污水源热泵空调系统在乌鲁木齐地区的运用

张卫江，龚建新，谢玉琴，王晓燕

（新疆乌鲁木齐水文水资源勘测局，乌鲁木齐 830000）

1 引言

乌鲁木齐市委、市政府在会议上多次强调将解决乌鲁木齐市冬季大气污染问题，这项工作将继续作为市委、市政府今后的重点工作，下决心抓紧时间完成“蓝天工程”。

目前，乌鲁木齐市政府相关部门在总结前阶段“蓝天工程”实施经验的基础上，结合乌鲁木齐市地理、环境、污染类型、能源结构等，提出了在乌鲁木齐市实际可操作的供热能源消耗结构和冬季大气污染治理综合方案。乌鲁木齐市有较充沛、集中的污水源，为可再生能源的利用提供了多元化的能源支撑。

2 水源热泵空调系统概述

热泵技术是应用低品位再生能源的重要技术之一。按热泵利用的低位冷热源的不同，热泵可分为空气源热泵、土壤源热泵、水源热泵。从系统的能效、设备的投资、运行的经济性等综合考虑，水源热泵比空气源热泵、土壤热泵更具优势。按水的来源，水热泵又可分为地下水源热泵、地表水源热泵、污水源热泵、海水源热泵等。

3 水源热泵空调系统在乌鲁木齐市应用的可行性分析

3.1 乌鲁木齐市气候条件

乌鲁木齐地区平均高程低，降水稀少。平原区年降水量约300 mm，山区年降水量约400 mm。降水年内分配主要集中在春、夏季，尤其是5、6月份较多，秋，冬季降水较少，多以积雪形式堆积，春季气温回升，产生融雪洪水。乌鲁木齐山区年平均气温约2.6℃，平原区平均气温为4.1℃。气温年际变化不大，年内变化较大，一月份最冷，平均-15.2℃，实测极端最低气温-42.2℃（乌鲁木齐幸福路气象站，1956年）;七月份最热，平均24.7℃，极端最高气温43.5℃，＞10℃年积温3500，无霜期一般174 d。

3.2 乌鲁木齐市水资源条件

乌鲁木齐供水量是指各种水源工程为用户提供的（包括输水损失）供水量。按地表水源、地下水源和污水回用量分类统计。用水量是指分配给用户的（包括输水损失）水量，按农业、工业、生活用水分类统计。农业用水包括农田灌溉用水和林牧渔业用水;生活用水包括城镇居民、公共用水和农村居民、牲畜用水;工业用水为取水量，不包括企业内部的重复利用量。

2008年乌鲁木齐总供水量9.9亿m3，地表水供水量5.3亿m3，占供水量的53%，地下水供水量4.3亿m3，占供水量的44%，污水回用量0.28亿m3，占供水量的5%。

2008年乌鲁木齐农业用水约6.0亿m3，占用水总量的65%，工业用水1.1亿m3，占用水总量的 12%，生活用水2.1亿m3，占总水量的23%。

根据乌鲁木齐市水资源公报编委会编制的《2008年度水资源公报》，2008年乌鲁木齐市污水排放总量达1.9亿t，其中城市市政排水管末端废污水处理量8 763万t，占排放总量的46%。市政排水管网现状原生污水利用量几乎为零。

乌鲁木齐市区地形南高北低，自南向北呈狭长地带。乌鲁木齐市排水系统按照地势和区域分为河东、河西污水排水系统、水磨沟排水系统、头屯河区排水系统等8个排水系统。水磨沟排水系统、河东排水系统、河西排水系统的部分管线污水排放总量为43.1万m3/d，年污水排放量为1.6亿m3。以上污水量不包括排入管线的春季融雪水量和夏秋季的雨水水量。

4 某建筑群污水源热泵系统

4.1 项目概述

为响应国家提倡的绿色建筑理念，从节约能源、减低污染的角度出发，新疆某新能源有限公司根据当地水资源条件，决定在新疆乌鲁木齐市建设的“万星小区”水源热泵供热/制冷系统，开展可再生能源建筑应用水源热泵示范工程。项目供热/冷服务建筑面积共50万m2，采用城市生活污水为水源的水源热泵空调系统进行冬季采暖、夏季制冷。

建设项目供热/制冷服务建筑面积共50万m2，总热负荷约3.9万kW，均为新建建筑，满足国家建筑节能≥50%的标准。污水源热泵冬季每天运行24 h，取水规模4 543 m3/h，其中一期17万m2，取水规模1 462 m3/h;夏季平均每天运行8 h，需水3 760 m3/h，取水水源为城市排水管网污水。

4.2 污水水量和水温监测

4.2.1 污水监测测次

为了分析计算河滩快速路河南路立交桥西北侧地下箱涵污水主管线污水水量、水温，乌鲁木齐水文水资源勘测局进行了为期6个月的实地监测，自2009年12月～2010年4月累积监测36个测次。

4.2.2 污水监测的主要原则

1）通过监测2组24 h流量、水温日过程，1组为节假日24 h变化过程，另1组为非节假日24 h变化过程，分析排污管线中污水水量、水温的日变化规律，得出日污水水量最低谷时段。

2）根据排污管线中污水水量、水温的日变化规律及水量最低谷时段，在冬季各月（12～4月）合理分布测次，监测最低谷时段的水量、水温。以最低谷的水量监测数据来分析论证来水量能否满足污水源热泵系统的用水量。

3）最低谷时段的监测尽可能涵盖每周周一至周日，每月上、中、下旬，以提高其监测数据的代表性。

4）1月份为乌鲁木齐市气温较低的月份，1月份环境温度是比较低的，所需要的热量是较高的，因此在1月份加大测验次数，增加监测测次的密度。

4.2.3 污水监测成果

根据污水监测测次和监测主要原则，对乌鲁木齐市河滩快速路河南路立交桥西北侧地下箱涵排水管检查井污水水量和水温进行监测，监测成果见表1和表2。

表1 乌鲁木齐市河滩路排污管线污水监测点流量、水温过程

表2 乌鲁木齐市河滩路排污管线污水监测点实测最小流量、水温过程

通过上述实测水量资料分析可知：若按日平均流量计算，则乌鲁木齐市河滩路排污管线1.8 m×1.8 m箱涵管日水量在10.7万m3/d～12.8万m3/d，河滩路直径为1.2 m园管排污管线日水量为7.3万m3/d左右，河滩路排污管线污水总量在17.9万m3/d～20.1万m3/d。若按最小流量计算，则乌鲁木齐市河滩路排污管线1.8 m×1.8 m箱涵管日水量为7.8万m3/d，河滩路直径为1.2 m园管排污管线日水量为4.9万m3/d，河滩路排污管线污水总量在12.7万m3/d。

4.3 可靠性分析

乌鲁木齐市地形为南北长20～30 km，东西最窄处3～5 km，南高北低，按照城市布局，工业区主要位于乌鲁木齐市西北部，乌鲁木齐市南端是水源保护区，无重工业。河滩路为乌鲁木齐市天山区和沙依巴克区的界限，天山区和沙依巴克区是乌鲁木齐市人口密度和建筑密度最高的两个区，因此河滩路主排污管线汇集了天山区和沙依巴克区的生活污水。河滩路主排污管线（河滩路排污管线1.8 m×1.8 m箱涵管及直径为1.2 m园管排污管线）目前检测到的水深只有20余厘米，远未达到设计标准。由此分析河滩路主排污管线污水主要为生活污水，水源是可靠的。

4.4 可行性分析

通过乌鲁木齐市河滩路排污管线污水水量、水温监测分析，乌鲁木齐市河滩路排污管线按最小流量计算，其污水总量为12.7万m3/d，按日平均流量计算，则污水总量在17.9万m3/d～20.1万m3/d。因此，乌鲁木齐市河滩路排污管线污水水量可以满足污水源热泵系统的用水要求。

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℃，夏季水温变化范围在17.9℃ ～14.6℃，可以满足水源热泵提取4℃水温的要求。

5 结论

1）污水源热泵系统是采用城市原生污水或处理水作为水源的一种热泵技术，是城市可再生能源应用的一个重要组成部分。乌鲁木齐高新区50万m2建筑可再生能源建筑应用污水源热泵示范工程取水所在区域人口居住相对集中，其污水量比较大，水量、水温相对稳定。并且，随着城市规模的不断发展，污水量将会不断增加，城市污水热源具备相当大的开发潜力。

2）河滩快速路河南路立交桥西北侧地下箱涵排水管检查井污水水量为每日水量为7.8万m3/d，旁边污水园管检查井为每日水量为4.9万m3/d，合计12.7万m3/d，可以保证水源热泵用水要求。

3）在自然条件下，监测点实测污水温度在14.0℃左右，污水水温在13.2℃ ～14.8℃，且长年稳定，本项目拟计划从污水中提取4℃的热量，则其退水水温将降为9.2℃左右，取水口距离下游污水处理厂7 km左右，区间尚有污水不间断汇入补给，通过计算下游污水温度不低于11.0℃。

[1]中国建筑科学研究院.GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[2]中国市政工程东北设计研究院.GB50335-2002污水再生利用工程设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3]沈冬云.水源热泵空调系统在江西地区运用的可行性分析[J].中国西部科技，2010，9（1）：51-52.

[4]丁卫东，袁鲁滨.水源热泵技术在供热空调工程中的应用[J].节能，2002（5）：25-27.

[5]李江风.乌鲁木齐河流域水文气候资源与区划[M].北京：气象出版社，2006.