天津研究应用所污水源热泵综合项目工程专项方案书.doc

世界首创 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7月地 址：天津市河西区环湖南路9号9门 （邮编300060） 电 话：企业网址：.net 传 真：电子信箱： 联络人：刘兴泽 目 录一、污水源热泵方案设计 2二、技术参数设计3三、运行参数和工艺步骤4四、关键设备选型5五、污水源热泵投资及运行费用估算6六、污水源热泵优势 7七、污水源热泵应用情况 8八、技术及原理概要 11九、质量服务体系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。采取风机盘管和散热器作为空调系统末端装置，拟采取污水源热泵作为空调系统热源。用以满足该建筑夏季制冷、冬季采暖需求。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400070280260累计400070280260备注：设计总制热量为280 kw。设计总制冷量为260 kw。 依据本项目标冷、热负荷，为节省该项目标初投资，提议使用一套污水源热泵系统，处理建筑采暖、空调。（二）项目资源情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，采取热泵技术供热、空调。（三）总体建设方案为节省该项目供暖、空调系统一次性投资、便于管理等，建设一个污水源热泵机房，满足建筑供热、空调需求。按单项建设分为：（1）污水取水和排水系统工程建设。（2）水泵、换热器、热泵机组购置及安装，按工程需求量。（3）热泵机房管线等安装建设。（4）热泵站低压配电控制系统建设。（四）此方案优点：（1） 降低初投资；节省运行费用；（2） 集中控制、集中管理。（五）方案关键点（1）污水输送管道敷设能够采取开挖式，也能够采取非开挖式。（2）热泵机组选型按设计冷、热负荷为依据。（六）空调设计依据GB50019-采暖通风和空气调整设计规范GBJ242-82采暖和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）夏季水温： 22-24 ；（3）污水水质：PH；（4）设计污水温差冬季3、夏季5。三、运行参数和工艺步骤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/h10进水，7出水，温差3，水量60.34 m3/h中介循环27进水，32出水，温差5，水量53.8 m3/h4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44.8 m3/h45 供水，40回水，温差5 ，水量48.3m3/h2、工艺步骤：采取闭式污水源热泵系统，污水先将热量或冷量传输给清洁水（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）末端循环水子系统。3、关键设备：1热泵机组 2. 污水换热器 3. 污水泵 4. 中介泵 5. 末端泵 6. 防阻机四、关键设备选型该污水热泵系统关键设备及其选型见下表。表3.系统关键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：38 kW单台制冷量： 150 kW制冷功率：29 kW2台非标内切型2污水换热器单台换热面积130m2 单台换热量340kw1组专用01型3一级污水泵单台流量38m3/h，扬程22米，功率4kw350ZJWQ38-22-4两用一备4中介水循环泵单台流量38m3/h，扬程24米,功率4 kw3台两用一备5末端循环水泵单台流量25m3/h，扬程35米，功率5.5 kw3台两用一备6定压补水装置单台流量2m3/h，扬程21米，功率0.75 kw1个7软化水箱V=1m31个8高位水箱V=0.5 m31个9快速除污器处理水量50m3/h1个DN5010快速除污器处理水量50m3/h1个DN5011机房安装（管路、辅材、阀门、保温等）1套12电控柜及电缆供货和安装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：1、热泵机组2台（非标内切型板式）20.4万元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 5万元总计52.4万元 注： 1、冷、热负荷为原设计说明中数值，如实际发生改变，投资也对应改变。2、本报价中不含室外管网。3、本套系统要改为地源热泵，按每口井120米计算，每延米取热40Kw需要打井58眼，采取双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/年日开机时间供暖二十四小时电 价0.70元/度制冷12小时平均负荷系数冬季0.6 ； 夏季0.95调整系数0.6（1）城市污水热泵系统运行费用为电费。年运行费用以下表。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 + 隶属设备功率) 负荷系数调整系数日运行小时数年运行天数电价 105kw0.60.6二十四小时120天0.70元/度7.62（万元）（19.05元/）年制冷费用(制冷功率 + 隶属设备功率) 隶属设备系数负荷系数调整系数日运行小时数年运行天数电价87kw0.950.612小时100天0.70元/度4.17（万元）（10.41元/） 六、污水源热泵优势1、城市污水源热泵空调技术能实现冬季供暖、夏季空调、整年生活热水供给（很廉价热水供给方案）、夏季部分无偿生活热水供给。城市污水热泵空调是一项高新技术，含有节能、环境保护及经济效益，符合经济和社会可连续性发展战略。2、城市污水源热泵机组以污水为冷热源，冬季采集来自污水低品位热能，借助热泵系统，经过消耗部分电能（1份），将所取得能量（大于4份）供给室内取暖；在夏季把室内热量取出，释放到水中，以达成夏季空调目标。它有以下特点： （1）环境保护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，没有燃烧过程，避免了排烟污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔噪音及霉菌污染。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，所以热泵循环蒸发温度提升，能效比也提升。而夏季污水温度比环境空气温度低，所以制冷冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提升。 （3）运行稳定可靠污水温度十二个月四季相对稳定，其波动范围远远小于空气变动。是很好热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定特征，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也确保了系统高效性和经济性。不存在空气源热泵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（夏季无偿）等。一机多用，一套系统能够替换原来锅炉加空调两套装置或系统。七、污水热泵应用情况（一）应用情况本污水热泵供暖空调技术为一项新技术，现在建设投运工程情况以下：北京首全部机场东污水厂本项目为首全部机场扩建工程中水回用系统供暖工程，供暖空调面积为8000m2采取节能环境保护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，初投资费用降低32%，运行费用降低35%，节能效果显著。西青污水处理厂本项目采取污水热泵系统实现5000m2办公建筑冬季供暖和夏季制冷。比传统供热空调方法初投资费用降低25%，节能效果显著。空港污水处理厂本工程为天津空港物流加工区污水处理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理厂一期工程日处理能力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，满足综合楼及厂区建筑物6000平米空调和采暖需求。节能效果显著。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，采取自主研发第三代专利技术产品。该工程于投运。建筑面积15000，热泵系统装机容量1350 KW。该工程运行效果良好，取得了可观环境保护和经济效益（北京市对热泵技术应用扶持政策较为完善其中可再生能源利用补助较高，本工程得到了政府补助款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，采取自主研发第一代专利技术和产品（能量采集装置A型）实现第一个试点工程。 该工程于投运，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%以上该工程运行效果良好，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深入利用第二代专利技术和产品（能量采集装置B型）实施第二个大型试点工程。 该工程于投运，建筑面积34000m2，热泵系统装机容量1800kW。该工程运行效果良好，年节省运行费用90万元。 北京悦全部大酒店 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，采取自主研发第三代专利技术产品。该工程于投运。建筑面积15000，热泵系统装机容量1350 KW。该工程运行效果良好，取得了可观环境保护和经济效益（北京市对热泵技术应用扶持政策较为完善其中可再生能源利用补助较高，本工程得到了政府补助款50元）。北京南站北京南站在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17万平米采取原生污水源热泵空调系统。北京南站是国家关键建设项目，建设规模大，建设周期短、要求高、社会影响大。天津公馆该工程建筑面积5.4万，在天津市解放南路和绍兴道交口。关键功效为商业、办公、住宅。是现在天津市首例应用城市原生污水作为冷热源空调工程。 八、技术及原理概要（一）热泵空调系统原理各类可再生性低位清洁能源利用是经过热泵技术实现。热泵空调技术是依据逆卡诺循环原理，将低温热源（如城市污水、多种废水、地下水等）中低品位热能进行回收，转换为高端热能一个节能和环境保护性技术，利用这项技术逆过程同时还能够达成制冷目标，是以存在适宜环境能源为必需条件。图1 水源热泵供暖空调工作原理作为举例图1示意了一个水源热泵向建筑物供热工作原理。所谓水源热泵，就是指以环境中水（地面水、地下水等等）作为热源。制冷工质（比如氟利昂）在压缩机1驱动下，在压缩机1、冷凝器2、膨胀装置3、蒸发器4多个关键部件中循环运动。工质热力性质决定了蒸发器中工质温度能够保持在比如2（称为蒸发温度）左右，而冷凝器中则为60（称为冷凝温度）以上。这里地下水即使在冬季仅为10，但却能够作为热泵系统热源，因为当将它引入温度为2蒸发器时，它肯定要把本身中热能（称为内能）交给机组，变为比如4被回灌到地下。获取了环境热能工质被压缩机压缩到比如60，在冷凝器中加热来自房间系统循环水，由该水将热量带到房间散热设备中。总来看，热泵能够从常温或低温环境中获取热量，以较高温度向房间供热。过程中机组每消耗一份高位能源，能够从环境中攫取3份以上热量，房间实际得到热量则为4份以上。（二）污水热泵运行原理1、运行机制关键技术原理是热泵运作机制，立即污水中热量或冷量传输给建筑物。可分为三个能量传输和转移过程：（1）污水将冷热量经过换热器或蒸发器传输给制冷剂。或直接传输，即污水直接进入蒸发器或冷凝器；或间接传输，即污水先将冷热量传输给洁净水，再有洁净水进入蒸发器或冷凝器。（2）制冷剂在蒸发器和冷凝器之间将热量进行传输和转换。制冷剂在蒸发器内吸收外届热量，蒸发后被压缩机吸入并压缩，变成高温、高压气体，该气体进入冷凝器后，经过冷凝器将热量传出。（3）末端空调系统循环水经过蒸发器或冷凝器吸收冷热量。末端空调系统循环水吸收蒸发器或冷凝器冷热量后，经过末端散热设备风机盘管等将冷热量释放给房间，达成制热制冷目标。在能量传输和转移过程中，热泵机组能量输入输出比最高可达成4.4,即电机输入电能是1kcal时，从末端系统得到能量是4.4kcal。在整个过程中消耗少许电能，极大利用污水能量，从而达成节能目标,制冷过程是制热过程逆过程。2、工艺步骤为实现这种能量传输和转移过程，需要有数个冷热媒循环系统，包含：（1）污水取水排水系统，此系统为开式系统。（2）洁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。其工艺步骤以下图2所表示。图中1、2、3、4、5组成污水取排系统；5、6、7组成洁净水循环系统。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-洁净水泵；7-热泵机组图2 污水源热泵工艺步骤3、技术关键和关键点污水源热泵供热和空调既节能环境保护，又经济，那么为何一直没有能够取得大面积推广呢？实际上，和机组主机相关技术和制冷技术同生共存，已经有一百五十年多年历史了，虽还在不停改善，但不存在技术方面标准意义上障碍。问题在于水源方面。形象地说：“热泵好，源难找”。依靠传统技术，热泵中蒸发器和冷凝器只能承受清洁水换热。而环境中温度适宜清洁水却极难找。比如在中国北方地域，冬季室外大气温度太低，就算是比较清洁江水和河水已无法被用作热泵热源。仅仅就在几年以前，能够较大规模作为热泵冷、热源只有浅层地下水。而地下水开采是受限制。第一，会引发水文地责问题，；第二，投资较高；而且因为通常全部是在没有地质资料情况就需要决定立项，所以投资方面存在风险，第三，回灌问题不易处理。存在特殊问题是和水源换热技术，即以前还没有处理好不良水质在换热过程中可能引发多种问题，关键包含堵塞、污染和腐蚀三个方面。（1）防堵塞技术在上述三个问题中，堵塞问题是首当其冲。因为一旦发生此问题，换热设备将完全失去功效。堵塞最严重当属城市原生污水。据资料报道北欧、日本曾使用未处理污水（untreated wastewater）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， 实际上是优异行水处理再提热。资料中未说明四个问题，a. 污水渠中过滤网很快堵塞怎么清理？b. 机械复杂性问题。自动筛滤器中毛刷、刀片等关键硬件精密复杂，带来设备制造成本及系统运行成本等问题；c. 在繁荣市区沉沙池、积水池建设在何处？怎样实现环境保护？d. 筛滤下来固体污杂物往何处排放? 所以能够判定该系统无法在市区推广应用。另外，即使采取最简单水处理工艺，其处理成本也要大大地高于热泵从水中取热和取冷价值。处理污水目标是取热，供暖空调时，从每吨污水中所能获取数千千卡热（冷）量价值约为几角钱，获取这个价值还必需投入设备和电能。所以先对水处理投资再进行换热国外做法是不含有推广价值。在上个世纪80年代日本有十多个小型工程（每个3000平米左右）报道后，再未见扩展应用报道。为防堵塞，先行过滤是最轻易想到物理方法。就其机理而言，过滤永远是轻易，大家能够采取多级过滤将污水处理到任意洁净程度。过滤工艺难点永远全部是在怎样清理滤面，以确保过滤过程能够连续地进行这个问题上。定时更换滤面是一个方法，当然，这里不适用。中国外全部已经有些人采取用刮刀清理旋转滤面机械方法，装置被称为“自动筛滤器”该方法至今未见普及使用，问题可能是在于a.刮刀会将软性固体污杂物(腐烂菜叶等)抹入网眼；b.刮掉污杂物在流场中会再次扑向滤网；c.未扑向滤网部分污杂物是沉淀，还是漂浮？怎样控制并排除？最好方法是对滤面进行连续水力反冲洗，这是哈工大发明世界首创、国际领先，我们国家享受独立知识产权技术，其原理图2所表示：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 滤面过滤功效水力连续再生装置原理图专利设备-防阻机该装置又称“滤面水力连续自清装置”。滤面本身旋转，在任意时刻全部有部分滤面在过滤工作区，另一部分滤面在水力反冲区。在滤面旋转一周几秒到十几秒时间内，每个滤孔全部有部分时间在过滤工作区行使过滤功效，另一部分时间在反冲区被反洗，以恢复过滤功效，这里称之为滤面过滤功效再生。污水经由过滤后去换热设备无堵塞换热，换热后污水回到污水热能处理机反冲区对滤面实施反冲，并将反冲掉污杂物全部带走至排放处。该装置不惧怕任何污杂物含量污水，工作可靠，价格低廉；再一个优点是无需人工清理污杂物。即使是对水质很好江、河、湖、海水，为预防污杂物在换热设备中积累，也是使用该设备为好，比其它任何方法全部好，能够一劳永逸处理问题。（2）相关对换热面污染和腐蚀问题首先，相关腐蚀问题，城市生活污水即使水质极差，但其PH值却近似为7。地面水酸碱度也近似为中性。这就决定了它们对碳钢腐蚀基础没有，尤其是在不暴露大气密闭运行情况下。就暖通空调所用水源热泵而言，不良水质对换热设备腐蚀和污染问题严重性在部分专业人士心目中往往被夸大了。实际上地面自然水和城市污水对换热设备腐蚀和污染问题在实际工程中全部不很显著，大可无须过分地应对。换热设备采取通常碳钢材质即可。完全不腐蚀是不可能。轻度腐蚀仅会些许降低换热系数，假定运行一个相当长周期后换热器腐蚀到了立即泄漏程度，换一台换热器也比当初采取特种钢材经济。针对污染问题，污染后果不过是传热系数些许降低，设计时按常规做法将换热面积取一个余量系数，即可确保整个采暖或空调季换热效果。换季时将换热器打开清洗是正常维护程序，壳管换热器人工清洗操作方便，成本很低，是很轻易事情。这里主张人工清洗似乎不够高级，没有推崇国外部分机械或水力自动方案，但一个很精辟见解：达成一样效果时，最经济方案就是最科学方案。现在，对抗污染自清洗换热器已经有了很可喜进步，产品在生产中。4. 系统设计问题(1) 系统形式分类和选择污水源热泵空调系统可分为直接式和间接式两类。若水源水直接进入热泵机组蒸发器或冷凝器换热则为直接式系统，若水源水先和中介水换热，中介水进入机组则为间接式系统。直接式系统对水源水水质有较高要求，或说对蒸发器、冷凝器适应较差水质能力有较高要求。水质方面，通常限定为用于城市污水站中二级出水、江河湖水、海水、地下水、部分工企业废水等，这类水源水中仅含有少许粒径在1mm以下固体悬浮物，水质相对洁净。蒸发器或冷凝器则须有可靠防堵，防污染和腐蚀能力。而间接式系统因为使用水源水换热器替换蒸发器和冷凝器取热（冷），所以对水源水水质处理要求大大降低。工程实践已经证实，即使是水质极差，完全不加处理城市原生污水，只要使用旋转反冲洗防阻技术，整个系统已可长久连续安全取热、取冷运行。(2） 换热方法 可能换热方法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。采取紧凑式换热器换热须处理好堵塞、污染和腐蚀三个问题。考虑到这三个问题，在全部紧凑式换热器形式当中，壳管换热器管程是最适合于非洁净水（壳空间无法清理）。其它换热器形式，比如板式，螺旋板式等，处理上述三个问题全部难度很大。所以本项目采取壳管换热器是最好方案。(3）换热工况 换热工况是指系统中各节点（地面非洁净水进、出口，中介水进、出口，蒸发器，冷凝器等）温度和各环路（地面非洁净水环路，中介水环路）流量。这些参数首先须确保系统能够达成使用效果。在以前提下，她们将直接决定机组、各换热器、水泵等设备投资和系统运行费用。水源水冬季最低温度和夏季最高温度是确定，其在供暖或空调高峰负荷时段最小水量也是确定。所以换热工况各参数确实定是受限制。在限制范围内，这些参数又可有部分改变。很好换热工况设计应兼顾系统投资和运行费用。蒸发温度高些，冷凝温度低些，机组可取得较高能源效率。但它们又分别受到现有和需求条件限制。冷凝温度受末端使用条件限制。通常末端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限制。水源水降温后最低温度应为1以上，以避免冻坏管路。在考虑使用效果、运行效率同时，须避免选择过大换热面积，兼顾换热设备初投资。在考虑使用大水量运行以提升换热效果同时，也须顾及水泵耗功。综上，每一具体工程换热工况设计全部是一个需综合考虑初投资和运行费用优化课题，需进行反复计算比较后再最终确定。因为污水水质条件极差，含有大量悬浮固体及溶解性化合物，管路和设备很轻易瞬时堵塞，同时换热器换热面污染严重，换热效果差，采取常见过滤工艺及一般换热方法处理不了上述问题。常见过滤工艺包含多级过滤，机械格栅，大型过滤器等，这些设备除掉了悬浮物，但引发了设备占地、维护、投资、辅助能耗，污物运输及周围环境污染等问题，所以不含有可行性。哈尔滨工业大学针对瞬时阻塞问题，开发了应用工艺和装置，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，运行效果良好，经济效益显著。（4）污水换热器经过防阻塞设备后污水还含有溶解性化合物、微尺度泥沙，在没有污水处理工艺条件下，换热器换热面受到污染是肯定，利用一般换热器时，换热量急剧下降，甚至系统不能运行。换热器需要特殊设计。哈工大深入研究了污水换热特征，开发了专用污水换热器，并投入实际工程，运行效果良好。九、质量服务体系服务体系以下：1、技术培训方案无偿提供现场使用级培训、维护级培训，具体内容以下：（1）现场使用级培训：培训机组运行工况设定，冬夏运行水路转换，运行参数调整、机房日常管理。（2）维护级培训：内容包含空调机组工作原理、简单故障判定及排除、日常维护保养。2、服务保障机构总部设有售后服务部，制订严密售后服务控制程序，每十二个月在供暖制冷前，制度性地组织巡视,为用户机组无偿进行开机调试、检验，帮助用户日常维护工作。认真听取用户对机组运行情况及售后服务质量方面情况，同时企业每十二个月两次培训用户机组操作人员，学习理论、实践、维护、保养各方面知识，达成独立操作水平。3、无偿维修方案、期限提供机组自出厂日起18个月内无偿保修，保修期内因为机组本身质量故障均由厂家负责维修和更换并负担费用。4、保外服务维修中心将对用户提供有偿终生维修业务，所需更换部件以成本价提供，企业维修中心将建立用户维修保养档案，定时向用户提供咨询服务，终生无偿提供技术服务。