引言城市污水具有稳定、总量大的特点，经污水处理厂处理至中水达标后，大部分中水直接向地表水体排放，小部分用于工农业利用和地下水回灌。对外直排的中水具备温度、流量相对稳定的特性，属于应用潜力巨大且优良的低品质热源[1-2]。中水直接排放会造成一定的余热资源损失。污水源热泵供暖技术具有稳定、高效、节能和零排放的特点，属于清洁供暖技术，可以将中水低品质余热高效转化为居民供暖用热[3-5]。常规污水源热泵供暖工艺采用单级设备对中水低品质热进行回收利用，回收后的中水温度最低约5~6 ℃，无法实现中水低品质热的深度回收[6-8]。采用双级串联方式可对中水低品质热进行有效回收利用，实现中水超低温排放，但存在第二级热泵蒸发器因中水温度过低形成结冰、胀裂等风险，影响系统的稳定性。通过在第二级热泵设备前添加乙二醇板换和空气翅片管式换热器对供暖系统进行优化，可在实现中水超低温排放的同时，有效避免产生蒸发器结冰、胀裂等问题。1项目概况山东某老旧小区片区总建筑面积13.37万m2，片区内共有3个小区，第一、第二小区供暖末端形式为暖气片，第三小区为地暖，建筑类型均为居民非节能建筑。该片区因集中供暖管网未覆盖，前期一直采用燃气锅炉形式进行供暖，供热成本较高。城市污水处理厂距片区5 km，采暖季中水最低稳定流量约550 m3/h，中水最低温度为12.5 ℃。考虑片区周边污水热源及项目实际情况，项目改造采用污水源热泵形式进行供暖。2改造方案2.1理论计算项目设计热负荷为：Q=q×s (1)式中：Q——小区供暖总热负荷，kW；q——单位面积热负荷指标，W/m2；s——供暖面积，m2。各小区所需热负荷如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.017.T001表1各小区所需热负荷名称建筑面积/m2热负荷指标/(W/m2)供暖总负荷/kW第一小区42 400572 416.8第二小区17 10057974.7第三小区74 200453 339.0总计133 7006 730.5循环水量G为：G=0.86×Q∆t (2)式中：G——系统循环水量，m3/h；Q——小区供暖总热负荷，kW；∆t——供回水温差，℃。项目运行主要技术参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.017.T002表2项目运行主要技术参数项目数值中水循环水量/(m3/h)526.2供水温度/℃12.5回水温度/℃1.5供暖水循环水量/(m3/h)416.7供水温度/℃56回水温度/℃42第一小区循环水量/(m3/h)296.9供水温度/℃56回水温度/℃49第二小区循环水量/(m3/h)119.7供水温度/℃56回水温度/℃49第三小区循环水量/(m3/h)410.2供水温度/℃49回水温度/℃422.2方案设计根据采暖季中水最低稳定流量及最低温度、供暖总热负荷，项目采用分级布置、梯级降温形式对中水低品质热进行回收利用。使用乙二醇溶液作为中间热媒，其冰点温度最低为-48.3 ℃，远小于水的冰点温度，可以有效避免第二级热泵蒸发器的结冰、胀裂风险，最低可以实现中水1.5 ℃超低温排放。污水源热泵供暖系统工艺流程如图1所示。污水源热泵供暖系统由3个子系统组成，分别为热泵系统、供暖系统和补水系统。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.017.F001图1污水源热泵供暖系统工艺流程（1）中水侧。12.5 ℃的中水经中水循环泵进入一级污水源热泵进行放热，降温至7 ℃后进入水-乙二醇板换进行放热，乙二醇作为热媒将中水低品质热搬运至二级污水源热泵，最低可实现中水1.5 ℃排放。考虑中水单一热源存在中断风险，中水中断后热泵机组连续运行会导致乙二醇热媒温度降低，触发机组保护装置，导致停机。将空气-乙二醇翅片管式换热器和空气-乙二醇板换进行并联处理，中水中断后，将乙二醇热媒切换至空气-乙二醇翅片管式换热器，进行空气-乙二醇换热，实现机组持续平稳运行。（2）供暖侧。42 ℃的供暖回水经供暖水循环泵进入一级污水源热泵被加热至49 ℃，进入二级污水源热泵进行二次加热，最高可加热至56 ℃左右。56 ℃的供暖给水并联进入第一、第二小区进行供暖，第一、第二小区的回水降温至49 ℃，汇合进入第三小区进行二次供暖，二次供暖后供暖水降温至42 ℃，随后进入一级污水源热泵，依次循环。第一、第二小区末端形式为暖气片，对供暖水温度的要求较高；第三小区末端形式为地暖管，对供暖水温度要求较低。为了兼顾不同末端形式小区对供暖水不同温度需求，采用串联供暖方式。2.3设备选型主要设备清单及性能参数如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.017.T003表3主要设备清单及性能参数序号设备名称设备参数台数备注1污水源热泵Qi=3 400 kW22用2水-乙二醇板式换热器Qj=3 400 kW13空气-乙二醇翅片管换热器Qk=3 400 kW14中水循环泵Q=550 m³/h，H=34.3 m，N=75 kW21用1备5乙二醇循环泵Q=550 m³/h，H=21 m，N=45 kW21用1备6采暖循环泵Q=450 m³/h，H=30.6 m，N=55 kW42用2备7系统补水泵Q=35 m³/h，H=36 m，N=5.5 kW21用1备8软化水箱V=18 m³19软化水装置处理水量18 m³/h13改造效果及经济性分析3.1系统能效分析根据项目当地的供热条例相关规定，采暖季为每年11月10日至次年3月20日，共计约130 d。其中，温度高于-5 ℃的初、末寒期及次寒期约75 d，温度低于-5 ℃的严寒期约55 d。初、末寒期及次寒期，一级污水源热泵机组平均能效比为4.9，二级污水源热泵机组平均能效比为3.7，一级热泵机组全天24 h 100%负荷运行，二级热泵机组不运行；严寒期一级污水源热泵机组平均能效比为4.7，二级污水源热泵机组平均能效比为3.5，一、二级热泵机组全天24 h 100%负荷运行。系统运行数据及费用如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.017.T004表4系统运行数据及费用表项目污水源热泵中水循环泵乙二醇循环泵采暖循环泵初、末寒期及次寒期运行台数1102运行负荷/%100100/100运行功率/kW693.975.0/110.0运行时长/(h/d)2424/24运行天数/(d/a)7575/75耗电量/万kWh124.913.5/19.8严寒期运行台数2112运行负荷/%100100100100运行功率/kW1 694.875.045.0110.0日运行时长/(h/d)24242424年运行天数/(d/a)55555555耗电量/万kWh223.79.95.914.5电费单价/(元/kWh)0.61运行费用/万元251.5供暖面积/万m213.37供暖运行成本/(元/m2)18.81注：电费单价采用山东一般工商业用电平段电价。3.2节能分析改造前小区供暖采用天然气热水锅炉方式，改造后小区供暖改为污水源热泵方式，燃气锅炉作为紧急备用热源。对燃气供暖和热泵供暖进行节能对比分析，以期为项目推广及运营提供理论与数据支撑。单采暖季燃气锅炉天然气耗量为：V锅炉=3 600×Q×hη×θ×H (3)式中：V锅炉——锅炉单采暖季天然气耗量，Nm3；Q——小区供暖总热负荷，kW；h——供暖时长，3 000 h；η——燃气锅炉热效率，取0.96；θ——供热管网热效率，取0.95；H——天然气低位发热量，38 259 kJ/Nm3。污水源热泵供暖系统需使用电力驱动，系统耗电量折算成天然气耗量为：V热泵=3 600×Q热泵ζ×θ×H (4)式中：V热泵——系统耗电量折算单采暖季天然气耗量，Nm3；Q热泵——系统耗电量，kWh；ζ——火力发电效率及电力输送效率总和，取0.33；θ——供热管网热效率，取0.95。系统节能减排计算结果如表5所示。污水源热泵供暖系统单采暖季可节省燃气耗量84.6 万Nm3，CO2排放量减少1 661.2 t。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.017.T005表5污水源热泵供暖系统节能减排计算结果项目数值燃气锅炉燃气耗量/(万Nm3/采暖季)208.3污水源热泵耗电量/(万kWh/采暖季)412.3折算燃气/(万Nm3/采暖季)123.7节省燃气耗量/(万Nm3/采暖季)84.6CO2减排量/(t/采暖季)1 661.2注：1 Nm3天然气完全燃烧可产生1.964 kg CO2。3.3技术经济分析不同供暖方式经济对比如表6所示。根据目前项目当地燃气价格及一般工商业用电单价，采用天然气锅炉供暖方式供暖运行成本高达70.12元/m2，而采用污水源热泵供暖方式可将运行成本控制在18.81元/m2左右，低于当地采暖费收费标准4.19元/m2，实现扭亏为盈。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.017.T006表6不同供暖方式经济对比项目供热方式燃气锅炉污水源热泵主设备投资/万元70.168322.065供暖收入供暖面积/(万m2)13.37供暖单价/(元/m2)23总计/(万元/采暖季)307.51运行成本燃气耗量/(万Nm3/采暖季)208.33—燃气单价/(元/Nm3)4.5—运行费用/(万元/采暖季)937.48251.49供暖运行成本/(元/m2)70.1218.81利润/(万元/采暖季)-629.9656.02投资回收期/年—5.7燃气锅炉供暖初投资较少，但运行成本较高，且受气源限制，无法保证稳定高效供暖，项目改造后作为备用热源使用；污水源热泵供暖初投资较大，但其运行成本低，投资回收期约5.7年。4结语（1）与传统单一污水源热泵供暖工艺相比，采用双级污水源热泵+乙二醇换热器结构工艺，可以有效实现污水低品质热的高效梯级利用，降低第二级热泵蒸发器因中水温度过低导致的结冰、胀裂风险，最低可实现中水1.5 ℃超低温排放。（2）供暖侧针对不同末端形式、不同温度的供暖水需求，采用梯级降温供暖工艺，实现小流量、大温差供暖，用户侧最终可达14 ℃供暖温差。（3）燃气锅炉由于当前较高的气价一直亏损，与燃气锅炉供暖工艺相比，污水源热泵供暖工艺采用电能驱动，不受天然气价格及气量限制的影响，供暖稳定性较好；虽然热泵供暖主设备初投资较大，但运行成本较低，可盈利4.19 元/m2。