可再生能源在居民建筑的应用

付本田 高建海

摘要：采用污水源热泵建立一个供热站为小区供暖。污水源热泵技术是利用经污水处理厂处理后的污水中的低品位能源，用于采暖的能源形式。冬季，把污水中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时污水为“热源”。

关键词：污水源热泵技术 可再生能源 节能 减排

可再生能源建筑应用示范工程是由财政部和住房城乡建设部联合组织实施的，目前已经取得了不错的效果，不仅提升了可再生能源建筑的应用技术，也增加了应用面积，在部分地区得到了广泛的应用。笔者在此以山海关水郡御景小区工程为例，详细探讨并实现污水源热泵站这一可再生能源在实际建筑中的应用。

1 工程概况

该工程位于秦皇岛市山海关经济技术开发区，建筑面积16.1295m2，其中居住15.5255万平方米，公建6040m2。当地没有开通市政供热，又不允许上燃煤锅炉，所以如何解决此区域的冬季供暖成为急迫的问题。紧邻小区的东面是石河，石河对面有一座污水处理厂，日处理能力8t。现讨论采用污水源热泵建立一个供热站为小区供暖。污水源热泵技术是利用经污水处理厂处理后的污水中的低品位能源，用于采暖的能源形式。冬季，把污水中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时污水为“热源”。

1.1 污水条件

山海关污水处理厂的城市污水原水来源主要为生活废水，汇流面积大，污水原水流量具有小时变化规律明确、日流量相对稳定、随着山海关区规模的扩大，呈现逐年递增的趋势等特点。

根据《污水再生利用工程设计规范》（GB50335-

2002）中污水水质控制指标标准的规定，山海关污水处理厂的排放水质完全满足污水源热泵的工艺要求。秦皇岛市污水处理厂的监测资料显示，冬季城市污水的温度在10～16℃，比同期的室外气温冬季要高，且日变幅较小，故可以作为热泵系统良好的热源。将水源热泵系统技术与城市污水结合，在扩大城市污水利用范围，拓展城市污水治理效益方面具有深远意义。

1.2 污水源热泵技术简介

污水源热泵技术容易受很多因素的影响，比如水温、水质、热泵机组性能、水量等，所以在实际的应用该技术的过程中需要考虑很多的环节。为了保证工程的顺利进行，我们在工程设计中应该充分考虑间接式和直接式污水源热泵技术的优劣势，然后选择合适的设备。城市排热的一种重要渠道就是城市污水，近年来，人们的生活水平不断的提高，随之增加的还有城市污水排水量和排热量，有资料显示，我国城市总排热量的10%～16%是由各大城市污水排热量组成的，而日本东京城市的这个数据甚至高达了39%。

1.3 工程设计原理

1.3.1 污水源热泵设计原理

本工程利用污水中品位较低的能量，冬季为热泵机组提供低温热源，将污水中低位能量转化为高位能量，供给末端采暖使用和制备生活热水。

1.3.2 系统工艺流程

通过污水泵，蓄水池处理完毕的污水直接进入热泵机组，作为冷热源用于供暖。

污水提取工艺按如下工序进行：

蓄水池→污水循环泵→污水源热泵→机组管道→输送排入管沟

2 工程技术分析

2.1 设计计算

2.1.1 冷热负荷估算

水郡御景小区为节能建筑设计，选用优质隔热保温材料，减少了能量损耗，根据设计数据本建筑达到节能设计标准65%。外墙保温采用外贴聚苯板保温：370外墙为70mm厚，外墙传热系数K=0.448W/（m2.k），山墙70mm厚，外墙传热系数K=0.448W/（m2.k），凸窗挑板外贴80mm厚聚苯保温板，传热系数K=0.50W/（m2.k）。屋面采用

145mm厚聚苯板保温，传热系数K=0.4W/（m2.k）。

地面下从外墙内侧起2米范围内铺设70mm厚聚苯保温板，首层阳台地板下铺80mm厚聚苯保温板，楼面为地盘管露面，20mm厚聚苯板保温，分户楼板传热系数 K=1.2W/（m2.k）。

外门窗采用无色中空玻璃塑钢窗（6+12+6），传热系数K=2.5W/（m2.k），直接对外塑钢门下部分芯板内贴35mm厚聚苯板保温，传热系数K=1.35W/（m2.k）。外门窗的气密性等级不低于现行国家标准GB/T7107-2002规定的Ⅲ级标准，即每米缝长空气渗透量：QL？芨2.5立方米/（m.h）

本项目建筑热负荷指标取50W/m2。

采暖热负荷计算

Qn=qn×A

式中：Qn为采暖热负荷，单位：kW；qn为建筑面积热负荷，取50 W/m2；A为建筑面积；单位：m2。

采暖热负荷Qn=qn×A=50×161295=8064（kW）；

热水负荷取10W/m2。所以，初步设计供熱总负荷为9676kW。

2.1.2 污水用量设计计算

热泵机组的制热量或制冷量与所耗功率之比称为能效比，即COP（能效比，性能系数），它是表示制热效率或制冷效率的能耗指标。一般家用空调器的COP约在2.5～2.8之间，而热泵机组的COP则可达到5.0-7.0左右。

同方人工环境有限公司提供的满液式污水源热泵SGHP1600M型的参数为：制热量1621kW，制热COP为5.0。

制热工况：冬季，需要从污水提热的热泵系统的负荷为9676kW，计算污水需求量为：

Gn=Qn×（1+1/COP）/c/Δt

式中：Gn为冬季污水需要量，单位：m3/h；Qn为空调冷负荷，单位：kW；COP为能效比，取4.9；c为水的热容，取1.163kJ/（kg·K）；Δt为污水进出口温差，8℃。

所以，冬季污水需要量为：Gn=9676×（1-1/4.9）/1.163/8

=827（m3/h）

设计污水水量选取较大的污水量，即827m3/h。热泵系统的冬季污水需求量小于污水处理厂的设计规模8万m3/d（3300m3/h）。若是能充分利用东郊污水处理厂的污水作为热源，用污水源热泵可以为污水处理厂周边约50万平方米的建筑供暖。

2.2 技术方案

本方案采用污水源热泵机组为住户提供热源，末端用地板辐射采暖。地板辐射采暖的优势。

2.2.1 节能

分析各种采暖方式室内温度梯度的测试结果可以发现，最适合的采暖方式就是地板辐射采暖方式，所以地板辐射采暖房间内的室内温度在比一般散热器采暖的温度低2-3℃的时候就可以达到同样舒服的效果。以秦皇岛地区室外采暖计算温度为-9℃，室内采暖计算温度为18℃计算，则地板采暖计算热负荷可降低9.23-11.1%，采用分户计量后地板辐射采暖可节能约35%。因为供水温度低，所以有利于使用低温热源。

2.2.2 舒适

地板采暖系统具有很好的稳定性，因为它热容量大，混凝土的蓄热功能强。并且地面辐射热非常有益于人体的健康，同时通过人为的创造人体感到舒服的温度，使人感到舒适感。

2.2.3 美观

由于使用该系统不需要散热器和管道，客观上增加了每个单元的使用面积，同时由于没有散热器和管道，还更有利于装修，方便创造出更加美观的室内环境。

2.2.4 地板辐射采暖适合分户计量节能设计

管道的布置、系统的阻力值的确定均可根据不同情况，不同的要求由设计人自己决定，管材的使用寿命无论国外还是国内的生产厂家均承诺为50年，住宅建筑规范规定住宅建筑的设计寿命为50年，满足国家规定。

2.3 数据采集方案

2.3.1 集中控制系统

为了确保污水源热泵供暖系统节能减排的实现，本方案设置计算机监控系统，它有如下功能：

①集中监控

由于设备管理人员需要及时了解并调整各设备的运行情况和数量，关闭不需要运行的设备，降低能耗。

②故障自动诊断

系统设备多，布置分散，自动诊断设备是否发生故障的功能可以实现及时发现系统故障并排除。

③自动记录分析运行数据

为了进行系统的经济性比较，须记录运行期间准确、翔实的数据。只有设置集中监控才可以实现运行数据自动检测、记录的功能，同时还可以提高管理水平和工作人员的劳动效率。

2.3.2 节能措施

控制系统包括循环水控制、水源水控制、热泵机组控制。多种设备相互影响，相互作用。在利用设备自带微处理器控制保证设备最佳运行的基础上，发挥网络通信功能，通过各个控制回路之间信息的交换，实现整个系统最优化运行。本系统要考慮污水源热泵取水温度、流量与热泵效率等。热泵大部分时间（70%）内负荷低于设计负荷的60%，通过控制系统提高部分负荷下热泵机组的效率对系统能耗降低有明显的效果。

机组启停控制：空调水循环泵与水源热泵空调主机一一相对应，当负荷较小时，将停止一台主机运行时，控制系统先控制一台主机停止运行，经30秒延时后控制系统控制相应的水泵停止运行，同时控制系统控制相应机组水源水和循环水入水管上电动两通阀关闭，可以起到节能的目的；当负荷增大时需要增加一台机组运行，控制系统控制相应机组水源水和循环水入水管上电动两通阀开启，同时控制相应的循环水泵启动，经30秒延时后控制系统控制相应的机组投入运行。

机组保护：每台水源热泵空调主机的冷热水进水管和水源水进水管上分别设有1个水流开关，水流开关与主机连锁。当进水量低于主机要求的最低水量时，主机将自动关闭。

补水泵控制：在定压补水罐上增加一压力变送器来测量定压补水罐内压力，控制系统根据压力变送器测得的压力值与补水压力低限设定值比较，当低于补水压力低限设定值时启动补水泵，直到达到高限设定值。

机组运行方式：机组内部运行控制由机组内部自动完成，当设定为外部信号启停控制时，机组根据外部信号的状态来控制机组启停。

水源水泵控制：为减少水源水量和节省电能的目的，水源水采用恒压变频供水方式，在每台主机水源水侧的进水管上设有电动两通阀，并在水源水总管上安装一压力变送器，其中一台潜水泵由变频器控制。控制系统根据压力变送器测得的压力值经PID计算输出一模拟信号控制变频器的输出频率以达到恒定压力的目的，当运行水泵不能满足供水量时自动工频投入另一台水泵运行。

供回水压差控制：循环水集分水器之间安装一压力调节阀和压差变送器，控制系统根据测得的压差经过PID计算后控制压力调节阀开度以平衡压力的目的。

3 工程效益风险分析

3.1节能预测分析

污水热泵将污水热能连同机组所耗电能一并转移到室内，系统能效比达4.2以上。污水热泵机组利用温度相对稳定污水热能，与空气源热泵机组相比，夏季冷凝温度低、冬季蒸发温度高，能效比和性能系数大大提高，而且运行状况稳定。

3.2 经济效益分析

上述方案设备1808万元，机房及地板采暖系统安装806万，污水管道铺设及室外管网446万，投资合计3060万元。

按照秦皇岛地区取暖费收费标准6.97元/m2/月计算，小区每年收取取暖费540万元（6.97元×5个月×15.5万m2）

盈利356.4万元/年（540万元-183.6万元）

预计8.5年收回成本（3060万元/356.4万元）

3.3 环境影响分析

据资料统计，随着秦皇岛市的工业发展和旅游的过度开发，大气环境污染日益严重，尤其是在冬季采暖季。造成大气环境污染的原因主要是能源消费结构以煤为主；而煤炭的消耗大部分又是用于冬季采暖。因此，如何在采暖供热方式的选择上突出环境保护的制约，具有重要意义。污水热泵项目无需锅炉，没有燃烧过程，不存在固体废弃物、有毒有害气体及烟尘排放等问题，不消耗水资源，不污染地下物质，因而是环保的空调系统。

据测算，本项目若用污水源热泵，每年可节约燃煤8851吨，每年减少向大气排放二氧化碳（CO2）5966吨，二氧化硫（SO2）177吨，粉尘88吨；环境效益非常明显。

3.4 项目推广前景分析

秦皇岛市山海关污水处理厂的污水处理能力为8万m3/d，若污水热泵技术得以充分利用，可为约50万平方米的建筑供暖和制冷，若辅以建筑节能的措施，其发挥的作用更为可观。并且可至少替代标煤27939万余吨，年减少二氧化碳排放（CO2）18769万余吨、二氧化硫（SO2）556吨，粉尘278吨，有着巨大的推广前景。

本项目的建成，还将对今后的污水利用起到示范、促进和推动作用，特别是对秦皇岛市其它污水处理厂及周边地区利用污水实现供暖和供冷提供借鉴。

3.5 项目风险分析

水源热泵技术是成熟技术，在欧美上世纪80年代开始使用，在全世界得到大力推广，国内外水源热泵实际工程的普遍应用充分证明了一点。对于本项目的风险，从以下几方面进行分析，针对可能出现的风险采取相应对策。

3.5.1 污水水量保障

在其它地区应用污水源热泵时，可能会出现污水水量不能保障的情况。本项目污水处理厂污水处理设计规模为8万m3/d，满足本工程污水设计量41088m3/d（1712m3/h）的要求。

3.5.2 污水温度保障

秦皇岛市山海关污水处理厂的监测资料显示，冬季城市污水的温度在10～16℃，夏季城市污水的温度在20～25℃之间，比同期的室外气温冬季要高而夏季要低，且日变幅较小，故可以满足污水源热泵运行的要求。

3.5.3 系统维护保障

经过优化，污水源热泵系统只在冬季和夏季运行，因此污水取水排水系统、污水输送系统及热泵机组均有检修期，因此本系统的运行模式也提高了系统稳定性。

从以上分析可以看出，本项目基本上不存在风险。

4 结论

第一，建设节约型社会，大力发展循环经济和推广应用可再生能源，是党中央、国务院在当前能源供应紧张的新形势下提出的可持续发展战略。该工程的实施，正是符合“树立科学发展观，建设和谐社会”的要求。

第二，污水源熱泵技术的本质是从经过污水处理厂处理后的污水中吸取热量或向其放出热量，污水经过热泵机组交换热量后排出，而不会进入室内，没有任何风险。

第三，若该工程能够实施，每年可节约燃煤8851吨，每年减少向大气排放二氧化碳（CO2）5966吨，二氧化硫（SO2）177吨，粉尘88吨；环境效益非常明显。若能充分利用污水处理厂的污水作为热源，用污水源热泵可以为污水处理厂周边约50万立方米的建筑提供供暖。可至少替代标煤27939万余吨，年减少二氧化碳排放（CO2）18769万余吨、二氧化硫（SO2）556吨，粉尘278吨。有着巨大的推广前景。

第四，本项目的建成，还将对今后的污水利用起到示范、促进和推动作用，特别是对秦皇岛市其它污水处理厂及周边地区利用污水实现供暖和供冷提供借鉴。

综上所述，秦皇岛市山海关小区污水源热泵工程技术方案可行，经济效益明显，社会效益显著，符合国家大力发展可再生能源的基本国策和能源战略，作为秦皇岛市住宅小区采用污水源热泵系统将在环保、节能等方面具有较好的示范作用。

参考文献：

[1]刘晓胜.智能小区系统功能技术导论[M].北京：电子工业出版社，2001.

[2]张振荣，晋明武，王毅平.MCS-51单片机原理及实用技术[M].北京：人民邮电出版社，2000.

[3]刘东辉，张新岭，邱金蕙等.基于无线传输的智能小区门禁系统设计[J].河北科技大学学报，2007，2（1）：37-40.

[4]郭鹏，宫艳侠，王震宇等.基于STC89LE516AD的智能充电电路设计[J].河北工业科技，2007，24（2）：84-86.

[5]黄太忠，黄群贤，无根，等.河北省公众环境意识现状调查[J].河北工业科技，1999，16（3）：75-77.

[6]国家环保总局.水和废水监测分析方法[M].北京：中国环境科学出版社，2002.

[7]杨磊.酚类污染物生物降解特性的研究[D].南京：南京理工大学，2006.

[8]焦阳，王德奎，王亚芳，等.智能数据检测管理系统的研制[J].河北科技大学学报，2005，26（2）：153-155.

作者简介：

付本田（1971-），男，河北抚宁人，副高工程师，毕业于河北工业大学工业电气自动化专业，主要从事污水处理厂、污泥处理厂、排水管理处等自动生产控制、智能楼宇防盗报警及消防自动报警、喷淋系统等方面的研究。