山西省污水源热泵应用状况及案例分析
太原市建筑设计研究院 申达孝
在我国，暖通空调能耗巨大，随着人民生活水平的提高，建筑能耗将持续增加，因此，利用可再生清洁能源的空调供暖方式，对实现能源和环境的协调发展具有重大意义。
一、山西实施污水源热泵空调的背景
2008年山西省设市城市和县城供热面积发展到26278万平方米，集中供热普及率为54.8％，其中住宅20356.1万平方米，占77.5％。集中供热总热量达到40020万GJ，根据有关方面估算，2008年山西省建筑总能耗达2981万吨标煤，占全省能源消耗总量的24.2％。按城乡总建筑面积（12424893万平方米）计算，单位建筑面积能耗为23.88kg/㎡标准煤。这个数字对山西这个能源大省来说也是一个沉重的包袱，如何给能耗“减负”，成了摆在山西人民面前的一个重要课题。
山西是一个水资源极为贫乏的内陆省份，虽然处在黄河的怀抱之中，但很少能直接从黄河水中受益，多年来山西从黄河中提水每年平均1.2亿立方米，最多不过2亿立方米。山西全省水资源总量为123079亿立方米，人均水资源量为263立方米，仅为全国人均水资源量（2186立方米）的16.7％。近十多年来由于人为过度超量开采地下水以及采煤等多种因素山西境内的多处盆地已形成漏斗状,有上百条河流干涸断流。基于山西的特殊缺水背景，充分发挥有限的水资源，特别是把城市污水作为可再生能源来开发有着十分重大的节能意义。山西是在全国率先应用推广污水源热泵的省份之一。
二、山西污水源热泵的示范工程
2006年1月1日《中华人民共和国可再生能源法》正式实施，2006年4月26日山西省第一例污水源热泵工程在太原市实施示范工程。本示范工程的概况如下：山西省国瑞大厦为水源热泵工程示范项目，包括二十九层高层住宅，产权交易市场及附属办公用房、商务综合楼，是目前全国单体面积实施污水源热泵工程最大的项目之一。建筑物位于太原市平阳路与八一街交叉路口东北角，路边有一条通往污水处理厂的污水管道，污水的流量充沛、稳定，取水点离建筑物30米，取水条件优越。
项目第一期工程是二十二层的国瑞大厦（山西省产权交易市场及附属办公用房），位于项目地块东南侧，框架结构，总建筑面积31338平方米，建筑高度87.4米，地上二十二层，地下室二层为公共建筑，建筑物的空调热负荷为1860.2kw，空调冷负荷为2325.2kw。
二期工程为高层住宅楼，总建筑面积66945平方米，地上二十九层，地下二层，建筑为商住楼，住宅面积58754平方米，首层商场2607平方米，建筑热负荷为2976.4kw，建筑冷负荷为3733.8kw。两期工程都采用污水源热泵采暖空调系统，采用3台热泵机组，单台热泵机组的制冷量为1560kw，制热量为1560kw。
采用污水源热泵工程的最大难点，是实现污水源连续稳定的流动,水中的杂物不堵塞系统的设备和管路,同时实现完整的热交换过程。本示范工程通过防阻机完成了这一难题，污水机房设在地下室二层，标高为-8.7米，建筑物室内外高差1.2米，城市污水主干管为2×2米的方涵，取水点埋在马路下-7.7米处，处于满流有压状态，本方涵高峰时流量7300m3/h，平均流量5000 m3/h，低峰时4000m3/h，污水温度平均16-18度，最低13度，最高21度。考虑到扩展规划为实施23万平方米的供热面积，本设计引水能力为2300 m3/h。目前本工程实际供暖面积13万平方米，冬季污水最大流量仅910 m3/h，夏季污水最大流量为1110 m3/h。
三、山西实施污水源热泵示范工程的经济分析
1、示范项目投资项目的总预算，本示范项目为办公楼31338平方米，高层住宅楼66945平方米，不包括土地购置费，未考虑税金及不可预见费，本工程总投资预算为2.516亿人民币。
2、示范工程增量成本的概算
单位：万元
一、山西实施污水源热泵空调的背景
2008年山西省设市城市和县城供热面积发展到26278万平方米，集中供热普及率为54.8％，其中住宅20356.1万平方米，占77.5％。集中供热总热量达到40020万GJ，根据有关方面估算，2008年山西省建筑总能耗达2981万吨标煤，占全省能源消耗总量的24.2％。按城乡总建筑面积（12424893万平方米）计算，单位建筑面积能耗为23.88kg/㎡标准煤。这个数字对山西这个能源大省来说也是一个沉重的包袱，如何给能耗“减负”，成了摆在山西人民面前的一个重要课题。
山西是一个水资源极为贫乏的内陆省份，虽然处在黄河的怀抱之中，但很少能直接从黄河水中受益，多年来山西从黄河中提水每年平均1.2亿立方米，最多不过2亿立方米。山西全省水资源总量为123079亿立方米，人均水资源量为263立方米，仅为全国人均水资源量（2186立方米）的16.7％。近十多年来由于人为过度超量开采地下水以及采煤等多种因素山西境内的多处盆地已形成漏斗状,有上百条河流干涸断流。基于山西的特殊缺水背景，充分发挥有限的水资源，特别是把城市污水作为可再生能源来开发有着十分重大的节能意义。山西是在全国率先应用推广污水源热泵的省份之一。
二、山西污水源热泵的示范工程
2006年1月1日《中华人民共和国可再生能源法》正式实施，2006年4月26日山西省第一例污水源热泵工程在太原市实施示范工程。本示范工程的概况如下：山西省国瑞大厦为水源热泵工程示范项目，包括二十九层高层住宅，产权交易市场及附属办公用房、商务综合楼，是目前全国单体面积实施污水源热泵工程最大的项目之一。建筑物位于太原市平阳路与八一街交叉路口东北角，路边有一条通往污水处理厂的污水管道，污水的流量充沛、稳定，取水点离建筑物30米，取水条件优越。
项目第一期工程是二十二层的国瑞大厦（山西省产权交易市场及附属办公用房），位于项目地块东南侧，框架结构，总建筑面积31338平方米，建筑高度87.4米，地上二十二层，地下室二层为公共建筑，建筑物的空调热负荷为1860.2kw，空调冷负荷为2325.2kw。
二期工程为高层住宅楼，总建筑面积66945平方米，地上二十九层，地下二层，建筑为商住楼，住宅面积58754平方米，首层商场2607平方米，建筑热负荷为2976.4kw，建筑冷负荷为3733.8kw。两期工程都采用污水源热泵采暖空调系统，采用3台热泵机组，单台热泵机组的制冷量为1560kw，制热量为1560kw。
采用污水源热泵工程的最大难点，是实现污水源连续稳定的流动,水中的杂物不堵塞系统的设备和管路,同时实现完整的热交换过程。本示范工程通过防阻机完成了这一难题，污水机房设在地下室二层，标高为-8.7米，建筑物室内外高差1.2米，城市污水主干管为2×2米的方涵，取水点埋在马路下-7.7米处，处于满流有压状态，本方涵高峰时流量7300m3/h，平均流量5000 m3/h，低峰时4000m3/h，污水温度平均16-18度，最低13度，最高21度。考虑到扩展规划为实施23万平方米的供热面积，本设计引水能力为2300 m3/h。目前本工程实际供暖面积13万平方米，冬季污水最大流量仅910 m3/h，夏季污水最大流量为1110 m3/h。
三、山西实施污水源热泵示范工程的经济分析
1、示范项目投资项目的总预算，本示范项目为办公楼31338平方米，高层住宅楼66945平方米，不包括土地购置费，未考虑税金及不可预见费，本工程总投资预算为2.516亿人民币。
2、示范工程增量成本的概算
单位：万元
3、采用集中供热平米造价的预算
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结论:国瑞大厦原生态污水热泵示范工程单位面积的增量成本为119-64＝55元/㎡，总计增量费用172.36万元。高层住宅原生态污水源热泵示范工程的单位面积增量成本为118-64＝54元/㎡，总计增量费用361.50万元。一、二期工程的总计增量成本533.86万元。污水源热泵示范工程的运行费用,我们曾作了3个方案进行运行费用的比较。
方案1：以污水作为冷热源的热泵工程方案,主机COP＝3～5.5
方案2：公建部分，以及高层住宅，溴化锂机组＋燃气锅炉
方案3：电制冷机组＋燃气锅炉房
三种方案的运行费用比较如下：
采用方案一：
住宅部分 16.9元/㎡，年运行费99.29万元/年
底层商铺 22.5元/㎡，年运行费5.87万元/年
采用方案二：
住宅部分 55.9元/㎡，年运行费328.43万元/年
底层商铺 77元/㎡， 年运行费70.07万元/年
采用方案三：
住宅部分 35.4元/㎡，年运行费207.99万元/年
底层商铺 49.1元/㎡，年运行费12.8万元/年
如果加上办公楼进行比较
方案一的年运行费用为175.67万元
方案二的年运行费用为589.81万元
方案三的年运行费用为374.66万元
可见方案一运行费用最为经济，方案二的运行费用为方案一的3.36倍，方案三的运行费用为方案一的2.1倍。
从以上分析结论为：污水源热泵的运行费用最低，最经济。那么，从目前运行费用的情况究竟如何呢？目前运行费用为冬季采暖3.5元/㎡/月，基本上与预算接近。
5、山西污水源热泵示范工程的环境效益
采用污水源热泵工程的节煤量，按深圳建筑科学研究院的计算一年可节约标煤287T/a。其产生的环境效益是巨大的，一年可减排CO2、SO2、NOx等717.5吨，烟尘8.68吨，煤渣数百吨。
6、山西污水源热泵示范工程的权威评估：
山西国瑞大厦污水源热泵示范工程是目前山西唯一得到国家级验收合格的可再生能源示范工程，并且取得了国家有关资金补贴800余万元。国家对该项目工程验收结论为：该项目由于周边无集中供热管线，因此以充分利用可再生能源、尽量减少常规燃烧矿物燃料产生的废物对环境的污染为原则，采用城市原生态污水源热泵，冷、热、生活热水三联供技术。。该项目一、二期于2008年6月全部竣工验收，投入运行，通过两年的运行，系统运行稳定，技术实用、经济、可靠。 该项目作为国家财政部、建设部第三批可再生能源建筑应用示范项目，为节能减排技术在山西乃至北方地区广泛应用起到了较好的示范作用。
四、山西省实施污水源热泵工程的总量及污水处理方法
山西是继哈尔滨、北京后在全国最早应用和推广污水源热泵工程的省份，据不完全统计，山西省已实施污水源热泵工程项目80万平方米，这其中有原生态污水，也有处理过的二级污水。污水的处理有以下五种方式：
1、污水通过一级污水泵经污水防阻机，经二级污水泵进壳管式换热器，典型工程为山西国瑞大厦示范工程，主要优点是类似的工程实例多，有较完善的运行管理经验，缺点是设备体积庞大，维护清理工作量大。
2、污水通过一级污水泵进污水防阻机，经二级污水泵进板式换热器，典型的工程为太原市老年公寓，优点是换热器体积小，换热器的传热效率高，缺点是尽管加大了板式换热器的流道宽度，但还是容易造成堵塞，有一定的风险，不易大力推广。
3、污水通过一次污水泵进宽流道专用换热器完成换热，典型工程为山西临汾污水处理厂热泵工程，优点是最不易堵塞，且好维护，缺点是设备重量太大。
4、污水经过水泵直接进板式换热器，前部仅加快速排污过滤网，典型的工程为太原市杨家堡污水处理厂污水源热泵工程，优点是传热效率高，只适合在污水处理厂经过处理达排放标准的污水上使用。
5、污水经污水泵进入防阻机过滤后，污水直接进入热泵机阻的蒸发器，山西已有个别工程实例，做的不是十分满意，其中个别工程失败，水中的毛发、纤维会堵塞蒸发器铜管，造成局部水流量过低而引起局部过冷状态而冻坏热泵机组，这方面已有工程事故发生。
五、山西实施污水源热泵工程中的问题
山西省太原市污水以其水量大，水质稳定，常年温度在13-25度为特点，污水作为热泵机组最为经济的冷热源已成为不争的事实。污水源热泵技术的完美呈现，真正的技术难点不在热泵机组的本身，而是实现污水的连续过滤而不堵塞。当前，污水源热泵工程推广困难的原因大致有如下几个原因：
1、认识观念上的滞后，对污水源热泵的特点还没有充分的认识。
2、没有合理开发利用污水资源的规划。
3、利用污水的连续过滤防止堵塞的设备不够科学完善，以致在使用过程中多次过滤网撕裂，造成设备短时不能正常运行，直接影响了冬季的供暖。
4、污水源热泵工程中的防阻机设备较笨重，维护管理的难度较大。
5、应强化对污水中毛发和纤维的过滤设备研究。污水中会有大量的毛发以及纺织物纤维，这部分废弃物同生物膜一样很难清除，常常是附着在换热器表面上，形成污垢，直接增加了换热器的热阻，降低换热效率。
6、污水源热泵工程中的污水换热器普遍存在着换热效率低，换热器体积过大的问题，这样就会使污水处理的机房面积增大，高度增高。
7、发展和应用可再生能源要结合当地的资源情况，山西有个别工程使用原生态污水直接进热泵机组，造成热泵机组的蒸发器堵塞，流量过小，导致蒸发器过冷结冰，造成了很大的经济损失。
六、城市污水源热泵的推广的优势
据研究，城市的低位废热40％潜在城市污水中，合理的回收这部分低位热量，利用污水作为冷热源对建筑进行采暖可以直接减少其它能源消耗。同时可以达到废物利用的目的，是资源再生利用，发展绿色生态建筑的重要措施。
城市污水源热泵的推广有如下优势：
1、城市污水PH值基本为7，没有腐蚀性。
2、每立方米城市污水中，含有5000-10000大卡的低位热量，相当燃烧1-1.5kg的标准煤。
3、用专利技术保证污水的连续过滤而不堵塞。
4、如果污水温度高可阶梯式的开发热量。
5、完全替代矿物能源，实现SO2、CO2的零排放。
6、COP>4节能效果十分明显。
7、夏季空调产生的余热排入污水中，减少了一般空调用冷却塔带来的噪声，降低水质污染以及城市热岛效应的风险。
8、随着人们生活水平的提高，城市污水的流量也愈来愈大，污水资源丰富。
9、节省劳动力，实现智能化的管理，机房无人值守。
10、国家及地方政府有推广再生能源的经济扶持政策。
11、无需建立储煤场、渣场节约了土地资源。
七、山西省污水源利用现状
据了解，继哈尔滨、北京、山西最早推广使用污水源热泵技术后，污水源热泵工程已在东北的辽宁、吉林、黑龙江得到广泛的应用。特别是2007年后，在山东、江苏、河北、江西、陕西、重庆以及广西、天津、上海等地都涌现了一大批运行效果良好的污水源热泵工程，2009年技术较为滞后的青海、西宁也正式启动了污水源热泵工作，可以说污水源热泵应用的潜力不可估量。山西省开发和利用污水源热泵已经有了相当的经验，这为以后开发污水资源奠定了坚实的基础。
据统计，2008年山西省建制镇以上城镇污水排放量约88876×104m3，平均日排放量243.5×104m3。其中，地级市51283×104m3，占57.7%；县级市8235×104m3，占9.3%；县城16737×104m3，占18.8%；建制镇12621×104m3，占14.2%。预计全省可供利用的污水量约30~40×104m3，污水变化按5℃计算，可提供热618~824×104GJ/d，可提供140~190×104m2的建筑物冬季采暖所需。按地域统计分析，晋南的临汾、运城地区污水量16452×1104m3，占18.5%；晋东南的长治、晋城地区污水13558×104m3，占15.3%；中部的太原、阳泉、晋中、吕梁等地区污水量40022×104m3，占45%；北部的忻州、朔州、大同地区污水量约18845×104m3，占21.2%。
作为一种可再生能源，污水的温度与水量同样重要。夏季时污水温度各地相差不大，一般在20~25℃之间。冬季时各地污水温度差距较大。设市城市和部分条件较好的县城污水管网较完善，污水管道封闭运行，污水温度一般在10~13℃之间。大部分县城由于污水管网不完善，明渠排水普遍存在，污水热损失较大，因而污水温度较低，一般在4~6℃之间。少数县城污水管网与河沟相连，大量河水混入污水，导致污水温度极低，可达2~3℃。建制镇目前基本没有污水管网，暂时不具备污水源热泵利用条件。
利用中水作为热源供暖，不影响污水处理厂运行，因而具有较大的发展前景，据有关统计，2008年山西省县以上城市已经建成污水处理厂66座，污水处理能力195.9×104m3/d，年处理能力44813×104m3，平均日处理水量123×104m3。其中地级市污水处理厂21座，处理能力128.6×104m3/d，年处理能力34343×104m3，平均日处理水量94×104m3；县级市污水处理厂11座，处理能力23.3×104m3/d，年处理能力5031×104m3，平均日处理水量13.8×104m3；县城污水处理厂34座，处理能力44×104m3/d，年处理能力5439×104m3，平均日处理水量14.9×104m3。中水温度一般比污水低1~3℃，其变化规律与污水相同。设市城市和少数县城中水温度较高，一般在8~10℃之间；多数县城中水温度在4~5℃之间，少数县城最低可达2℃左右。考虑到水温的影响，设市城市最有条件开展中水热泵供热的推广应用。扣除水量不稳定和水温较低的情况，预计目前可利用的中水资源约有108×104m3/d，预计可提430×104m2的建筑物冬季采暖所需。当然，污水源热泵工程也只是利用可再生能源的一部分，我们因地制宜，发挥资源的优势组合，切实把利用可再生能源，节能减排的工作，按照科学发展的规律深入细致的进行下去。
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