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【论文精选】多能互补供能系统中污水源热泵系统设计要点

时间：2022-12-17 来源：浏览：

【论文精选】多能互补供能系统中污水源热泵系统设计要点

原创蔡春雷，等煤气与热力杂志

煤气与热力杂志

微信号 GAS-HEAT1978

功能介绍《煤气与热力》始于1978年，创刊于1981年，中国核心期刊，中国土木工程学会燃气分会会刊。筛选燃气供热行业最有价值的技术信息，新闻分类整理、政策标准、热点讨论、投稿查询、论文检索、写作指导、编委风采、精品会议……

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作者：蔡春雷，张磊，訾大鹏，李登功，梁京涛

第一作者单位：烟台市数字化城市管理服务中心

摘自《煤气与热力》2022年12月刊

参考文献示例

蔡春雷，张磊，訾大鹏，等 . 多能互补供能系统中污水源热泵系统设计要点［J］. 煤气与热力， 2022，42（12）：A04- A06 .

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1 概述

截至 2019 年底，北方农村地区清洁供暖率约 31% ，比 2016 年提高 21.6% 。北方农村地区累计完成散煤替代约 2 300 × 10 ⁴ 户，其中京津冀及周边地区、汾渭平原累计完成散煤清洁化替代约 1 800 × 10 ⁴ 户。

我国北方地区某污水处理厂现状污水日处理能力为 17 × 10 ⁴ t/d ，扩建完成后日处理能力将提升至 25 × 10 ⁴ t/d 。根据城市规划部门要求，优先利用污水处理厂处理后的中水作为冷热源，组建污水源热泵 + 热电联供 + 电驱动冷水机组的多能互补供能系统（简称多能互补供能系统），为污水处理厂附近规划区域用户供热供冷。本文对多能互补供能系统中污水源热泵系统的设计要点进行分析，对项目存在的问题提出建议。

2 项目概况

规划区域内住宅及配套建筑供暖装置为地面辐射供暖系统，供冷装置为分体式空调器。办公楼、酒店、商场采用风机盘管加新风系统供暖、供冷。用户设计冷热负荷见表 1 。

表 1 用户设计冷热负荷

为保证污水源热泵系统安全运行，对中水水质进行分析。典型月跟踪结果显示，中水水质满足 GB 18918 — 2002 《城镇污水处理厂污染物排放标准》的要求，但部分时间氯离子、氨氮质量浓度偏高，存在易腐蚀不锈钢、铜质部件的风险 ^［ ¹ ^］。因此，在换热器材料选择以及中水与热泵机组换热方式上要引起注意。

3 设计要点

3.1 中水与热泵机组换热方式

中水与热泵机组的换热方式分为直接式换热、间接式换热。采用直接式换热时，中水经防阻机过滤后直接进入热泵机组。与间接式换热相比，直接式换热没有中间 换热器 的换热损失及压力损失，系统运行能效更高。但根据国内工程经验，中水与热泵机组采用直接式换热，运行一段时间后，热泵蒸发器易出现黏着物，难以清理，因此该项目采用间接式换热。中间换热器采用易于拆卸清理的耐压畅通污水换热器，考虑到部分时间中水中氯离子、氨氮质量浓度偏高，中间换热器采用碳钢材质，并涂敷防腐层。同时采用先进的焊接工艺，保证焊接处平滑无毛刺，使防腐层牢固地粘附在金属表面，也减少对中水中黏稠物的钩挂。

由于该项目污水源为处理后的中水，没有大尺寸颗粒物，因此中间换热器前不再设置防阻机。中水经中间换热器换热后排至污水干渠，经中间换热器与中水换热后的清洁中介水进入热泵机组。中间换热器布置在能源站内。

3.2 中水取水系统

不仅中水温度、流量连续变化，建筑负荷也逐时变化，通常二者的变化趋势相反，为保证热泵机组稳定运行，需要设置调节池，以稳定中水供应量 ^［ ² ^］。中水取水系统见图 1 。从检查井的中水管引出 1 条支管，依靠重力将中水输送至调节池。当调节池液面低于中水管液面时，中水可自动流入调节池。当调节池液面与中水管液面持平时，中水不再进入调节池，这种设计的优点是不必设置溢流管 ^［ ³ ^］。支管出口设置的闸板阀除用于调节中水流量外，还用于在过渡期进行调节池检修、清理时截断中水。采用潜水泵取水方式，潜水泵设置在调节池内。潜水泵取水方式安装布置简便，工程造价低，适用于空间较小的机房。采用的潜水泵能适应各种水质，安全可靠。

根据对供暖期典型日的分析，中水流量比较稳定，最低流量出现在 7 ： 00 — 9 ： 00 。为避免中水流量不足影响热泵机组正常工作，并留有一定缓冲空间，根据负荷发展，设置 2 座调节池：近期调节池有效容积 400 m ³ ，远期调节池有效容积 1 200 m ³ 。调节池的设计应考虑保温及排气功能。

图 1 中水取水系统

4 污水源热泵系统工艺流程

4.1 设备选型

扩建完成后污水处理厂日污水处理能力为 25 × 10 ⁴ t/d ，出于保守，供暖期中水最小质量流量按 7 800 t/h 考虑，中水供、回水温度为 12 、 7 ℃。由此，热泵机组额定制热量选取 60 MW ，对应额定制冷量为 54 MW 。由于规划区域内用户设计热负荷为 100.8 MW ，因此 40.8 MW 热负荷缺口由热电机组承担。

根据业主要求， 供热管道 兼作供冷管道，但由于冷水循环温差小，因此需要考虑管径对冷水流量的限制。供暖期，供暖热水供、回水温度为 65.0 、 40.3 ℃，设计热负荷为 100.8 MW ，可计算得到供暖热水设计质量流量为 3 510 t/h ，供热管道选取 DN 800 mm 。供冷期，冷水供、回水温度为 5 、 11 ℃，热泵机组额定制冷量为 54 MW ，可计算得到冷水设计质量流量为 7 740 t/h ，远超出 DN 800 mm 管道的输送能力，因此，将冷水设计质量流量设定为与供暖热水相同（为 3 510 t/h ），可计算得到热泵机组制冷量为 24.5 MW 。

与输送热水相比，冷水输送过程中温升更加明显，因此供、回水管各考虑温升 0.5 ℃。为保证热泵机组进出水温度为 11 、 5 ℃，用户侧进出水温度按照 5.5 、 10.5 ℃计算，可为用户提供冷量 20.4 MW 。用户设计冷负荷为 74.8 MW ，冷负荷缺口 54.4 MW 可在用户侧设置电驱动冷水机组填补。

4.2 供暖期工艺流程

供暖期污水源热泵系统工艺流程见图 2 。供暖期中水由潜水泵加压进入中间 换热器 ，与中介水换热后温度由 12 ℃降至 7 ℃后排至污水干渠。中介水经中间换热器加热后，温度由 5 ℃升至 10 ℃，作为热泵机组低温热源。热泵机组出水经加热器（热源为热电机组）加热后，温度由 55 ℃升至 65 ℃。由于地面辐射供暖系统、风机盘管加新风系统的供水温度不同，供暖热水供水分别经住宅换热器、公建换热器向住宅及配套建筑、公共建筑供暖，放热后温度为 40.3 ℃的供暖热水回水进入热泵机组。

图2 供暖期污水源热泵系统工艺流程

4.3 供冷期工艺流程

供冷期污水源热泵系统工艺流程见图 3 。供冷期中水由潜水泵加压进入中间换热器，与中介水换热后温度由 27 ℃升至 32 ℃后排至污水干渠。中介水经中间换热器冷却后，温度由 34 ℃降至 29 ℃，作为热泵机组冷源。热泵机组出口冷水温度为 5.0 ℃，受管道沿程冷损失影响，公建换热器一级侧进口冷水温度升至 5.5 ℃。公建换热器一级侧出口冷水温度为 10.5 ℃，受管道沿程冷损失影响，热泵机组进口冷水温度升至 11.0 ℃。公建换热器二级侧进、出口冷水温度为 12 、 7 ℃。不足冷量由电驱动冷水机组补充。