（山东宏力热泵能源股份有限公司，山东，潍坊，261061）
（山东经贸职业学院，山东，261011）
【摘要】目前，我国污水源热泵能源站建设步伐不断加快，设计和施工等环节的工作也显得更加重要，必须要深入研究，提升能源站设计的效果。本文主要分析了污水源热泵中心能源站的设计要点，以及设计的主要思想方法，提出了有效的设计对策，以期可以为污水源热泵中心能源站设计工作提供参考。
【关键词】污水源；热泵中心；能源站；设计
一、前言
目前，世界各国针对污水源热泵能源站的研究不断深入，其应用的范围也在不断扩大，污水源热泵能源站具有显著的应用优点，不过，我国污水源热泵中心能源站设计工作还存在很多问题，受到主客观因素影响，设计工作一直难以取得实质性的进步，所以，论述污水源热泵中心能源站设计，提出有效的设计方法很有必要。
二、水源热泵国外内工程应用现状
1、国外工程应用现状
上世纪80年代初，瑞典、挪威等供热发达国家紧跟其后，着手间接式污水源热泵的设计与研发。北欧发达国家则使用粗效处理后的城市原生污水作为热源的直接式热泵。随着能源结构的不断变化，环境问题的日益突出，美国、德国等一些发达国家陆续开始投入科研力度致力于污水源热泵的研究，并积累了丰富的经验。受到城市原生污水水质复杂性和特殊性的限制，污水源热泵的研究进展依然缓慢。
2、国内工程应用现状
2008年，北京奥运村换热站的污水源热泵的热源选择为清河污水处理厂的二级排水，它的水质接近二级水水质，直接进入机组换热器进行换热。河北秦皇岛污水处理厂、北小河污水处理厂项目等以污水厂二级出水为热源。哈尔滨望江宾馆、北京悦都等采用原生污水为热源。
三、污水源热泵优缺点
1、污水源热泵优点
城市污水冬暖夏凉，受气候影响小，水温变化幅度小。与河水水温和空气温度相比，城市污水水温冬季较高，夏季较低。北方地区大气温度的年温差可能达到40℃，而城市污水的年温差温差只有20℃左右，是比较理想的热泵热源和空调冷源。由于人们生活条件的变化，这一优点还将更加突出。我国污水资源排放量每年约为550×108m3，其低位热能储量十分丰富。对比地下水水源热泵，可节省打井开支，避免了抽水和回灌的动力消耗，避免了回灌不当对地下水资源破坏的问题。对比风冷热泵，其冬季不结霜且污水水温波动小，相应的热泵工作性能稳定。对比土壤源热泵，其同样不需要钻地打井，土地日趋紧张，受占地面积的约束，土壤源热泵在有限的打井数量下，必须加深打井深度，其打井费用也呈指数型上升。将污水的水量和热量同时回收、利用，是可持续发展的综合表现，是城市污水资源化的有效途径。
2、污水源热泵缺点
污水源热泵在使用地域上受很大限制，只适用于有大量污水排放的地区，如发电厂、大中型城市、油田等。污水源热泵要求污水的排放流量稳定，至少达到热泵正常工作的水量要求。污水源热泵对污水的水质要求较高，污水水质有强酸性、强碱性，含有大量难去除的固体、胶体等，使用前都必须要进行水质处理，增加了运行费用。污水源热泵的初投资较高，由于热用户离污水处理站或污水干渠的距离太远，敷设污水导入管会产生很高的费用。冬季使用污水源热泵直接供暖时，需要配备高温热泵，高温热泵的购置费用是普通中低温热泵的数倍。
四、案例分析
1、项目简介
本文所介绍项目位于某市高新区内，污水源热泵中心能源站直接建在污水处理厂中。周围为高新区内多家企业规划用地，潜在用能客户众多。该项目污水处理厂污水来源的90%以上为高新区内的工业企业，生活污水所占比例较小。由于各个企业工艺处理过程的需要，污水的排水温度高于生活污水的排水温度，且微生物含量低于普通生活污水。污水经过污水处理厂处理后，排水水质经检测已经达到国家A级排放标准。
2、设计方案
（一）系统形式
污水源热泵形式主要有2种，即直接式和间接式。在污水源热泵中心能源站的设计中，热泵机组不同于一般的小型热泵机组:小型热泵机组可以采用四通换向阀转换制冷剂流程来实现制冷和制热功能的变换，而污水源热泵站则是采用水路的切换来实现此转换。因此，如果采用直接式污水源热泵系统，蒸发器和冷凝器均必须采用耐腐蚀的材质，而且为了避免污水中的污垢沉积，换热器水侧还应尽量光滑，减少设置肋片等强化换热措施。这样就会使得换热系数大大降低，从而致使热泵机组的COP下降。另外，由于本项目中冷热负荷很大，需要采用离心式热泵机组，而目前国内尚无厂家生产这类装备了耐腐蚀性换热器的离心式热泵机组，即使在国外也不是很普遍。因此，若采用直接式污水源热泵系统，初投资将不可避免地大幅度增加。而对于间接式污水源热泵系统，增加换热器会造成2℃的温差，即会损失约3.8MW的低位热能，同时还会增加水泵耗功。另外，由于换热温差选取的很小，会使换热器体积庞大，增加机房占地面积。
由上述分析可知，尽管直接式污水源热泵系统能效比要高于间接式系统，但是出于节约投资、降低造价，以及运行维护简单经济等方面的考虑，本项目采用间接式污水源热泵系统。且为了使换热器保持较高的换热效率，避免因污垢沉积而降低换热能力，在换热器污水侧配装了胶球清洗机，定期对换热器进行机械除垢，以保证其换热效果。
（二）热泵机组匹配
由于污水源热泵中心能源站的末端为新建建筑，负荷需求将逐步增加。具体来说，公建为风机盘管供冷、供热，而住宅建筑为地板辐射供暖，只有供热需求，无供冷需求。污水源热泵中心能源站根据本项目一期负荷特点配置热泵机组，选用2台离心热泵机组，承担总负荷的80%，每台承担40%，另外配置1台螺杆式热泵机组，承担总负荷的20%。这样的配置可以根据末端负荷变化调整机组机型及台数，在满足用户需要的同时，使系统具有更灵活的调控性能，以保证系统的节能性和高效性。
（三）用户侧连接方式
污水源热泵中心能源站为周围用户供冷、供热，与用户侧的连接主要分为2种形式，即直接连接和间接连接。直接连接方式的节能高效是不言而喻的，但是此种连接方式要考虑末端建筑的不同压力需求及其互相影响，而且直接连接方式的补水定压系统也会更加复杂，同时水泵也要充分考虑所有用户的需要并为未来扩展做出预留，管理和调试相对麻烦。间接式连接方式是在污水源热泵中心能源站用板换和用户直接隔开，增加了换热环节，增加了能量损耗，但采用间接连接方式可以使供冷、供热外网具有良好的增容性，尤其是在建筑物类型和层高不确定的情况下。除此之外，污水源热泵中心能源站和建筑物末端的空调系统可以设置独立的定压补水系统，便于调试和管理。考虑到污水源热泵中心能源站未来的增容，本项目外网与用户侧的连接采用间接连接方式。
（四）污水取用方式
对于污水取用，本设计根据污水源热泵中心能源站1h的污水需求量，建设了1个容积为1700m3的地下污水蓄水池，即可以用来调节污水流量瞬时峰谷，维持1个基准流量，也可以兼作污水沉淀池。由于污水排水渠顶板与地面标高相同，而排水渠底板标高为－1.30m，因此可以采用新建引水渠设闸板阀的形式将污水引致蓄水池，这样可以避免采用价格昂贵的防腐金属材料制作引水管道。当蓄水池的水面低于排水渠水面高度时，在势差的作用下，污水自动流入蓄水池;当蓄水池蓄满、水面与排水渠水面同高时，没有势差的作用，污水不再进入蓄水池，而是仍然按照原来的流经路线排出污水厂区，这样也省去了溢流管的设置。过渡季时，可以通过关断引水渠上的闸板阀对蓄水池进行清淤。蓄水池设计同时考虑到了顶板保温要求以及排气功能。
五、结束语
综上所述，污水源热泵中心能源站设计工作一定要找到设计的要点和关键环节，同时，针对设计过程中比较容易出现问题的环节重点预防，确保污水源热泵中心能源站设计工作的水平。
参考文献：
[1]张磊.污水源热泵供热系统的节能运行分析[D].天津：天津大学，2014.