污水源热泵空调系统设计.doc

污水源热泵系统设计工程应用
摘要：本文论述了污水源热泵系统在某冷热源系统改造工程的应用。通过设置换热池，应用聚合物换热器实现污水再生水与二次介质水的间接换热。本文分别对系统原理、污水再生水换热池、一、二次水系统以及曝气系统的设计进行了全面介绍，并分析该系统的优缺点。
关键词：污水源热泵 联合供能 污水换热池 聚合物换热器 曝气系统
1.工程概况
本工程位于北京市延庆区，总建筑面积约为43613平方米。设计内容为空调系统改造。原空调系统以地源热泵作为冷热源，本次改造引入另外两种清洁能源，分别为新打地热井作为空调热源；引入污水处理厂再生水作为冷热源。现状空调系统分为三个独立的子系统，由三个冷热源机房分别服务三个区域。本次改造将新增的两种冷热源分别引入三个冷热源机房，与原有地源热泵介质水联合供冷供热。改造后的系统原理图详见附图1。本文主要论述污水处理厂再生水作为冷热源的设计部分。
2.污水再生水换热系统介绍
延庆污水处理厂与本工程所在地一墙之隔，距离约为170米。该污水处理厂日处理污水量为28000吨/天，处理后再生水平均水温为13℃，冬夏水温较为稳定，处理水量较为可靠，可作为天然的空调冷热源。污水经过格栅除污机进行前处理后，流入现状的污水再生水储水池，之后被引入换热池与二次介质水换热后，排入市政污水管道。
污水在生水作为冷热源的一次侧，二次侧的介质水与一次水换热后直接供至各冷热源机房。因此二次水为清洁的介质水，避免了二次侧系统中堵塞、腐蚀、污染、维修清理费用高等问题。此外，本工程为改造工程，可保留原有地源热泵机组，不必更换为专用污水源热泵机组，从而节省一部分初投资。
在污水处理厂室外新建一座地下的污水换热池，一、二次水的换热在换热池中实现。换热池中放置污水换热器，并且引入污水再生水，系统原理如图1所示。

图1 污水源热泵系统原理图
3.污水换热池设计
3.1 换热器设计计算
本工程建筑功能为三星级酒店、宿舍、办公等，用水时间为24小时，该污水处理厂日处理污水量为28000吨/天，理后的污水源源不断地汇入现状污水池，平均小时排水量约为1167m3/h。为了保证其作为冷热源的可靠性，低峰排水时取0.5的系数，约为580m3/h。以此水量进行换热器选型计算依据。
地源热泵机组夏季冷凝器设计温度为45/40℃，冬季蒸发器设计温度为9/4℃，选择换热器时冬季较为不利，因此以冬季工况进行选型计算。
该换热池的设计换热量为3000kW，污水设计温度为13/8℃。根据公式（一）可求得污水侧、二次介质侧水流量均520m3/h，与污水处理厂低峰小时排水量匹配。
公式（一）
公式（二）
本工程选用美国FAFCO的聚合物换热器，片状结构，每片长约3.66米，宽约1.22米。上下各有D63集分水器头一个，中间为200根外径6.5mm管道，壁厚0.5mm，工作压力不小于10公斤，传热系数为160W/m2，换热器详图见图2。
根据换热器传热面积公式（二），平均温差取算术平均温差为8.5℃，,水垢系数B取0.6，得出换热器传热面积共3676m2，单台换热器换热面积为10m2，考虑15%的换热损失及富余量，可计算出共需要420块散热器。10块换热器连接为一组，共需要42组。

图2 换热器详图
3.2 污水换热池土建设计
根据换热器的数量及布置来设计换热池尺寸大小。新建换热池长17米，宽7米，高5.25米，位于冻土层以下，换热池及换热器布置图见图3。

图3 换热器布置平面图

该换热池的污水引自现有污水池，将新建换热池与现状污水池用管子连通，利用U型管等液位的原理使水自动流入新建换热池。两个水池的高度相对位置如图4所示。利用两池的液位差来克服两水池内部以及连通管的压力损失，因此新建换热池水位要低于原有污水池水位。由于两水池横截面积较大，流速较低，阻力可忽略不计。进出水管采用无缝钢管，压力损失计算应用海澄-威廉公式（三），根据水力计算可确定管路总阻力为7.1kPa，考虑两水池内的阻力取1.4的富裕系数，则总阻力为10kPa换算为1m的水头，因此确定两池液位差为1m，用以克服摩擦阻力及换热器阻力。从而最终确定换热池的深度。

图4 换热池剖面图

（公式三）
式中 ——计算管段的沿程水头损失（kPa）
——钢管内径（m）
——流量（）
L——计算管段长度（m）
——海澄-威廉系数
3.3 水系统设计
一次水污水再生水下进上出、二次水介质水上进下出，为逆流换热。
一次水污水侧为开式系统，污水取自现状水池、排至市政污水管，以上节所述的两池液位差为系统动力，流量为该污水处理厂平均小时污水处理量。污水进、出水管管径取DN400，流速约为1.12m/s。为尽可能保证换热池内一次水供水均匀，将污水进水管延宽度方向分两路对称布置，进水口延长度方向每隔1米布置一个，并且通过水力计算调整各进水口孔径，尽量保证每个进水口流量相同。使得整个换热池均匀进水从而保证均匀换热。出水管设置在换热池计算液位高度上集中出水。一次水管道布置图详见图5。
二次介质水为闭式系统，在换热池中与一次水通过换热器进行间接换热后，作为冷热源供给各热泵机组，循环水泵设在各冷热源机房内。二次水供回水管径取DN300，比摩阻约123Pa/m。为在换热池中，二次水供回水管道与换热器采用同程式连接，尽量保证每组换热器流量相同。此外，在进入污水换热池前，二次介质水管路在旁边的风机小井内设过滤器、温度计、压力表及检修阀门。二次水管道布置图详见图6。

图5 一次水管道平面图

图6 二次水管道平面图

3.4 曝气系统设计
在换热池内由于池体截面较大，水流速度很小，流体处于层流状态。为了强化换热，加大对流换热系数，特在换热池中增设一套曝气、气系统，通过引入气泡迫使换热池内水流加速，从而达到增强换热的效果。被引入的气体最终聚集换热池顶部，从通气管排出。
根据风机大小与相对位置，在换热池旁边新建一个长3.1米、宽3.5米、高2.7米的地下风机井，将风机安装在其中，通过风道从室外引入空气送送入换热池中。空气风道及风机布置详见图7、8。
通过建立模型对换热过程进行CFD模拟分析，得到气泡粒径越小换热效果越好，曝气入设角度为30-45°时较优，曝气量控制在每片1-2m3/h可满足使用要求同时保证经济性，并且将该结论应用于本工程中。设置罗茨风机风量为800m3/h，风压为58.8kPa，合每片曝气量1.9m3/h。圆形风道均匀的设置在各换热器下边，风道每个10-20mm设置一个直径为3mm的空气孔。由于气体输送自东向西，由于输送阻力导致上游空气送出流量大、下游流量小。为了送气更加均匀，上游侧增大空气孔间距，下游侧减小间距送气更密集，因此东半池取间距20mm，西半池取间距10mm。空气管道示意图详见图9。

图7 风机小井及风道平面图

图8 风道及水管剖面图

图9 空气管道示意图
4.结论与展望
本工程通过设置换热池的方法合理利用污水处理厂污水再生水的废冷（热）作为空调系统的冷（热）源，并结合原有地埋管以及新增的地热能源联合供能，充分利用各类免费能源，实现高效、节能、环保、可持续发展的供能形式。
通过设置污水换热池增加一次换热使污水再生水仅停留在换热池中，二次介质水仍为闭式干净的水进入普通地源热泵机组。日后的维护工作仅在该换热池中清理完成即可。虽然增加一次换热会带来换热损失，但是避免了污水再生水进入热泵机组，避免了安全卫生隐患，避免了繁琐的人工清理及设备维护成本。此外作为改造工程，避免了更换原有地源热泵机组，用最小的初投资实现了高效的供能系统。
该系统的核心是换热池中的换热器。本工程使用的聚合物换热器为塑料材质，可避免传统金属换热器在污水中易被腐蚀的问题，然而由于其导热能力低于金属换热器，故所需安装空间较大。此外，换热器对产品质量较高，对施工要求较为严格。只有选用耐腐蚀性佳、性能稳定的产品，遵循正确缜密的工艺要求，才能保证换热器的正常应用及使用寿命，从而充分发挥该系统节能、环保、高效的优势。

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