污水热泵技术在密云污水处理厂的应用
【摘要】密云县檀州污水处理厂污水热泵工程引进北欧先进技术和设备，采用未经任何处理的城市污水作为源水的水源热泵技术，将污水中具有的低位能源通过换热器及热泵机组转换成高位能源进行供暖、制冷、供应生活热水。
关键词：污水 换热器 热泵 经济性
一、项目概况
密云县檀州污水处理厂坐落于美丽的潮白河畔，是密云县城唯一的污水集中处理点，每日承担着密云县城近24000m3的污水的处理。污水水质稳定，常年温度在13oC-15oC.厂内有约10000m2建筑（写字楼，厂房，车库等），利用未经处理的城市污水为热源供本厂的供暖及部分制冷（只有办公楼需要制冷），并且还可供生活热水使用。它在制热时以污水为热源，而在制冷时以污水为热汇。由于污水处理厂污水供应充足，提取和排放热量能够满足供暖制冷的需要。
该项工程是密云县檀州污水处理厂原燃煤锅炉房的改造工程。由于原燃煤锅炉每年造成一定的大气污染，为适应北京市环境保护的需求，决定对这套供热系统进行改造，不再使用燃煤，因此采用了既能供热，又能制冷的污水源热泵系统。污水处理厂改造分为两部分，一部分是办公楼的改造，另一部分是设备厂房的改造，办公楼内安装的是能够制冷制热的风机盘管，设备厂房内安装的是散热性能较好的钢串式暖气片。
二、系统原理及设计
冬季，污水温度约12－15℃经过换热器换热后排出温度约为7－10℃，系统提取污水中的热量作为水源热泵机组的低温热源，进入热泵机组蒸发器，热泵冷凝器出水作为供暖系统循环水，供回水温度为50－45℃。夏季，污水温度约为14-18℃经过换热器换热后的排出温度为19-23℃，污水带走系统中的热量作为水源热泵机组制冷时的冷却水，热泵蒸发器出水作为供冷系统循环水，供回水温度为7-12℃。该热泵具有热回收功能，在冬夏季工况运行的同时确保了生活热水的供应。用户侧供水通过分集水器分别供到每个单体楼。系统冬、夏季工况的转换通过切换站房系统中的阀门来实现。
三、项目重点及难点
1.污水换热器
利用未经处理的污水作为水源进行采暖制冷，是水源热泵的一种方式，由于污水中悬浮物、污垢沉淀物较多，而且污水的酸碱度较大，极易对换热器产生腐蚀，结垢、堵塞等现象，从而严重地影响传热效率。通过实验测试，城市原生污水动力粘度（15℃）较清水动力粘度（15℃，1.14×10－6m2/s）；大40倍左右，即4.56×10－5m2/s。如此高的粘度、腐蚀性和悬浮物对换热器的材质、表面粗糙度和内部结构设计都提出了很高的要求。根据对国内换热器行业的考察，目前国内还很少有能够满足如此恶劣工作条件且价格适宜的换热器，因此，最终作为项目参与方的北欧相关专家组根据实地污水采样检测，经过长时间的研究，确定了该污水换热器的材料，采用各种新型材料及表面处理技术，解决了防腐、堵塞和结垢等问题。该换热器部件采购于芬兰、瑞典、丹麦等国家，最终由马来西亚组装成型。项目运行三年以来，换热器未出现任何腐蚀、堵塞和结垢的现象，基本能够满足污水热泵系统正常运行的需要，证明这种换热器比较适合中国国内的污水水质现状。
2.格栅
污水在进入沉淀池前先经过一道粗格栅，以拦截污水中较大颗粒的漂浮物和悬浮物，拦截的栅渣由人工清除。污水从沉淀池出来后再经过一道细格栅，以拦截污水中小颗粒的漂浮物和悬浮物，拦截的栅渣每隔大约半个小时自动传输到垃圾池。经过两道格栅的过滤，污水中的大小颗粒漂浮物和悬浮物已经基本拦截，而后再进入污水换热器，这样可以避免换热器的堵塞。
四、实测数据分析
该水源热泵系统从2003年1月10日投入正常运行后，经历了北京近年来最寒冷的冬天，充分考验了污水源热泵机组的性能。机组冻夏季运转状况良好。
为了更准确的分析污水源热泵的经济性，我们安排专职人员在设备运转现场连续记录了两个多月，每隔两个小时记录一次数据，包括电表数、温度、压力等。
五、项目优点
1.环保
污水源热泵是利用了污水原水作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。供热时省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉房系统，没有燃烧过程，减少温室气体CO2和其它大气污染物的排放；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音及霉菌污染。不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，使环境更优美。
2.节能
污水热泵机组可利用的污水温度冬季为11-15℃，污水温度比环境空气温度高，是较好的低温热源；夏季污水温度为17-21℃，污水温度比环境空气温度低，是较好的散热体。这种温度特性使得污水热泵比传统空调系统运行效率要高20%。
3.节资
该系统还可以集采暖、空调制冷和提供生活热水于一身。—套热泵系统可以替换原有的供热锅炉、制冷空调和生活热水加热的三套装置或系统，从而也增加了经济性。
4.稳定
污水的温度相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。是很好的热泵热源和空调冷源，污水温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。
5.自控程度高
根据系统特点，我们选用四台压缩机的机组，系统根据负荷的波动，自动选择压缩机的启停，提高系统运行效率；自动控制程度高，运行过程无需专人职守；管理相对容易，机组维护费用低；使用寿命高达15年以上。
六、结语
1.污水－水源热泵恒温系统具有节水，节能，环保的特点，是利用城市污水进行供暖，制冷的空调新形势，符合世界各国城市污水再利用和城市水源问题的大趋势。在密云县采用这一技术，为促进密云无烟县及绿色生态环保县，具有重要意义。
2.利用未经处理的城市污水作为源水的水源热泵系统在密云县檀州污水处理厂的应用成功，标志着在我国污水源热泵应用技术的又一次长足发展。
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