温差3℃，水量60.34m3/h
中介循环
27℃进水，32℃出水，温差5℃，水量53.8m3/h
4℃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44.8m3/h
45℃供水，40℃回水，温差5℃，水量48.3m3/h
2、工艺流程：
采纳闭式污水源热泵系统，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）结尾循环水子系统。
3、要紧设备：
1．热泵机组2.污水换热器3.污水泵4.中介泵5.结尾泵6.防阻机
四、要紧设备选型
该污水热泵系统要紧设备及其选型见下表。
表3.系统要紧设备及其选型表
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：
38kW
单台制冷量：
150kW
制冷功率：
29kW
2台
非标内切型
2
污水换热器
单台换热面积130m2
单台换热量340kw
1组
专用01型
3
一级污水泵
单台流量38m3/h，扬程22米，功率4kw
3
50ZJWQ38-22-4
两用一备
4
中介水循环泵
单台流量38m3/h，扬程24米,功率4kw
3台
两用一备
5
末端循环水泵
单台流量25m3/h，扬程35米，功率kw
3台
两用一备
6
定压补水装置
单台流量2m3/h，扬程21米，功率kw
1个
7
软化水箱
V=1m3
1个
8
高位水箱
V=0.5m3
1个
9
快速除污器
处理水量50m3/h
1个
DN50
10
快速除污器
处理水量50m3/h
1个
DN50
11
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、污水源热泵系统初投资估算：
一、热泵机组2台（非标内切型板式）………………………………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
共计万元
注：
1、冷、热负荷为原设计说明中的数值，如实际发生转变，投资也相应转变。
二、本报价中不含室外管网。
3、本套系统要改成地源热泵，按每口井120米计算，每延米取热40Kw需要打井58眼，采纳双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
电价
元/度
制冷12小时
平均负荷系数
冬季；夏季
调节系数
（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
105kw×××24小时×120天×元/度
（万元）
（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
87kw×××12小时×100天×元/度
（万元）
（元/㎡）
六、污水源热泵的优势
一、城市污水源热泵空调技术能实现冬季供暖、夏日空调、全年生活热水供给（很廉价的热水供给方案）、夏日部份免费生活热水供给。
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进展战略。
二、城市污水源热泵机组以污水为冷热源，冬季搜集来自污水的低品位热能，借助热泵系统，通过消耗部份电能（1份），将所取得的能量（大于4份）供给室内取暖；在夏日把室内的热量掏出，释放到水中，以达到夏日空调的目的。
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，没有燃烧进程，幸免了排烟污染；供冷时省去了冷却水塔，幸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，因此热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。
而夏日污水温度比环境空气温度低，因此制冷的冷凝温度降低，使得冷却成效好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。
（3）运行稳固靠得住
污水的温度一年四季相对稳固，其波动的范围远远小于空气的变更。
是专门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靠得住、稳固，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，生活热水供给（夏日免费）等。
一机多用，一套系统能够替换原先的锅炉加空调的两套装置或系统。
七、污水热泵的应用情形
（一）应用情形
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形如下：
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
采纳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
成效明显。
西青污水处置厂
本项目采纳污水热泵系统实现5000m2
办公建筑的冬季供暖和夏日制冷。
比传统供
热空调方式初投资费用减少25%，节能成效明显。
空港污水处置厂
本工程为天津空港物流加工区
污水处置厂污水源热泵中央空调系
统工程。
天津空港物流加工区污水
处置厂一期工程日处置能力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，知足综合楼及厂区建筑物6000平米的空调和采暖需求。
节能
成效明显。
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，采纳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。
该工程运行成效良好，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助较高，本工程取得了政府补助款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，采纳自主研发的第一代专利技术与产品（能量搜集装置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%以上该工程运行成效良好，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（能量搜集装置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。
该工程运行成效良好，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，采纳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1350KW。
该工程运行成效良好，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助较高，本工程取得了政府补助款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17万平米采纳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、社会阻碍大。
天津公馆
该工程建筑面积万㎡，位于天津市解放南路与绍兴道
交口。
要紧功能为商业、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。
热泵空调技术是依照逆卡诺循环原理，将低温热源（如城市污水、各类废水、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，利用这项技术的逆进程同时还能够达到制冷的目的，是以存在适合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，确实是指以环境中的水（地面水、地下水等等）作为热源。
制冷工质（例如氟利昂）在紧缩机1的驱动下，在紧缩机一、冷凝器二、膨胀装置3、蒸发器4几个要紧部件中循环运动。
工质的热力性质决定了蒸发器中的工质温度能够维持在例如2℃（称为蒸发温度）左右，而冷凝器中那么为60℃（称为冷凝温度）以上。
那个地址的地下水尽管在冬季仅为10℃，但却能够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，变成例如4℃被回灌到地下。
获取了环境热能的工质被紧缩机紧缩到例如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。
进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，房间实际取得的热量那么为4份以上。
（二）污水热泵运行原理
一、运行机制
要紧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。
可分为三个能量传输与转移进程：
（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干净水，再有干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，蒸发后被紧缩机吸入并紧缩，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）结尾空调系统循环水通过蒸发器或冷凝器吸收冷热量。
结尾空调系统循环水吸收蒸发器或冷凝器的冷热量后，通过结尾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进程中，热泵机组的能量输入输出比最高可达到,即电机输入电能是1kcal时，从结尾系统取得的能量是。
在整个的进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,制冷进程是制热进程的逆进程。
二、工艺流程
为实现这种能量传输与转移进程，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）干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。
其工艺流程如以下图2所示。
图中一、二、3、4、5组成污水的取排系统；五、六、7组成干净水循环系统。
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-干净水泵；7-热泵机组
图2污水源热泵工艺流程
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，那么什么缘故一直没有能够取得大面积的推行呢？
事实上，与机组主机相关的技术与制冷技术同生共存，已有一百五十年连年的历史了，虽还在不断改良，但不存在技术方面原那么意义上的障碍。
问题在于水源方面。
形象地说：
“热泵好，源难找”
。
依托传统的技术，热泵中的蒸发器与冷凝器只能经受清洁水换热。
而环境中温度适宜的清洁水却很难找。
例如在我国北方地域，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，能够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；而且由于通常都是在没有地质资料的情形就需要决定立项，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，即此前尚未解决好不良水质在换热进程中可能引发的各类问题，要紧包括堵塞、污染与侵蚀三个方面。
（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。
堵塞最严峻的当属城市的原生污水。
据资料报导北欧、日本曾利用未处置污水（untreatedwastewater）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，事实上是先进行水处置再提热。
资料中未说明四个问题，a.污沟渠中的过滤网专门快堵塞怎么清理？
b.机械的复杂性问题。
自动筛滤器中毛刷、刀片等关键硬件周密复杂，带来设备的制造本钱及系统运行本钱等问题；c.在繁华的市区沉沙池、积水池建设在何处？
如何实现环境爱惜？
d.筛滤下来的固体污杂物往何处排放?
因此能够判定该系统无法在市区推行应用。
另外，即便采纳最简单的水处置工艺，其处置本钱也要大大地高于热泵从水中取热与取冷的价值。
处置污水的目的是取热，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，获取那个价值还必需投入设备和电能。
因此先对水处置投资再进行换热的国外做法是不具有推行价值的。
在上个世纪80年代日本有十几个小型工程（每一个3000平米左右）报导后，再未见扩展应用的报导。
为防堵塞，先行过滤是最容易想到的物理方式。
就其机理而言，过滤永久是容易的，人们能够采纳多级过滤将污水处置到任意的干净程度。
过滤工艺的难点永久都是在如何清理滤面，以保证过滤进程能够持续地进行那个问题上。
按期改换滤面是一个方式，固然，那个地址不适用。
国内外都已有人采纳用刮刀清理旋转滤面的机械方式，装置被称为“自动筛滤器”该方式至今未见普及利用，问题可能是在于a.刮刀会将软性固体污杂物（腐臭菜叶等）抹入网眼；b.刮掉的污杂物在流场中会再次扑向滤网；c.未扑向滤网的部份污杂物是沉淀，仍是漂浮？
如何操纵并排除？
最好的方式是对滤面进行持续的水力反冲洗，这是哈工大发明的世界初创、国际领先，咱们国家享有独立知识产权的技术，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滤面过滤功能水力持续再生装置原理图
专利设备---防阻机
该装置又称“滤面的水力持续自清装置”。
滤面自身旋转，在任意时刻都有部份滤面位于过滤的工作区，另一部份滤面位于水力反冲区。
在滤面旋转一周的几秒到十几秒时刻内，每一个滤孔都有部份时刻在过滤的工作区行使过滤功能，另一部份时刻在反冲区被反洗，以恢复过滤功能，那个地址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置机的反冲区对滤面实施反冲，并将反冲掉的污杂物全数带走至排放处。
该装置不惧怕任何污杂物含量的污水，工作靠得住，价钱低廉；再一个优势是无需人工清理污杂物。
即便是对水质较好的江、河、湖、海水，为避免污杂物在换热设备中的积存，也是利用该设备为宜，比其他任何方式都好，能够一劳永逸的解决问题。
（2）关于对换热面的污染与侵蚀问题
第一，关于侵蚀问题，城市的生活污水尽管水质极差，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侵蚀大体没有，专门是在不暴露大气密闭运行的情形下。
就暖通空调所用水源热泵而言，不良水质对换热设备侵蚀与污染问题的严峻性在一些专业人士的心目中往往被夸大了。
事实上地面的自然水和城市污水对换热设备的侵蚀与污染问题在实际工程中都不很显著，大可没必要过度地应付。
换热设备采纳通常的碳钢材质即可。
完全不侵蚀是不可能的。
轻度的侵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侵蚀到了即将泄漏的程度，换一台换热器也比当初采纳特种钢材经济。
针对污染问题，污染的后果只是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成效。
换季时将换热器打开清洗是正常的保护程序，壳管换热器的人工清洗操作方便，本钱很低，是很容易的情形。
那个地址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：
达到一样成效时，最经济的方案确实是最科学的方案。
目前，对抗污染自清洗的换热器已有了超级可喜的进步，产品在生产中。
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。
假设水源水直接进入热泵机组的蒸发器或冷凝器换热那么为直接式系统，假设水源水先与中介水换热，中介水进入机组那么为间接式系统。
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，一样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、部份工企业废水等，这种水源水中仅含有少量粒径在1mm以下的固体悬浮物，水质相对干净。
蒸发器或冷凝器那么须有靠得住的防堵，防污染与侵蚀能力。
而间接式系统由于利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置要求大大降低。
工程实践已经证明，即便是水质极差，完全不加处置的城市原生污水，只要利用旋转反冲洗的防阻技术，整个系统已可长期持续平安取热、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。
采纳紧凑式换热器换热须解决好堵塞、污染与侵蚀三个问题。
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干净水的（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专门大。
因此本项目采纳壳管换热器是最正确方案。
（3）换热工况
换热工况是指系统中各节点（地面非干净水的进、出口，中介水的进、出口，蒸发器，冷凝器等）的温度和各环路（地面非干净水环路，中介水环路）的流量。
这些参数第一须保证系统能够达到利用成效。
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日的最高温度是确信的，其在供暖或空调顶峰负荷时段的最小水量也是确信的。
因此换热工况各参数的确信是受限制的。
在限制范围内，这些参数又可有一些转变。
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，机组可取得较高的能源效率。
但它们又别离受到现有与需求条件的限制。
冷凝温度受结尾利用条件的限制。
通常结尾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，以幸免冻坏管路。
在考虑利用成效、运行效率的同时，须幸免选用过大的换热面积，兼顾换热设备的初投资。
在考虑利用大水量运行以提高换热成效的同时，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信。
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峻，换热成效差，采纳常见的过滤工艺及一般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、保护、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，运行成效良好，经济效益显著。
（4）污水换热器
通过防阻塞设备后的污水还含有溶解性化合物、微尺度泥沙，在没有污水处置工艺的条件下，换热器换热面受到污染是必然的，利用一般的换热器时，换热量急剧下降，乃至系统不能运行。
换热器需要特殊设计。
哈工大深切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，运行成效良好。
九、质量效劳体系
效劳体系如下：
一、技术培训方案
免费提供现场利用级培训、保护级培训，具体内容如下：
（1）现场利用级培训：
培训机组运行工况的设定，冬夏运行水路的转换
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