1、污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程應(yīng)用摘要：本文論述了污水源熱泵系統(tǒng)在某冷熱源系統(tǒng)改造工程的應(yīng)用。通過設(shè)置換熱池，應(yīng)用聚合物換熱器實(shí)現(xiàn)污水再生水與二次介質(zhì)水的間接換熱。本文分別對(duì)系統(tǒng)原理、污水再生水換熱池、一、二次水系統(tǒng)以及曝氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面介紹，并分析該系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞：污水源熱泵 聯(lián)合供能 污水換熱池 聚合物換熱器 曝氣系統(tǒng) 1.工程概況本工程位于北京市延慶區(qū)，總建筑面積約為43613平方米。設(shè)計(jì)內(nèi)容為空調(diào)系統(tǒng)改造。原空調(diào)系統(tǒng)以地源熱泵作為冷熱源，本次改造引入另外兩種清潔能源，分別為新打地?zé)峋鳛榭照{(diào)熱源；引入污水處理廠再生水作為冷熱源?，F(xiàn)狀空調(diào)系統(tǒng)分為三個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，由三個(gè)冷熱源機(jī)房分別

2、服務(wù)三個(gè)區(qū)域。本次改造將新增的兩種冷熱源分別引入三個(gè)冷熱源機(jī)房，與原有地源熱泵介質(zhì)水聯(lián)合供冷供熱。改造后的系統(tǒng)原理圖詳見附圖1。本文主要論述污水處理廠再生水作為冷熱源的設(shè)計(jì)部分。2.污水再生水換熱系統(tǒng)介紹延慶污水處理廠與本工程所在地一墻之隔，距離約為170米。該污水處理廠日處理污水量為28000噸/天，處理后再生水平均水溫為13，冬夏水溫較為穩(wěn)定，處理水量較為可靠，可作為天然的空調(diào)冷熱源。污水經(jīng)過格柵除污機(jī)進(jìn)行前處理后，流入現(xiàn)狀的污水再生水儲(chǔ)水池，之后被引入換熱池與二次介質(zhì)水換熱后，排入市政污水管道。污水在生水作為冷熱源的一次側(cè)，二次側(cè)的介質(zhì)水與一次水換熱后直接供至各冷熱源機(jī)房。因此二次水為清

3、潔的介質(zhì)水，避免了二次側(cè)系統(tǒng)中堵塞、腐蝕、污染、維修清理費(fèi)用高等問題。此外，本工程為改造工程，可保留原有地源熱泵機(jī)組，不必更換為專用污水源熱泵機(jī)組，從而節(jié)省一部分初投資。在污水處理廠室外新建一座地下的污水換熱池，一、二次水的換熱在換熱池中實(shí)現(xiàn)。換熱池中放置污水換熱器，并且引入污水再生水，系統(tǒng)原理如圖1所示。圖1 污水源熱泵系統(tǒng)原理圖3.污水換熱池設(shè)計(jì)3.1 換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算本工程建筑功能為三星級(jí)酒店、宿舍、辦公等，用水時(shí)間為24小時(shí)，該污水處理廠日處理污水量為28000噸/天，理后的污水源源不斷地匯入現(xiàn)狀污水池，平均小時(shí)排水量約為1167m3/h。為了保證其作為冷熱源的可靠性，低峰排水時(shí)取0.5

4、的系數(shù)，約為580m3/h。以此水量進(jìn)行換熱器選型計(jì)算依據(jù)。地源熱泵機(jī)組夏季冷凝器設(shè)計(jì)溫度為45/40，冬季蒸發(fā)器設(shè)計(jì)溫度為9/4，選擇換熱器時(shí)冬季較為不利，因此以冬季工況進(jìn)行選型計(jì)算。該換熱池的設(shè)計(jì)換熱量為3000kW，污水設(shè)計(jì)溫度為13/8。根據(jù)公式（一）可求得污水側(cè)、二次介質(zhì)側(cè)水流量均520m3/h，與污水處理廠低峰小時(shí)排水量匹配。G=Qct 公式（一）F=QKBtpj 公式（二）本工程選用美國FAFCO的聚合物換熱器，片狀結(jié)構(gòu)，每片長(zhǎng)約3.66米，寬約1.22米。上下各有D63集分水器頭一個(gè)，中間為200根外徑6.5mm管道，壁厚0.5mm，工作壓力不小于10公斤，傳熱系數(shù)為160W/

5、m2，換熱器詳圖見圖2。根據(jù)換熱器傳熱面積公式（二），平均溫差tpj取算術(shù)平均溫差為8.5，,水垢系數(shù)B取0.6，得出換熱器傳熱面積共3676m2，單臺(tái)換熱器換熱面積為10m2，考慮15%的換熱損失及富余量，可計(jì)算出共需要420塊散熱器。10塊換熱器連接為一組，共需要42組。圖2 換熱器詳圖3.2 污水換熱池土建設(shè)計(jì)根據(jù)換熱器的數(shù)量及布置來設(shè)計(jì)換熱池尺寸大小。新建換熱池長(zhǎng)17米，寬7米，高5.25米，位于凍土層以下，換熱池及換熱器布置圖見圖3。 圖3 換熱器布置平面圖該換熱池的污水引自現(xiàn)有污水池，將新建換熱池與現(xiàn)狀污水池用管子連通，利用U型管等液位的原理使水自動(dòng)流入新建換熱池。兩個(gè)水池的高度相

6、對(duì)位置如圖4所示。利用兩池的液位差來克服兩水池內(nèi)部以及連通管的壓力損失，因此新建換熱池水位要低于原有污水池水位。由于兩水池橫截面積較大，流速較低，阻力可忽略不計(jì)。進(jìn)出水管采用無縫鋼管，壓力損失計(jì)算應(yīng)用海澄-威廉公式（三），根據(jù)水力計(jì)算可確定管路總阻力為7.1kPa，考慮兩水池內(nèi)的阻力取1.4的富裕系數(shù)，則總阻力為10kPa換算為1m的水頭，因此確定兩池液位差為1m，用以克服摩擦阻力及換熱器阻力。從而最終確定換熱池的深度。圖4 換熱池剖面圖Pm=105Ch-1.85dj-4.87qg1.85L （公式三）式中 Pm計(jì)算管段的沿程水頭損失（kPa）dj鋼管內(nèi)徑（m）qg流量（m3/s）L計(jì)算管段長(zhǎng)

7、度（m）Ch海澄-威廉系數(shù)3.3 水系統(tǒng)設(shè)計(jì)一次水污水再生水下進(jìn)上出、二次水介質(zhì)水上進(jìn)下出，為逆流換熱。一次水污水側(cè)為開式系統(tǒng)，污水取自現(xiàn)狀水池、排至市政污水管，以上節(jié)所述的兩池液位差為系統(tǒng)動(dòng)力，流量為該污水處理廠平均小時(shí)污水處理量。污水進(jìn)、出水管管徑取DN400，流速約為1.12m/s。為盡可能保證換熱池內(nèi)一次水供水均勻，將污水進(jìn)水管延寬度方向分兩路對(duì)稱布置，進(jìn)水口延長(zhǎng)度方向每隔1米布置一個(gè)，并且通過水力計(jì)算調(diào)整各進(jìn)水口孔徑，盡量保證每個(gè)進(jìn)水口流量相同。使得整個(gè)換熱池均勻進(jìn)水從而保證均勻換熱。出水管設(shè)置在換熱池計(jì)算液位高度上集中出水。一次水管道布置圖詳見圖5。二次介質(zhì)水為閉式系統(tǒng)，在換熱池中

8、與一次水通過換熱器進(jìn)行間接換熱后，作為冷熱源供給各熱泵機(jī)組，循環(huán)水泵設(shè)在各冷熱源機(jī)房?jī)?nèi)。二次水供回水管徑取DN300，比摩阻約123Pa/m。為在換熱池中，二次水供回水管道與換熱器采用同程式連接，盡量保證每組換熱器流量相同。此外，在進(jìn)入污水換熱池前，二次介質(zhì)水管路在旁邊的風(fēng)機(jī)小井內(nèi)設(shè)過濾器、溫度計(jì)、壓力表及檢修閥門。二次水管道布置圖詳見圖6。圖5 一次水管道平面圖圖6 二次水管道平面圖3.4 曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)在換熱池內(nèi)由于池體截面較大，水流速度很小，流體處于層流狀態(tài)。為了強(qiáng)化換熱，加大對(duì)流換熱系數(shù)，特在換熱池中增設(shè)一套曝氣、氣系統(tǒng)，通過引入氣泡迫使換熱池內(nèi)水流加速，從而達(dá)到增強(qiáng)換熱的效果。被引入的

9、氣體最終聚集換熱池頂部，從通氣管排出。根據(jù)風(fēng)機(jī)大小與相對(duì)位置，在換熱池旁邊新建一個(gè)長(zhǎng)3.1米、寬3.5米、高2.7米的地下風(fēng)機(jī)井，將風(fēng)機(jī)安裝在其中，通過風(fēng)道從室外引入空氣送送入換熱池中。空氣風(fēng)道及風(fēng)機(jī)布置詳見圖7、8。通過建立模型對(duì)換熱過程進(jìn)行CFD模擬分析，得到氣泡粒徑越小換熱效果越好，曝氣入設(shè)角度為30-45°時(shí)較優(yōu)，曝氣量控制在每片1-2m3/h可滿足使用要求同時(shí)保證經(jīng)濟(jì)性，并且將該結(jié)論應(yīng)用于本工程中。設(shè)置羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)量為800m3/h，風(fēng)壓為58.8kPa，合每片曝氣量1.9m3/h。圓形風(fēng)道均勻的設(shè)置在各換熱器下邊，風(fēng)道每個(gè)10-20mm設(shè)置一個(gè)直徑為3mm的空氣孔。由于氣體

10、輸送自東向西，由于輸送阻力導(dǎo)致上游空氣送出流量大、下游流量小。為了送氣更加均勻，上游側(cè)增大空氣孔間距，下游側(cè)減小間距送氣更密集，因此東半池取間距20mm，西半池取間距10mm?？諝夤艿朗疽鈭D詳見圖9。圖7 風(fēng)機(jī)小井及風(fēng)道平面圖圖8 風(fēng)道及水管剖面圖圖9 空氣管道示意圖4.結(jié)論與展望本工程通過設(shè)置換熱池的方法合理利用污水處理廠污水再生水的廢冷（熱）作為空調(diào)系統(tǒng)的冷（熱）源，并結(jié)合原有地埋管以及新增的地?zé)崮茉绰?lián)合供能，充分利用各類免費(fèi)能源，實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的供能形式。通過設(shè)置污水換熱池增加一次換熱使污水再生水僅停留在換熱池中，二次介質(zhì)水仍為閉式干凈的水進(jìn)入普通地源熱泵機(jī)組。日后的維護(hù)工作僅在該換熱池中清理完成即可。雖然增加一次換熱會(huì)帶來換熱損失，但是避免了污水再生水進(jìn)入熱泵機(jī)組，避免了安全衛(wèi)生隱患，避免了繁瑣的人工清理及設(shè)備維護(hù)成本。此外作為改造工程，避免了更換原有地源熱泵機(jī)組，用最小的初投資實(shí)現(xiàn)了高效的供能系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心是換熱池中的