某大型间接式污水源热泵工程案例
张承虎、孙德兴、刘京
摘要：本文从工程及水源条件、关键参数与设备设计、系统方案等三个方面介绍了我国某个大型间接式污水源热泵工程案例的主要特点，该工程采用远距离输送中介水，并在用户侧建设分散的热泵站。
关键词：污水源热泵、间接式、半集中、案例
本文介绍的某大型污水热泵工程地处我国北方，其工程特点为：（1）冬季有采暖要求、夏季有空调要求，两种负荷相差不大；（2）工程规模较大，而且污水源距离用户较远，用户分布较为分散；（3）建筑类型为高层住宅；（4）污水源充分，水温合适。采用重力引水、退水，并加设粗效过滤格栅；（5）采用燃气锅炉调峰并分担风险。
1、设计条件与要求
1.1负荷要求
整体项目：50万m2，平均单位面积热负荷指标45W/m2，总热负荷22.5MW，制冷负荷为19.2MW，均为新建建筑，满足国家、自治区建筑节能65%的标准。建筑层高76米（26层），13层以下为低区，14层以上为高区。
1.2 水源条件
1.2.1 尺寸条件
依据当地水务集团排水公司相关资料和测量数据，所选水源污水管线为城市主干地下排水箱涵管道，埋深4m，监测点检查井井深5.2m，全长9.8km，其截面为1.8m×1.8m。监测最小水深0.13m（2009-12-19 4:00），最大水深0.25m（2010-1-28 22:00），平均水深0.2m，平均流速3.5m/s。在设计换热站的选址下游约150m处，另有一条DN1200的圆形主干污水管道。
1.2.2 流量条件
（1）1.8m×1.8m箱涵污水主管线：平均每小时水量分别为4442-4837m3/h。污水水量日变化过程明显，变幅较大，最大流量高达1.744～1.760 m3/s，折合小时水量为6278.4～6336.0 m3/h，出现时间均为北京时间20：00左右。最低谷时段流量仅为0.836～0.877 m3/s，折合小时水量为3009.6～3157.2 m3/h，出现时间为北京时间6：00左右。最大流量为最小流量的2倍左右。冬季最小流量为0.782m3/s，折算小时水量为2815m3/h，每日水量为6.756×104m3/d。
（2）DN1200圆形污水主管线：水文局对DN1200管道最小流量的检测（凌晨6：00点）污水流量为0.56m3/s ，转换小时流量为0.56×3600=2016（m3/h）。
（3）合流之后可供取水量：合流之后的最小取水量为：2016+2815=4831（m3/h）。满足全部50万m2工程要求。
1.2.3 水温条件
污水平均水温在14.2℃左右，最高水温为14.8℃，最低水温为13.5℃，水温变化平稳。通过实测水温资料分析最低水温为13.2℃。冬季水温变化范围在14.8-13.2℃之间，夏季水温变化范围在17.9-14.6℃之间。
1.2.4 水质条件
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从以上表分析，悬浮物超过三级标准，生化需氧量达到三级标准，其它达到一级标准。
1.3 地理条件
项目取水地点位于1.8m×1.8m箱涵污水主管线与DN1200圆形污水主管线汇合处下游20m范围内。中介水管网单向总长约2公里，埋深管壁上部≥1.4米。换热站选址距离取水点距离约170m。地势平坦，无需穿越大型干道。热用户距离换热站大于1800m至2200m。采用远距离输送中介水方案，在用户侧建立分散的热泵站。
2．参数设计及设备选型
2.1 温度设计
2.2 流量设计
冬季污水总流量：
m3/h夏季污水总流量：
m3/h可见冬夏污水量相当。
设计污水总流量：
m3/h设计中介水总流量：
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m3/h整体工程：一级污水泵10台，单台流量450m3/h，总流量4500m3/h，满足冬夏要求。防阻机10台，单台处理流量450m3/h，满足冬夏要求。末端水夏季流量：
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m3/h冬季流量：.jpg)
m3/h低区循环泵3台，2用1备，单台流量680m3/h，总流量1360m3/h。高区循环泵3台，2用1倍，单台流量380m3/h，总流量760m3/h。2.3 污水水力计算
重力引水：距离300m，坡度5‰，钢筋混凝土管，粗糙系数0.014，管径1.2m，进出口落差2.0m（富裕量0.5mH2O）。
重力退水：距离400m，坡度5‰，钢筋混凝土管，粗糙系数0.014，管径1.2m，进出口落差2.5m（富裕量0.5mH2O）。
一级污水泵扬程：10 mH2O
二级污水泵扬程：15 mH2O
总回水管直径：
m，选用DN800（外直径820×8），流速2.5m/s，比摩阻71Pa/m。2.4 中介水水力计算
中介水流量：4500m3/h，干线管直径：
m，选用DN900（外直径920×8），流速2.0m/s，比摩阻38Pa/m。保温。中介水阻力：
mH2O积分水器尺寸：
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，保温。中介水水容量：
m32.5 污水换热器的换热面积
整体工程，冬季采暖需换热面积：
m2夏季空调需换热面积：
m2换热器10组，每组换热面积800m2，满足冬夏要求。
2.6 换热机房面积
换热机房布置示意如图1所示：
图1 换热机房方案图
换热站建设在地下二层，放置一、二级污水泵，防阻机，换热器，中介水泵等；地上一层为配电室，值班室、厕所等。总建筑面积为1295 m2。梁下净高不小于4m。
2.7 热泵主机选型
中介水进热泵阻机温度9℃，末端水进热泵阻机40℃，该种供热工况下的COP约为名义工况下的82%。（夏季空调可正常考虑）
工程的制热量为22.5MW，制冷量为19.2MW，则所选机组的名义总制热量须为27.5MW，总制冷量为23.4MW。
2.8 燃气锅炉选型
后期工程在水量或水温不足时，采用燃气锅炉调峰。燃气锅炉承担建筑50%的热负荷，热水锅炉，台数：一台。进出口水温95-70℃。锅炉采用板式换热器加热热泵主机出水。
板式换热器工况：95-70℃；40-45℃。平均传热温差
℃。2.9 电力容量
在选择变压器电力容量时，应考虑开启系数，变压器台数应选择2台或2台以上；变压器总容量应在上述数据的基础上考虑综合功率因数和变压器效率而予以确定。
3．系统方案说明
3.1 整体方案
（1）采用间接式污水源热泵系统：污水先与中介水（清水）进行换热，中介水再将热量交给热泵主机。热泵主机采用传统机组即可，技术成熟，可靠性高。
（2）远距离输送中介水：比输送污水安全、节能；比输送末端水热损耗小，灵活。
（3）各期工程各小区，分别建设热泵站：便于管理，施工灵活。
（4）采用并联燃气锅炉调峰：解决水量、水温出现不满足的问题。
（5）热泵站热泵机组不少于2台：便于调节，运行安全。
（6）所有大型水泵均采用变频型号。
（7）换热站建设在地下二层，放置一、二级污水泵，防阻机，换热器，中介水泵等；地上一层为配电室，值班室、厕所等。
（8）污水采用二级过滤，一级过滤为机械隔栅，二级采用哈尔滨工业大学的专利：滤面连续再生与污水还原技术。
（9）采暖系统末端采用地板辐射（地热盘管）采暖形式，对办公楼、商场等选用风机盘管作为末端设备。
3.2 污水取排方案与要求
（1）污水致缓冲池和由退水池返回污水管渠均采用重力流形式。
（2）引水口在污水渠底部开凿，圆角弯头拐至水平。管渠内引水口下游1m内筑建一300mm高的挡水堰。
（3）退水管自管渠侧壁开凿接入。
（4）退水口位于引水口之下游，距离不小于10m。
（5）尽量保证管道直通和坡度一致，拐弯处和坡度改变的地方均设置检查井，2个检查井的间距不大于100m。
（6）坡度5‰。
（7）检查井采用标准图集中的检查井方案和施工图纸。
3.3 缓冲池方案与要求
（1）缓冲池建设在换热站旁，缓冲池与换热站仅一墙之隔。
（2）污水引水管进入缓冲池处，设置大型闸板阀：用于缓冲池检修、清理时截断污水。
（3）缓冲池按水深分为两个区：粗效过滤区和取水区。两区之间由旋转式机械隔栅分隔开来。
（4）引水口偏离隔栅，避免水流直接冲击隔栅。
（5）粗效过滤区和取水区均设置污泥槽，缓冲池底坡度10%，坡向污泥槽，污泥槽靠近隔栅和背离一级污水泵取水口。污泥泵设置于污泥槽内。两个污泥槽中均设置污泥泵，定期开启排出池底污物，避免池内污物越积越多。
（6）缓冲池直通地面，设置检修竖井，设置排风系统。机械隔栅和螺旋输送带的电机置于高处，避免下大雨等特殊情况污水泛滥淹没电机。采用皮带传动。取水区上部设置检修平台，便于检修机械隔栅及其电机、螺旋输送带及其电机。
（7）退水池位于缓冲池旁，底部高于缓冲池底至少6.5m。
（8）机房总退水管直接插入退水池，重力退水管位于退水池池壁底部。
（9）螺旋输送带连接缓冲池与退水池，并将机械隔栅过滤的污物送还给污水回水，实现污水还原。
3.4 机房管线方案与要求
（1）换热站设备按照一泵一机的单线串联制进行布置连接。除末端水系统外，1台一级污水泵+1台防阻机+1台二级污水泵+1台换热器构成一条线路。每条线路的相对独立有利于控制、调节与检修。共布置10条线。
（2）两线之间加常闭连通管，以增加系统运行灵活性和安全性。
（3）污水管路阀门采用衬胶闸板阀。污水泵不设置止回阀（逆止阀）
（4）一级污水泵选用立式管道污水泵。
（5）缓冲池的最低静止水面（或取水口高程）须高于换热器接管管顶100mm以上。总退水管管底须高于换热器接管管顶。
图2 单线串联制与常闭连通管
3.5 燃气锅炉调峰方案与要求
（1）调峰锅炉采用普通热水锅炉。
（2）锅炉通过板式换热器加热末端水。
（3）锅炉与所有热泵机组并联。并联连通管阀门常闭。
（4）锅炉及其附属设备承压能力按照高区承压能力选型。
（5）需要调峰或热泵故障时，部分热泵机组关闭，而其负责的建筑由锅炉独立供热。
3.6 控制调节整体方案与要求
（1）一级污水泵、防阻机进出口（4个）、换热器进出口（4个）、热泵主机进出口（4个）、缓冲池、退水池中介水供回总管、末端供回总管均设置温度和流速测点。
（2）缓冲池和退水池设置水位测点。
（3）监测各用电设备的实时功率。
（4）所有电机采用变频型。
（5）水泵采用变频调节+台数（换热线）控制方案。
（6）热泵主机采用台数+机头调节。
（7）调节依据为中介水和末端水的回水温度。
4．小结
针对一个50万m2的大型污水源热泵工程，介绍了在其污水源条件下，系统的工况设计、流量设计、引退水设计、机房设计、换热器及热泵机组选型、电力增容、机房管线、缓冲池设计等方面的确定方法、措施及要求，供同行参考。
（责编：zy）
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