污水源热泵在采暖改造工程中的应用实例

摘要：城市污水是一个优良的低温余热源，全年温度波动不大，是水源热泵理想的热源。本文介绍了天津市纪庄子再生水厂利用二级污水直接进入水源热泵机组的蒸发器（壳管式换热器）作为热源，为其办公楼、厂房提供采暖热负荷的情况。其中涉及机房工艺系统设计、仪表电气自动化设计、原有供暖末端的改造设计、施工过程及出现问题的分析、试验和数据分析、系统清洗维护等。

引言

自然界中存在着大量的不能为人类直接利用的低品位能源，它们广泛分布在空气、土壤、地下水、地表水、生活污水、工业废水中。能源的紧张，让我们开始对这些低品位能源有了更多的关注。它们中有许多都是可再生能源，没有污染，而且可以源源不断的供给。城市生活污水作为人类生活必不可少的附属品，蕴含着巨大的能量，可以成为

优质的低温热源，冬暖夏凉，在采暖季和制冷季水温都能保证变化不大，受气候影响较小。同时污水的水量稳定，是水源热泵的理想热源。以下我们就一个污水利用的实例来阐述它的优良性能。

工程概况

天津市纪庄子污水厂位于天津市区的南侧，是全市最大的生活污水处理厂，由于工业污水很少，污水的水质相对稳定，这就为其在水源热泵方面的利用提供了良好的前景。作为污水厂分厂----纪庄子再生水厂的采暖热源为污水厂的热水锅炉，办公楼及厂房内的采暖末端设备是4柱813的暖气片。厂方希望用污水厂二级出水作为热源的水源热泵系统取代原来不环保的锅炉采暖形式。同时提出4点要求：1.采暖系统末端设备不做大的调整。2.由于操作人员有限，要求自动化程度要达到无人值守的状态。3.如技术上允许，尽量采用污水直接进入热泵，减少中间换热器的热量损失。4.考虑到变压器的容量，供电负荷不超过150Kw。

针对以上情况，我们从几方面入手，调研、核算，制定了一整套的技术、施工、维护方案。

一、资料的搜集、整理

1.1低温热源情况

此项目成败与否的关键因素之一是污水的低温热源能否满足设计的要求。

1.1.1污水二级出水的水质情况：

A、试验室数据

二级出水的水质：氯化物（Cl-）≤400mg/l；BOD5 ≤30mg/l；COD≤100mg/l。

B、现场采样数据

水样中悬浮物成分分析：塑料布，5mm~2cm的塑料布，韧性极强；毛发；藻类悬浮物（维状丝）

1.1.2污水二级水历年水温情况

从历年的水温数据分析，在最冷月最低温度保持在+12度以上。

1.2原有热源情况、末端设备供热能力情况

1.2.1原热源为污水厂热水锅炉，出水温度95度~70度，查阅2003年、2004年锅炉系统运行资料，锅炉房供给的热水到达中水厂的总控制阀门前的温度最高时为65度，工作压力在0.15~0.2MPa，这样的供暖条件，供热区域中位置较高的部分房间温度稍低，其他区域基本能够达到供热要求。

1.2.2原有建筑的装修格局和供暖设备已经定型，为4柱813的暖气片，各供热区域的参数及供热要求见表一：

从上述资料分析可知：

1.污水二级出水的水质中氯根的含量是影响紫铜换热管的关键因素，水质化验的数据表明能够达到直接进入热泵机组蒸发器的条件；但是水中悬浮物必须在进入热泵之前做过滤处理。

2.污水二级出水的水温情况冬季稳定，是很好的水源热泵系统的低温热源。

3.现有建筑内的采暖方式不做大的调整，热源换成水源热泵，要想达到原有的供热水平，首先供热的出水温度不能过低，应基本维持在65度的最高出水温度；同时供热压力要有一定的提高，以解决位置较高房间温度低的问题；同时有些高大厂房的供热末端设备需要有一定的调整。

二、技术方案的形成

2.1热泵设备的选择

基于以上的前提条件，我们选择了清华同方高温型水源热泵机组，最高出水温度可以达到70度,同时蒸发器和冷凝器全部为壳管式换热器。

校核原有末端设备的供热能力：见表一

系统总的供热负荷在500Kw左右，考虑到计算负荷为设计温度-9度，则取0.9的负荷系数匹配热泵机组，同时兼顾厂方的供电负荷150Kw左右。选用HGHP220型机组2台，技术参数如下：

制热量：218

Kw 功率：53Kw

制冷量：180Kw 功率：43Kw

制冷剂：R134a

能量调节范围：50%，100%

2.2污水提升泵的选择

冬季采暖需用污水二级水量为:

（218*2）kw×1000×0.86

G= ─────────── = 94t/h

（12-8℃）×1000

考虑到污水的取水位置在二级水的出水池中，水池为敞开式，同时污水直接进入机组，要求的流速越高，污水中的悬浮物在壳管中滞留的时间越短，权衡多方面利弊，最后选用上海凯泉的潜水排污泵2台，定时切换，流量100 t/h，扬程在28m，功率18.5Kw。

2.3末端循环泵的选择

（218*2）kw×1000×0.86

G= ─────────── × 1.1= 42t/h

（60-50℃）×1000

选择: 上海凯泉水泵3台, KQW65/140-3/2流量22t/h，扬程24m，功率3Kw，二用一备。

2.4过滤器的选择

二级出水中含有的悬浮物要在进入机组前除去，那么合适的过滤器选择很关键。为了控制改造成本，不选用全自动清洗过滤器，只有设计成备用过滤器和管路才能解决在不停机情况下过滤器的清洗工作。

2.5仪表自动化控制方案

本工程在立项初期的宗旨是在保证供暖实现无人值守的同时，还要采集、整理出运行数据，为今后污水合理阶梯形综合利用提供相关的数据和经验。由此希望在以下几个方面取得试验数据。

1、整个系统的能耗情况数据（主要是电能）；

2、整个系统供出的热能数据；

3、设备运行、维护的成本数据；

4、供热质量的效果分析。

系统方案：

2.5.1 针对以上目的在工艺测点的检测方面拟取如下测点：

A、耗电电能的计量；

B、采暖热水的供水温度、供水压力、回水温度、回水压力（供水流量）的检测；

C、污水侧的供水压力、供水温度、回水温度（供水流量）的检测；

D、若干典型的室内温度以及室外环境温度的监测。

E、热泵机组的运行状况、报警状态；循环水泵、污水泵的运行状况。

2.5.2.自动控制

A、供（回）水温度的控制

供（回）水温度是保证供热质量的主要参数，也是影响系统运行成本的一个主要参数。供（回）水温度的自动控制主要由系统中的2台热泵机组来完成。每台机组均有负责自动控制的可编程控制器（PLC），通过PLC设定的供（回）水温度，分别控制2台热泵上的4台压缩机（每台热泵2台压缩机）的开启顺序及开启数量，来达到平衡供（回）水温度，节约能源的目的。下面简单介绍一下2台热泵机组的开启顺序及能量输出的控制。

分别设定2台机组为1#、2#机组：

1#设定温度为：X1~Y1℃

2#设定温度为：X2~Y2℃

每台机组的能量调节为：0~50%~100%。每台机组上有2台压缩机，调节方式是依靠调节机组的回水温度来调节压缩机的开启台数，机组控制的温度为：回水压力±Z℃（这个值时可调的），每台机组的单个压缩机开启与否是根据回水压力每升高或降低(Z/2)℃来调节的。那

么：

描述机组降载荷的过程为：

①当回水温度升高到X1+(Z/2)℃时，1#机组的01号压缩机停止工作，温度继续攀升至X1+Z℃时，02号压缩机停止工作。

②当水回水温度高到X2+(Z/2)℃时，2#机组的01号压缩机停止工作，温度继续升高至X2+Z℃时，02号压缩机停止工作。

描述机组升载荷的过程为：

①当回水温度降到X2-(Z/2)℃时，2#机组的02号压缩机开始工作，温度继续下降至X2-Z℃时，01号压缩机开启工作。

②当水回水温度低到X1-(Z/2)℃时，1#机组的02号压缩机启动工作，温度继续低至X1-Z℃时，01号压缩机启动工作，开始满负荷运行。

B、供暖系统供（回）水压力的控制

供暖系统的供（回）水压力也是影响系统供热质量的一个主要参数。考虑到本项目的实验性及投资成本，供暖循环泵未采用变频的控制方式，由于采用了定流量供水的方式，通过对回水压力的控制即可达到对供水压力的控制，所以本系统采用对回水压力进行位式控制。

C、污水泵的控制

污水泵在本系统中起着举足轻重的地位，所有的污水热能的传输都是通过污水泵来实现的。它的运行平稳性决定了整个热泵系统的平稳性，同时考虑到潜水排污泵的特性，为此我们选择了2台污水泵间歇运行的方式，自动定时切换，定时的时间长短可以根据实际的水质情况和潜水排污泵本身的性能结合，现场合理设定。

D、系统输出热能的计量

为了考察系统的合理性及经济性，我们计量系统的输出热能。热能的计量是通过间接的方式实现的。首先采集系统的供水流量和供、回水的温度值，根据相应的理论公式，通过计算计算出系统实际供出的能量值。

E、系统从污水中提取的热能的计算

污水供给系统的热能是源源不断的，而且是一种无偿的资源。我们付出一定的电能，能从污水中提取多少热能，是衡量整个污水源热泵系统的一个最重要的指标。为此我们通过检测污水的供、回水温度和流量，通过相应的理论公式的计算方式达到计量污水热能的计量目的。

2.5.3.系统组成：

由检测仪表——可编程控制器（PLC）——上位计算机组成。

检测仪表现场取样，通过数据线传给可编程控制器，可编程控制器（PLC）经过收集处理检测仪表的采样值，上位计算机作为人机界面进行数据显示及对计算结果的分析。

三、施工过程

本工程于2005年12月初开始施工，要求在2006年1月20日竣工。针对工期短，施工难度大的特点，我们制定了施工方案，保证工程的顺利完成。

3.1 末端设备的调整施工

在05年12月初首先进行末端设备的调整工作，每个供热区域单独施工，不影响其它区域的供暖。约10天左右完成了改造，基本上没有影响到水厂的生产运行。

3.2 原采暖管线的切改工作：

为了保证机房工艺施工，必须先在原采暖管线上接出总的供回水管，同时在原采暖管线上加装阀门，达到现实热源切换的目的。由于施工正处于冬季采暖期，系统中充满带压热水，天气状况不允许太长时间的停暖，所以给切改工作带来了一系列的难度，针对以上情况，特制定以下施工方案，确保在05.12.10日一天内完成供热管线的切改工作。

3.2.1确保切改工作顺利完成的准备工作：

A、提前预制两个施工面的管路、管件工作。

B、提前做好配电、切割工具、排水设备设施、材料等的安排工作。

C、施工现场技术人员、施工主管、采购人员、甲方配合人员到场，协助施工工长全面展开工作，确保各个环节按时间安排无延误的完成。

D、首先关闭热水供回水阀门，同时关闭各工号内的进出水阀门（净水间和办公楼除外），打开办公楼内的淋浴间暖气片侧堵，将系统内的压力泄至无压。在热泵机房内的供热主管旁挖好集水坑，内设置1

台潜水排污泵，调整好热废水的排出口位置。

E、用电焊在供回水管上方切开溢流口，用导管导出水。打开排污泵运行，排出集水坑内的热水。

F、在A、B步骤进行的同时，净水间旁的主管上切管、排水，尽可能最短的时间内完成排水工作。

G、排水完成后，两个施工面同时作业，把事先准备好的管材、阀门、管件等按图纸安装。

H、主管线安装完毕后，在工号8、12内加装排水阀门各1个。

I、检查所有管路、阀门的施工及开启状况，无问题后通知污水厂打开主管线上的供回水阀门，主管供回水运行15分钟左右，再打开各工号内的供回水阀门，使整个系统运行，全面检查管路泄漏情况。

J、检查各工号内的暖气供热状况，系统排气，调整暖气片至全热为止。

3.2.2 切改时间及人员、工具安排（略）

3.3机房工艺管线及仪表、电气施工

在完成原采暖管线施工后，配合土建专业预留设备基础和进出水管、电缆套管。由于准备充分，随后的机房工艺管线、电气仪表施工在规定的时间内顺利完成。

3.4系统调试、试运行

在整个工艺施工完成后，进入了调试运行阶段。

3.4.1打压过程

A、关闭热泵机组的热水进、出口阀门，关闭机房与采暖系统连接的阀门，供水侧与回水侧分段打压，试验压力为0.6 MPa，稳压10Min，压力降不得大于0.02MPa，再将系统压力降至工作压力0.4MPa，外观检查无渗漏为合格。

B、关闭污水侧上的所有阀门，主要试压管段在污水进水侧，试验压力为0.5 MPa，稳压10Min，压力降不得大于0.02MPa，再将系统压力降至工作压力0.3MPa，外观检查无渗漏为合格。

3.4.2、系统管路的冲洗、排污

A、关闭与机房系统连接的供水阀，拆开与机组连接的软管，打开机房回水阀，冲洗机房内回水管路。用小锤轻击焊口，观察水质的情况正常后，关闭机房回水阀门，停止供水，排空管道内水。

B、拆除机组热水管路上除污器内芯，打开阀门，把循环水泵前逆止阀倒成相反位置，打开机房供水阀，冲洗供水管路。用小锤轻击焊口，观察水质的情况正常后，关闭机房供水阀门，停止供水，排空管道内水。

C、污水管道的冲洗采用污水，在机组污水进口处的除污器内加装40目的不锈钢过滤网，用小锤轻击焊口，观察快速除污器的排水水质的情况正常后，关闭污水泵停止冲洗。

D、清除过滤器内的杂物，还原。清除与热泵机组连接的阀门部位的污物，与机组对接。

3.4.3系统的联合试运转和调试

A、检查水泵的运转情况正常，切换原水路供水、回水阀门，热泵系统供暖试运行。

B、待水源热泵厂家专业技术人员检查确认水路能满足设备正常运转的条件后，开机运行。

C、正常联合试运转的时间不少于8h。

D、试运转结束后，清洗所有过滤器。

3.4.5 运行数据分析

上表数据说明：

A、整个水利系统阻力分配稍有不平衡，需要调节机组的进出口阀门平衡机组供水量，达到预期的效果。

B、污水的实际出水温度比设计温度高，有力于系统的运行，节省电能。

3.4.6调试过程出现的问题及解决方案

四、系统清洗、维护

整个热泵系统从2006年1月23日至3月15日运行平稳。停机后对进污水的蒸发器打开检查，有污泥粘膜附着在铜管壁上，因污泥的活性较强，必须做好处理后才能封存，保证下一个季节的运行，为此我们制定了清洗方案。由于现在的污水管路为开式系统，水泵处于污水池内，无法利用其进行清洗，而机房内没有设置制冷管路，不能借助现有的热源侧循环泵清洗蒸

发器。为了完成蒸发器的清洗工作，同时考虑系统今后可能会作为夏季空调使用，则在原管路的基础上做了适当调整。

4.1管路系统的调整

现有的管路系统只适合冬季采暖使用，现调整为冬、夏采暖、制冷互换管路，需要在污水总进、出水管及热水总进、出水管上进行管路跨接，增加8个阀门，完成切换工作。同时在热水管路的供、回水总管上跨接一条DN100的管线及阀门，使机房系统与末端系统分开，在机房内便能完成循环清洗作业而不影响末端系统的管路。此管路的调整，其一可以实现冬、夏采暖、制冷的切换。其二，可以利用现有的循环泵和补水泵系统随时对空调系统和污水系统进行清洗，为整个系统今后的运行和管理带来便利。

4.2清洗方案的确定

4.2.1药液的选择

药液的选择是系统清洗的关键因素，应同时满足系统的3个要求，第一，药液中必须不能含有对铁、铜等产生腐蚀的成分；第二，必须对污水产生的细菌具有抑制再生的作用；第三，必须对污水运行中形成的污泥具有剥离清洗作用。为此我们咨询了专业的清洗公司，最后选定天津英特节能技术有限公司生产的粘泥剥离清洗剂作为系统的清洗剂，还可以长期充注在系统中，对系统无任何的负面作用。

4.2.2管路系统上的设备及阀门的配合

管路调整施工完成后，对各个阀门调节启、闭操作，同时制作一个带法兰的短管替代热水回水主管上的快速除污器。系统清洗前拆除管路上的Y型过滤器的滤芯，使运行的阻力降低。

4.2.3清洗过程及方法

A、系统管路的阀门准备完成后，同时开启2台补水泵，向系统中充注清水，在循环泵入口压力达到1.0~1.5Kgf/cm2左右时，关闭补水泵，打开循环泵循环1小时左右，排空系统水。

B、卸下补水泵出口的自动排气阀，用漏斗及量筒加入清洗剂（加入量为5~10Kg/次，因为蒸发器及清洗管路的容水量约为1m3左右，药液的加入量为容水量的1%~2%）,打开补水泵，系统注水达到指定压力后循环泵开启循环2个小时关闭。溶液浸泡1~2天后循环泵开启循环2天，观察排出水的含污情况，排空系统，检查系统清洗效果。

C、用清水冲洗系统1~2遍，再注入同②的药液，补水后循环泵运行15分钟左右，让药液充分混合，系统带压封存。至下一次开机前，每3个月循环泵开启循环10分钟左右。

注：清水清洗1~2遍后，应注意原热水整个系统注入清水，系统压力保持在0.5Kgf/cm2左右，再切换阀门，注入药液封存蒸发器清洗系统。

结束语：

天津市纪庄子再生水厂污水源热泵采暖改造工程圆满完成，我们在设计、施工过程中总结教训、积累经验，对污水的开发利用有了新的认识和理解，希望能够在今后的污水源热泵的推广中做出一定的成绩，为城市坏境的改善尽微薄之力。污水源热泵的应用中，有两点值得关注：

1.必须解决污水过滤器的脏堵问题。过滤器的选择上如果不采用全自动清洗过滤器，就必须考虑方便清洗，不容易阻塞的条缝型篮式过滤器，同时设置备用过滤器，使系统保持不停机运行的工作状态。

2.考虑到将来系统的运行，必须对操作人员进行专业的培训。

A、施工前，对操作人员进行系统的原理培训，使其掌握污水源热泵系统的构成、工作原理、系统操作中应注意的问题等。

B、在施工的过程中，操作人员应经常到施工现场了解管路、设备安装情况。调试过程中操作人员要细心观察。

C、机组运行前，应对照实物，对操作人员进行工艺管线、设备、运行中要注意的问题等一一讲解，形成操作规程，避免误操作造成的不必要损失。