民用建筑大規(guī)模地源熱泵系統(tǒng)的應用

我國建筑運行能耗占能源總消費量的比例已經(jīng)接近30%的世界平均水平。要實現(xiàn)節(jié)能減排的目標，一種方法是研究如何提髙現(xiàn)有能源利用率；另一種方法即開發(fā)利用新能源、可再生能源。中水源熱泵系統(tǒng)由于水溫、水量均相對穩(wěn)定，是熱泵系統(tǒng)非常優(yōu)良的低位、清潔冷熱源。我國中地源熱泵起步較晚，基本都是規(guī)模較小的工程，對于大規(guī)模的地源熱泵系統(tǒng)很少介紹。我們就西安市某地源熱泵項目，詳細介紹了熱泵系統(tǒng)的設計和應用概況，希望對相似地源熱泵系統(tǒng)的工程起到參考作用。

1、項目概況

本項目是利用西安市第一污水處理廠（原鄧家村污水處理廠）的中水，采用地源熱泵技術提取中水中的余熱供熱。污水廠二期擴建后處理能力為22萬噸/天。地源熱泵集中供暖的建筑面積約200萬平方米。

2、系統(tǒng)概況

地源熱泵，整個系統(tǒng)由以下部分構成：

民用建筑大規(guī)模中水源熱泵系統(tǒng)的應用

1、引水管網(wǎng)工程：沿市政道路采用重力流將污水處理廠的中水引至提升泵站的蓄水池；

2、提升泵站工程：在提升泵站用地上蓄水池和提升水泵將中水泵出；

3、配水管網(wǎng)工程：沿市政道路采用壓力流將泵送的中水分配到各個用熱地塊的供熱熱泵機房內(nèi)；

4、退水管網(wǎng)工程：各個地塊提取完熱量的中水利用雨水管網(wǎng)匯集排放至皂河；

5、供熱熱泵機房：在各個熱用戶地塊內(nèi)設置地下機房，內(nèi)設熱泵主機、循環(huán)水泵、換熱器、水處理裝置等設備，提取并提升中水中的低位熱量并輸送到用戶末端供熱。

整個200萬平方米供熱面積的區(qū)域內(nèi)，計劃建設7~10座供熱熱泵機房，具體需根據(jù)區(qū)域內(nèi)開發(fā)項目的數(shù)量和規(guī)模而定。

本系統(tǒng)擬采用污水處理廠處理后的一級中水為熱源，但是鑒于污水處理廠不可避免存在事故溢流，所以采用間接式系統(tǒng)。間接式系統(tǒng)必然存在一定的傳熱溫差，但其有效的隔絕了污水進入熱泵，保證了熱泵機組蒸發(fā)器的換熱安全。

民用建筑大規(guī)模地源熱泵系統(tǒng)的應用

3、關鍵節(jié)點介紹

3.1取、退水方案

中水取退水方案為：取水口一引流水井一格柵除污機一蓄水穩(wěn)流池一水源側(cè)提升泵一配水管路一減壓閥一污水換熱器一出流水井一退水口。

3.2蓄水穩(wěn)流池

在水源側(cè)直流泵之前需要設置一個蓄水穩(wěn)流池，起到調(diào)節(jié)污水流量的作用。根據(jù)鄧家村污水廠某日的小時出水流量表可以得到該污水處理廠一天24小時的二級出水小時流量。定義小時流量表達式為Xi，i表示小時；通過計算得到二級出水流量平均值Xave，則蓄水穩(wěn)流池的容量V為：

V1=∑i=124(Xi-Xave)，

約束條件為：Xi>Xave;

V2=∑i=124(Xave-Xi)，

約束條件為：Xi<Xave;

V=max(V1、V2)

通過上式的計算，該蓄水穩(wěn)流池的容積約為3500m3。

3.3污水提升泵

關于提升泵站水泵的選型，要求配置大泵與小泵結(jié)合使用：大泵并聯(lián)按照滿足最不利流量及相應阻力配置，小泵并聯(lián)按照滿足大泵一半流量及相應阻力配置。

(1)所服務各區(qū)域建筑接入管網(wǎng)時間不定，項目運行前幾年，由于建筑面積、入住率等問題，不需要很大的流量，僅配置大泵，運行費用髙。

(2)負荷都有很大的變化，流量隨之也發(fā)生變化，并非總是處于最大流量的狀態(tài)，所以需要配置大小泵，有利于后期運行調(diào)節(jié)使用，節(jié)省運行費用。

3.4污水換熱技術

格柵、水泵間與蓄水穩(wěn)流池合并設置。設置回轉(zhuǎn)式格柵除污機2臺。

熱泵機房內(nèi)設置污水換熱器，污水換熱器污水側(cè)為寬流道設計，污水在換熱器內(nèi)產(chǎn)生紊流和擾動，在一定壓力下，以一定的流速順利通過，解決了堵塞問題，易清洗維護，傳熱效率較髙。逆流換熱，設計時按照污水側(cè)換熱系數(shù)1200W/m2℃計算。另外，針對本項目水質(zhì)以及系統(tǒng)規(guī)模特點，污水換熱器也相應做了個性化設計，主要包括：污水側(cè)流道尺寸以及污水和中介水側(cè)承壓能力（污水側(cè)承壓0.3MPa，中介水側(cè)承壓0.4MPa)。

4、熱泵機房站點舉例

以一個供暖面積約為10萬平方米換熱站為例，熱泵機房內(nèi)具體設備配置如下表所示:

民用建筑大規(guī)模中水源熱泵系統(tǒng)的應用

5、社會效益

根據(jù)典型年冬季室外氣象參數(shù)滿負荷運行修正系數(shù)取0.44。地源熱泵系統(tǒng)電力（萬kWh)的等價折標系數(shù)取3.27。傳統(tǒng)鍋爐房采暖系統(tǒng)：標煤的平均低位發(fā)熱值為29307kJ/kg,供熱系統(tǒng)的熱能利用效率取85%。因此，中水源熱泵系統(tǒng)相比較于傳統(tǒng)鍋爐房采暖系統(tǒng)，可以節(jié)約標煤量為8300tce/年，減少CO2約20700tce/年，SO2約120余噸，NOx120余噸，煙塵約80噸。

6、結(jié)論

該地源熱泵系統(tǒng)于2016年11月投入使用，截至目前已完成了兩個完整的供暖空調(diào)周期運行，運行良好，初步顯現(xiàn)了良好的經(jīng)濟和社會效益，在西安市乃至全國都具有重要的示范效益。大規(guī)模中水源熱泵與小型系統(tǒng)的主要區(qū)別在于，需要特別關注設計、實施及運行中管路流量分配、輸配能耗等方面問題。大規(guī)模中水源熱泵系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃，經(jīng)濟性將更加突出，也必將在更多的區(qū)域供暖供冷中得到更為廣泛的應用。