淮安四院污水源热泵应用及分析

周毅

摘要：污水源热泵系统是一种节能高效的、环保效益显著的可再生能源系统，本文以淮安四院机房改造项目污水源热泵的应用为例，对污水源热泵系

统的节能、经济及环境效益进行模拟分析。得出污水源热泵系统是一种经济、社会效益都很高的可再生能源系统。

关键词：污水源热泵;技术经济分析;节能减排

引言：

污水源热泵系统是利用污水为低位热（冷）源，利用热泵技术提升热媒或降低冷媒温度为建筑物供热和供冷技术。城市市政污水一般充足且排量比较稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是比较理

想的低位冷热源。

污水源热泵系统按照使用污水的处理状态可分为原生污水（未处理污水）和污水处理厂二级出水或中水;按照污水利用的方式可分为直接利用式和间接利用式。淮安四院机房原有设备（直接利用污水换热的小模块化设备）因老化堵塞等原因无法正常使用，经调研本项目临近本市第二污水处理厂，有可提供污水处理后二级出水的便利条件，本项目采用污水源热泵系统对淮安四院制冷及供热系统进行机房改造，在此对本项目的污水源

热泵应用进行经济技术社会效益进一步分析。

1项目概况

江苏省淮安市第四人民医院，地处清浦区延安东路128号，占地面积146亩;污水源热泵系统改造利用了邻近的第二污水处理厂的污水处理后二级出水，污水利用方式采用间接利用方式。污水源热泵系统供三栋病房楼一栋门诊及医技楼空调，同时供应三栋病房楼卫生热水;本次空调改造系统空调建筑面积约25000平方米（不含手术室及医技用房部分）。

2负荷计算

2.1室外设计计算参数（参照淮安市，具体数值略）。

2.2室内设计参数

2.3空调负荷模拟计算，为便于进行定量分析计算，利用能耗计算

BESI2022软件对建筑物建模进项空调全年负荷模拟，结果如下：

2.4卫生热水耗热量：

3.系统设计及设备选型

本工程污水源热泵系统与常规的地源热泵系统类似，不同的是由宽流道式中水换热器替换地埋管换热系统，本工程采用间接利用式方式，污水换热器系统和热泵机组通过中介水进行换热，不需选择专用污水热泵机组。本项目对本市第二污水处理厂提供污水处理后二级出水进行了前期调研，污水处理后二级出水水体较好，没有明显污物。由于污水管道架空明敷，污水有明显的季节变化，夏季污水温度约27度，冬季污水温度约12度。

本工程污水源热泵系统原理如图：

本工程主机选用三台螺杆式地源热泵机组，其中一台带全热回收（制冷工况：12/7度------25/30度，制热工况：40/45度------10/5度，全热回收工况：50/55度------12/7度）;选用了三台宽流道式中水换热器（额定换冷量Ql=1667k额定换热量Qr=1250kw换冷工况：27.73/22度（中水）---25.33/31.06度（中介水）换热工况：12/7度-----9.5/4.5度）;夏季空调三台热泵机组提供，冬季空调由两台热泵机组提供，卫生热水由一台带全热回收热泵机组提供，热水设有储热水箱。

4.污水源热泵系统设计要点

污水源热泵系统原理和形式和地源热泵系统类似，并且不需考虑地源热泵系统土壤热平衡问题，但污水源热泵系统也有本身特点和要求，污水源热泵系统设计重点需要关注以下方面：

首先是对污水资源进行调研，污水的水质情况，是否是腐蚀性水质，污水中的杂质情况，污水的水温，以及是否有季节变化;污水的水量，污水流量是否稳定等，这些是基础资料，必须收集全面可靠，这是我们污水源热泵系统设计中的取水方式设计、污水换热器选择的前提资料，我建议不仅要收集资料最好还要实地考察。

根据污水调研情况选择合适的换热系统，污水换热器考虑的关键是防阻塞换热技术，设备选择要考虑防阻工艺的可靠性（会不会堵），设备运行稳定性（随着污垢的增加换热量能否保证），维护的可操作性，污水源热泵系统为保证效果和可靠，污水换热器一般每空调季都需清洗，至少每年需要清洗，如果污水换热器产品设计没有充分考虑，会严重影响后期运行。污水换热器选择和设计是系统成败的重要因素，必要应进行污水换热器实际运行项目进行考察。

污水管道流速应进行控制，污水流速不能低，低了容易结垢，也不能太高，高了会使管道设备腐蚀磨损加快，管道建议流速大于1.5m、/S，污水换热器流速一定要根据设备要求进行设计，否则容易结垢阻塞或加快磨损;污水换热器应逆流换热，中介水系统由于不同工况阻力流量变化较大，水泵应选用变频泵。

热泵机组的工况匹配也是要关注的地方，由于污水的水温与样本工况常常不同，对机组实际工况的能力需要调整，这点我们也常需要厂家提供支持和帮助。污水源热泵的可靠性、稳定性、管理可操作性以及初投资和运行费用都是我们必须关注的要点

5.节能分析

5.1空调系统节能分析，为便于节能对比，能耗计算BESI软件依据《民用建筑绿色性能计算标准》建立的参照空调系统（夏季主机选用三台离心式冷水机组，机组性能系数（COP）5.30IPLV5.45，冬季主机选用燃气热

水机组，锅炉热效率0.87）;利用能耗计算BESI软件对本工程污水源热泵系统和参照空调系统进行模拟计算比较，因用户负荷侧相同，本次仅对机房系统进行计算模拟，数据结果如下：

对燃机锅炉燃气耗量依据《民用建筑能耗分类及表示方法》GB/T34913-2017换算成等效电;对比数据，污水源热泵机组节能相当可观，供冷电耗机房系统节能率达36.2%，供热电耗机房系统节能率达45.7%，分析数据发现供冷时冷却水泵能耗比冷冻水泵能耗低，与常规系统不同，分析成因是由于宽流道式中水换热器阻力较低，虽然冷却水泵水量比冷冻水高泵数据偏高，但比扬程小导致;供暖时供暖水泵明显比参照系统高，分析数据是以下原因造成，首先软件是计算方法，参照系统是按照绿建评价标准进行计算，供暖水泵电耗是直接按照规范输送能效比取值进行计算，然而规范明确注明了其取值不适用热泵系统。其次供暖时污水源热泵供暖水泵输入参数时还包含了宽流道式中水换热器水泵的功率。由于有这两个原因从数据上看供暖时污水源热泵供暖水泵能耗明显比参照系统大。这些数据差异并不影响污水源热泵系统和参照系统比较结果。通过能耗计算BESI软件计算，污水源热泵系统相对参照空调系统，污水源热泵空调系统年节约电耗503825（kWh/a）;

5.2卫生热水节能分析，经计算本工程全年需提供卫生热水所需热量1422988（kWh/a）污水源热泵机组提供全年卫生热水，空调供冷时机组免费提供卫生热水;污水源热泵机组年耗电量117118（kWh/a）。如果建立燃氣热水机组的的参照热水系统，折算年耗电量558231（kWh/a），污水源热泵系统提供卫生热水折算年节约电耗441118（kWh/a）;

5.3减少碳排放量，由上述计算得到污水源热泵系统空调及卫生热水相对参照系统年节约电耗999349（kWh/a），按《民用建筑绿色性能计算标准》JGJ/T449-2018计算方法，取华东电网基准线排放因子0.35。仅以系统年节约电耗计算，年减少CO2排放量约350吨。如果按不同能源能源种类进行碳排放量计算，减少碳排放量更多。

6..结语

本工程污水源热泵系统从初投资上看，相较于地源热泵，无需投资较高的地埋侧土壤换热器系统，初投资低得多;经初步测算污水源热泵系统设备投资低于的冷水机组+燃气热水机组传统方案系统（没有了燃气热水机组和冷却塔，增加污水换热器），污水源热泵系统节能效果明显，相对于冷水机组+燃气热水机组传统方案系统空调系统节能率36.25%，卫生热水节能率更加显著，相对于燃气热水机组节能率达惊人的79%;本项目通过模拟计算，仅以节约电耗计算即可量减少CO2排放量约350吨，污水源热泵系统符合人们对环境温室效应关注的历史潮流，更不要说这是一个变废为宝的可再生能源利用;本案例克服了一些数据难以准确获得，利用现有能获得不是针对性的专业软件进行模拟计算分析，依然可以得出污水源热泵系统是经济及环境效益都非常显著可再生能源系统。如果项目条件具备，污水源热泵系统是值得在工程实践中大力推广可再生能源系统。

参考文献：

[1]《地源热泵技术手册手册》徐伟主编ISBN978-7-112-12858-7

[2]《民用建筑能耗分类及表示方法》GB/T34913-2017

[3]《民用建筑绿色性能计算标准》JGJ/T449-2018