污水的侵没式换热在地源热泵空调系统工程中的应用

                            2008年7月21日

    内容摘要   介绍了一种新式的地源热泵形式，把PE管做成一个密闭管网直接泡浸在污水渠内，室内空调采用分散式地源热泵型空调，夏季通过热泵空调把热量排放到污水中，冬季通过热泵空调在污水吸收热量，从而达到夏季制冷冬季供热的目的。

关键词     分散式地源热泵型空调  节能  污水  浸没换热  制冷  供热

引言
    我国既有建筑近400亿平方米，其中95%以上是高耗能建筑，同时，我国每年新建房屋面积约20亿平方米，其中80%以上为高耗能建筑。全国建筑耗能占全社会终端能耗的比例达27.8%，因此降低暖通空调耗能成为建筑节能的重点。而地源热泵空调无疑是目前空调系统中非常节能的一类，几年来得到了迅速发展，全国各地工程实力数不胜数，冷（热）源形势和系统形式也是根据各种条件的不同而多种多样，其中利用污水作为地源热泵的冷（热）源是一种比较新型的形式，目前利用的尚且不多，而此种系统对节能环保有着积极的意义，市场前景非常好。

1、 工程概况
    山东华元房地产发展有限公司办公楼位于山东省诸城市区，共有二栋楼，综合楼共十层，科技楼共四层，除综合楼地下一层至地面二层为餐厅休闲厅外，其余以办公为主，总建筑面积23450㎡，总空调面积10559㎡，设计总冷负荷为1154kw，设计总热负荷为527kw，采用分散式地源热泵型空调。距该建筑西面60m处有一城市生活污水总干渠，本工程就是利用了城市污水作为热泵空调的冷（热）源，为建筑制冷（供热），本工程于2007年9月通过山东省专家组鉴定成为了省科技节能示范项目。

2、 确定换热形式的简述
    利用污水作为空调系统换热的系统形式在国内也在逐渐增多，其主要的形式是集中换热的系统形式，即把污水作简要处理后通过集中式换热器（壳管换热器）给空调系统换热。由于本工程建筑物与污水渠之间有一条20m宽的公路（如：图1），所以对引进污水和修建污水沉井（集中式污水换热形式在设备引进污水时需要修建12m3和16m3二个污水池）的施工均带来了相当大的困难，同时工程造价也让甲方难以忍受。因此，经过对污水温度、污水特性、污水渠换热条件各方研究论证，同时借鉴了地埋管及地表水热泵换热形式的技术经验，确定了本项目利用聚乙烯管（PE管）直接浸泡在污水渠中为空调系统换热，在本项目中，此换热形式比集中式换热形式的造价低40%，本项目也成为了国内首例利用污水浸没换热形式的地源热泵空调系统大型项目。

3、 污水浸没换热形式的设计计算及施工
    污水的温度、水量、腐蚀性以及污水渠的空间条件等都是影响换热效果的因素，本项目空调能否达到使用效果关键在于污水浸没换热形式是否可以满足热泵空调运行时换热量的需要，它也相当于空调系统的一个换热器，此换热器的设计施工就是本项目的重中之重，本文也主要对此部分的设计计算、施工作详细介绍，供业内认识参考及探讨。

3.1计算条件
    污水主要以城市生活污水为主，其污水总干渠距工程所在地的最近距离为60m，宽3.8m，高2m，长度远远满足空调系统设计要求，在产生活污水的低峰期污水流速0.1m/s，深度0.2m，其流量为270 m3/h，夏季污水温度通常在18℃，最高24℃，冬季通常在14℃，最低11℃，地源热泵空调夏季工况25~30℃，冬季工况10℃~7℃。设计总冷负荷为1154kw，由于夏季系统换热量大于冬季换热量，所以计算以夏季工况计算。

 3.2确定泡管的总长度
    空调系统的夏季制冷量为1154kw，所以其排热量为：kw
其中—夏季向土壤排放的热量（kw）
—夏季设计总冷负荷（kw）
—设计工况下水源热泵机组的制冷系数5。
    确定泡管的总长度，最关键的数据就是泡管每米的换热量，而这个数据与污水温度、水量、管网的设计等等都存在动态变化，所以难以得到一个准确的数值。所以，只能根据相关经验结合简单实验得到，PE管浸泡在污水中的换热能力在27~35w/m之间，所以本系统所需的PE管总长度为：1384.8w×1000÷35w/m＝39565m至1384.8kw×1000÷27w/m＝51289m，本工程泡管首次施工总长度确定为40000m，但预留12000m的管道接口。
 
  3.3污水渠内对污水的恶处理措施
    如果只是利用污水自然深度0.2m来浸泡PE换热管网，其占地面积太大，是不可行的，所以需要堵截污水，经与市政污水管理部门协商污水堵截高度为0.8m为宜，堵截墙中间设计一扇门，此门其一可以解决污水量过大时泄洪，其二可以根据PE管上吸附污垢量的增大通过定时打开排泄门来冲刷污垢。在污水堵截墙前端设一警戒水位，当污水出现极限高峰或暴雨时，为不影响此时的排污，在警戒水位处安装水位探头，其控制报警器，当水位达到警戒水位就自动报警，人为打开排污门泄洪。这样在极限情况下也不会影响市政设施的正常作用。
    另外，污水中含有大量污物，如果任由污水直接通过PE管网，不久就会造成堵塞，这样既不利于PE管网换热，也不利于污水排放，所以需采取拦污措施。在距最前端PE管网2m处设置一个拦污栅，拦污栅与污水渠一侧形成40度的夹角，在夹角处砌一2m×2m的污水沉淀池，这样随着污水的不断冲刷，附在拦污栅的污物会自然漂移到污水沉淀池中。（如：图1）

  3.4污水内管网设计与布置
    污水内管网共分成四大组，单组长度为200m，每大组利用分集水器分成十三小组，每小组排5根单管，，其中每小组预留三排的接口（总长度12000m）。（如：图2）
   
3.5管网施工（如：图3）
    污水渠上方是用4m长1m宽的水泥板封盖，在分（集）水器的安装位置分别打开2块盖板即可，施工工人下渠作业需带防毒口罩，穿防水胶鞋。购买来的PE管每扎正好200m，首先把PE管排好，且PE管二头都做好了密封，然后安装事先做好的分（集）水器，分（集）水器上有单管的接口，采用热溶连接单管。

  3.6管网水压试验
    管网接口多、管道较长，而且安装在密封的污水渠内，一旦发生泄漏，不仅影响空调运行，以后维修起来相当困难，因此管网水压试验是非常重要的，必须确保万无一失。小组的干管上均安装了阀门，每小组通过阀门切换均单独进行水压试验，然后每大组进行水压试验，最后四大组进行水压试验，每个环节的试验压力均为1.5MPa，保压半小时，压降不大于0.01Mpa。

4  系统设计
     系统选用流量230 m3/h，扬程45m水泵二台（一用一备），选用一台处理水量为250 m3/h的电子水处理议。系统的膨胀定压采用开式高位膨胀水箱。
       管路最大压力应小于管材的承压能力。若不计污水引起的静压抵消，污水换热管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和，即：
   P=P0+pgh+0.5ph
   其中P—管路最大压力，Pa
       P0—建筑物所在的当地大气压，Pa
       P—地下埋管中流体密度，kg/ m3  
       g—当地重力加速度，m/s2          
       h—污水管网最低点与闭式循环系统最高点的高度差，m
       ph—水泵扬程，Pa
       p=101325+1000×9.8×50＋0.5×450000＝816325Pa＝0.82MPa
    所以管材需采用1~1.25MPa的PE80管，主管道采用PE100.考虑到能量损失系统不设置板换。

5   运行情况
    本项目在2007年11月调试运行，污水渠内污水温度在11℃以上，当地环境温度零度左右时，室内温度能达到22℃左右，经过一个冬季季节的运行，使用效果良好。从地源热泵工况可以看出（夏季污水最高温度24℃，通常在18℃，而地源热泵夏季工况为25~30℃），此系统只要满足冬季供热，就能满足夏季制冷。