根据有关医院能耗调查资料[1]，空调系统占医院建筑用电比例占全年能耗的 54%，生活热水及供暖消耗燃气占全年用气量的 54.8%，因此医院管理者和设计师积极寻求性价比高的节能技术，以期降低医院建筑能耗、减少运行费用。热回收技术、三联供、地源热泵、太阳能等节能技术在医院中越来越多地得到运用[2]，但医院排污污水热能利用比较少见。大型医院的污水来源复杂，包括生活污水、医疗废水等，排放量大且流量稳定，其中蕴涵丰富的低位热能，因而具备了采用污水源热泵系统的条件。污水水质、污水温度、污水含菌量和含氯量等均有别于常规的城市污水。污水源热泵系统污水源侧的水质处理、换热方式以及热泵供冷供热系统均应该结合医院建筑特点进行分析和设计。

1 污水源热泵的应用

1.1 污水源热泵特点

污水源热泵系统利用污水处理厂中水或原生污水作为热源进行冬季供热、夏季供冷和全年供应生活热水，具有热量输出稳定、机组性能高等特点。污水源主要为污水处理厂的中水或排污管内的原生污水，城市污水全年温度在 10～25℃之间，供暖时水温比地表水高 3～5 K，供冷时比空气温度低 10～15 K[3]，是一种蕴涵丰富低位热能的可再生热能资源。与地表水源热泵、地源热泵、风冷热泵等热泵系统相比，污水源热泵具有较高的能效比。

李小树在“啧巴”嘴的时候，我一下子又想起许春花。许春花在洋娃娃不吃东西的时候，也会把嘴弄得“巴啧、巴啧”响，只不过她在“巴啧”时，通常都会皱着眉头。

城市原生污水成分复杂，含有多种悬浮物质、絮状物、油脂、固体颗粒及生活垃圾等，污水源热泵换热器存在堵塞、污染和腐蚀等三大问题。经过沉淀、过滤、消毒灯处理后达到排放标准的中水，如水质较好则不存在以上问题。

1.2 污水源热泵的应用现状

按污水是否直接进入热泵机组的蒸发器或冷凝器划分，可分为直接式利用和间接式利用[4]。当利用原生污水作为热源时，为避免垃圾堵塞热泵蒸发器或冷凝器，大多采用间接式利用的换热方式。当利用生化处理后的污水即中水时，可采用直接式利用的方式，以提高热泵的能效比。常用的污水换热方式有 3 种，即浸泡式、淋水式和壳管式[4] 3 类。淋水式和壳管式大多用于规模大的系统，系统较为复杂。浸泡式分为直接利用和间接利用两种方式，直接利用方式是将蒸发器或冷凝器浸泡在污水池中，换热管道中采用制冷剂循环；间接利用方式是将换热管束浸泡在污水池中，中介水在污水池中换热后被输送到热泵机组的蒸发器或冷凝器中进行二次换热。对于采用自然对流换热方式的浸泡式换热效率低，同样换热量时，相对于强制换热的其他换热方式，换热盘管需占用较多池面，因而适用于规模小的系统。

对该医院总院正在运行中的污水处理站排放污水水温状况进行了为期 1 年（2013 年 6 月～2014 年 5 月）的现场测试。测试结果如图 1 所示。

1.3 污水源热泵在医院应用的可行及现状

1.2.3 质量控制 进行预调查后对调查表反复修改；挑选并培训调查员( 医学本科学历)，统一调查方法；对回收的调查表进行校正、编码并输入计算机后进行逻辑检查。

第四军医大学西京医院将一级污水净化处理改造为二级污水净化处理时，增加了污水源热泵系统，为建筑面积共25 000 m2 的消化病医疗大楼提供了空调冷热水[5]。同济大学马晓琼在上海市某医药住院部大楼改造设计中，采用污水源热泵与太阳能联合供生活热水系统[6]。长沙融城医院采用了一种地源热泵+污水源热泵+冷却塔散热的复合型空调系统[7]。以上项目均采用板式换热器间接利用方式，获得了较好的经济效益，但仍存在中介水循环泵耗能问题及医院污水泄漏的隐患。

2 工程概况

根据以上分析，蒸发器浸泡式具有无污水泄漏的优点，因而得以采用。为了提高浸泡式蒸发器的换热能力，在浸泡污水池中增加一套强制水流扰动装置。为了应对污水脱氯系统失效导致的腐蚀可能性，浸泡式蒸发器采用耐磨耐腐蚀的镍铜合金换热管。污水源热泵原理图如图 3 所示。

根据医院功能要求，医院的空调冷热源设置为 3 个系统：（1）急门诊、医技、康复治疗中心采用电制冷冷水机组+燃气热水锅炉，锅炉同时为整个医院提供生活热水；（2）2 栋住院楼采用土壤源热泵系统+污水源热泵系统，污水源热泵全年运行，污水源热泵过渡季节供应生活热水预热；（3）行政管理与培训中心楼采用多联机空调系统，以适应办公区域使用灵活方便的要求。

二是人口增长因素。有利面是我国人口增长速度得到了有效控制，节水理念得到了一定程度的普及，减轻了资源压力；人口空间流动改善了部分地区的资源过载状况。不利面是人口持续增长，农田灌溉系数仍较低，城市人口舒适性需求持续提升，水资源缺口依然很大。

3 医院污水利用分析

医院污水来源及成分复杂，含有病原性微生物、有毒、有害的物理化学污染物和放射性污染等，具有空间污染、急性传染和潜伏性传染等特征，如不经有效处理会成为一条疫病扩散的重要途径和严重污染环境。因此，在利用污水源作为热泵的热源来源时，需对以上风险进行充分分析，并在系统设计时予以重视。为了确定污水源热泵的利用形式和冷热量规模，设计前对医院污水源的可利用流量、水质、水温进行了测试分析，并对污水处理流程进行分析。

3.1 污水水质

本医院为肝胆外科为主的三级甲等专科医院，产生污水的主要来源为诊疗室、各类检验室、病理解剖室、病房、X光照相洗印、同位素治疗诊断、手术室等排水，以及医院行政管理办公、食堂、宿舍排水。医院污水种类为生活污水、含菌废水、重金属废水、含油废水、洗印废水、酸碱性废水、放射性废水等。其中生活污水、含菌废水直接进入污水处理站进行处理，重金属废水、酸碱性废水经过物化处理消除毒性后进入污水处理站，含油废水经过隔油处理后排入污水处理站，放射性废水进入衰变池单独处理。

(3) 对任意B,C∈Γ(CSI(X)),若F⊆B∪C,由τCSI⊆τ,故B,C∈Γ(X),又F∈CIrr(X),于是F⊆B或者F⊆C,从而F∈CIrr(CSI(X))。

经过处理后的水质标准达到 GB 18466—2005《医疗机构水污染物排放标准》中预处理标准（见表 1）。

国务院于1994年颁布的《种畜禽管理条例》第15、16条规定，生产经营种畜禽的单位和个人，必须向县级以上人民政府畜牧兽医行政主管部门申领《种畜禽生产经营许可证》、申领《种畜禽生产经营许可证》必须具备符合良种繁育体系规划布局要求，所用种禽合格、优良，来源符合技术要求，并达到一定数量，要相应的畜牧兽医技术人员，有相应的防疫措施，有相应的育种资料和记录。因此各级畜牧业兽医行政管理部门只有严格按照《种畜禽管理条例》的规定加强管理，才能及时掌握和了解本地区种畜禽来源、品系情况。从而保证种畜禽品种质量，促进养殖业的健康发展。

 

表1 GB18466—2005《医疗机构水污染物排放标准》

  

序号 控制项目 预处理标准 序号 控制项目 预处理标准1粪大肠菌群数/（MPN/L） 500 12 色度/稀释倍数2肠道致病菌13 挥发酚/mg·L-1 1.0 14 总氰化物/mg·L-1 0.5 4 pH 值 6～9 15 总汞/mg·L-1 0.05 3肠道病毒5 化学需氧量/CODCr 浓度/mg·L-1最高允许排放负荷（g/床位） 250 250 16 总镉/mg·L-1 0.1 6生化需氧量/BOD5 浓度/mg·L-1最高允许排放负荷（g/床位） 100 100 17 总铬/mg·L-1 1.5 7悬浮物/SS 浓度/mg·L-1最高允许排放负荷/（g/床位） 60 60 18 六价铬/mg·L-1 0.5 40 19 总砷/mg·L-1 0.5 9动植物油/mg·L-1 20 20 总铅/mg·L-1 1.0 10 石油类/mg·L-1 20 21 总银/mg·L-1 0.5 11 阴离子表面活性剂/mg·L-1 10 22 总余氯/mg·L-1 0.5 8氨氮/mg·L-1

对采用二级生活处理工艺的该院总院的处理后的污水取样测试，得到水质指标如下：pH 值为 7.09～7.26；浊度为 84.7～115.9 NTU；氯离子为 89～134 mg/L，游离氯为1.29～1.37 mg/L。

在上海这个大都市生活了三年多，可颜晓晨还从没有去过大商场买衣服，又是人生中第一次买正装，她想在预算之内尽量买一件质量好的，却完全没有头绪该去哪里。

根据 GB/T 29044—2012 《采暖空调系统水质》规定，集中空调间接供冷开始循环冷却水系统水质必须满足：pH 值在 7.5～9.5 之间；浊度 ≤ 20 NTU，当换热设备为板式、翅片管式、螺旋板式时，浊度需 ≤ 10 NTU；氯离子≤ 500 mg/L，游离氯 0.05～1.0 mg/L。因此，医院处理后的污水存在浊度及游离氯含量偏高现象，需进行适当处理或采用合理的换热方式才能用于污水源热泵。

大型医院一般均设有二级污水生化处理站。其出水经过二次沉淀和生化处理，水质达到污水处理厂二次出水标准。医院污水处理设施一般设置在医院院区内，室内用水点排放至处理池的距离较短，冬季温度损失相对于其他城市污水热泵系统更小，即冬季制热时可利用的污水温度更高，并且可采用直接式换热，因而医院采用污水源热泵系统的经济性更为优越，系统可更简单。

3.2 污水水温

国内使用实例以宾馆、办公、厂房等建筑为主，大部分系统从排污干渠中抽取原生污水。为避免堵塞热泵机组换热器只能采用间接式系统，由于将近 5 K 换热温差的存在，热泵机组效率将损失 10% 左右。经过污水处理厂处理的二次出水或中水的水质较好，但于污水处理厂往往位于城市郊区，且远离民用建筑，空调冷热水远距离的管道输送使系统的经济性变差，因而常常局限于厂区内部的使用。

997 支架取栓器机械取栓治疗前循环远端血管闭塞的疗效观察 邢鹏飞，李子付，李 强，赵 瑞，方亦斌，赵开军，戴冬伟，杨鹏飞，张永巍，刘建民

  

图1 污水逐时温度

全年污水水温的日平均值在 12.2 ～31.7 ℃之间波动。全年污水温度最高在 8 月，平均水温为 30.8 ℃，最冷月为2 月，月平均值为 14.1 ℃。测试结果表明，该医院污水温度为 12.2～31.7 ℃，在此温度范围内波动，符合美国制冷学会 ARI 标准中开式水源热泵系统对水源温度 5～38 ℃ 的要求[8]。

3.3 处理流程

医院产生的污水在化粪池沉淀处理后，经过格栅去除其中的大颗粒杂物，然后进入调节池，进行水量水质的均质调节。在生化池中，污水中的有机物大部分被降解为 CO2 和H2O，少部分转化为活性污泥。污水处理流程图如图 2 所示。

生化池产生的污泥及水中原有的不溶性小颗粒悬浮物随出水自流入后续的沉淀池中，沉淀池上清液溢流进入消毒池中。清水经二氧化氯消毒后，流入清水池（热泵原水池），排放水质达到 GB 18466—2005 中的预处理标准后，再进入排放池排放到市政管网。

本项目污水二级生化处理站的全日污水处理及排放量为1 408.5 m3，每小时污水处理量为 65 m3/h，此流量即污水源热泵的可资用流量。

  

图2 污水处理流程图

为了解决含氯和含菌的问题，增加了脱氯池和热泵原水池。含菌污水在消毒池中加氯消毒，再流入脱氯池中，加入脱氯剂进行脱氯处理，降低了热泵污水侧的管路及热泵换热器被氯离子腐蚀的风险性。为确保污水处理站运行安全可靠，在污水管网上设置余氯自动检测装置，随时监控污水处理效果，确保污水不造成二次污染。

（4）要正确合理选择分片刚性楼盖和整体非刚性楼盖的结构抗震设计计算模型，比如楼板在大震下不能处于基本弹性状态时，要先研究出合理的计算模型后再进行抗震设计验算。

3.4 污水处理量

采用常规的二级生化处理时，加氯消毒后的出水余氯含量为允许范围为 2～8 mg/L。如直接将此水输送至热泵系统，为防止氯离子的腐蚀，热泵换热器需将铜管该为钛合金管，设备投资增加 20% 左右，如果在消毒池前道工序（二沉池）内取水，污水中含有大量的病菌，在热泵系统中容易造成二次污染。

4 污水源热泵系统设计

病房大楼的主要空调冷热源为土壤源热泵系统，由于可利用的污水量有限，污水源热泵提供的冷热负荷只能作为主要冷热源的补充。污水源热泵系统设计包括污水源侧系统和用户侧系统设计。污水源侧系统设计主要包括换热方式的确定、可利用污水量确定和防堵塞、防污染、防腐蚀处理措施等。

4.1 污水源侧系统设计

本工程处理站污水处理量为 65 m3/h，考虑到污水排污量存在高峰和低谷等不确定性，热泵污水可用污水流量按50 m3/h 确定。冬夏季换热温差均为 5 K ，热泵原水池容量为 50 m3，可满足热泵运行 1 h 所需的污水量，以保证当进入污水站的污水量不足时，热泵机组仍然平稳运行。

污水经过格栅过滤及调节池、生化处理池、二次沉淀池等多个水池的沉淀过滤作用，其中的固体悬浮物基本上得到清除，水质杂质较少。因此，采用直接换热的方式，以得到更高的热泵机组能效比。

污水直接换热方式一般为蒸发器浸泡式和污水进入蒸发器换热式。前者将蒸发器换热铜管直接浸没于污水池中，管外污水与管内制冷剂直接换热，系统简单。该系统回避了水质差导致的换热管道堵塞问题和污水泄漏问题，因而相对安全可靠。由于换热铜管与污水之间是自然对流换热，换热温差小，换热系数低，一般用于工程规模小的场合。后者则通过循环水泵将污水输送到热泵机组的蒸发器或冷凝器进行强制换热，换热系数高，但机组蒸发器或冷凝器受污水水质影响，水泵输送能耗增加，并且存在污水泄漏的隐患。

上海东方肝胆外科医院安亭院区工程东区由 2 幢 13 层病房楼（建筑高度 58.1 m）、1 幢 4 层医技楼（建筑高度20.4 m）、1 幢 8 层康复治疗中心/健康体检中心楼（建筑高度 36.4 m）、1 幢 4 层行政管理与培训中心楼（建筑高度17.2 m）及其他配套设施组成。一期病房 1 000 床，同时预留二期病房 500 床，门诊人数 4 000 人，医护人员 2 500人。在病房楼地下室建有污水二级生化处理站 1 座，处理量为 2 500 m3/d。处理后的合格水体排入市政污水管网，污泥经消毒和脱水处理后外运。

尽管夏冰很小心，衣服还是不时被花枝勾住，偶尔还会撞上一张湿漉漉的蛛网。走了十来米，终于穿出花丛，前面是一片草坪。草坪中央，四根砖柱顶着一个平台。一侧有台阶通到平台上。

  

图3 污水源热泵原理图

4.2 用户侧系统设计

根据热泵污水循环水泵流量 50 m3/h，确定选用 1 台制冷量为 214 kW、制热量为 295 kW 的污水源热泵机组。机组冬季提供 45/40 ℃ 的空调热水，夏季提供 7/12 ℃ 的空调冷水。在过渡季节，通过管路切换，热泵机组为病房楼生活热水进行预热。

由于热泵机组冬季供热、夏季供冷，存在工况转换的需要，热泵采用四通换向阀的换向来实现制热工况和制冷工况的转换。

5 节能减排效果

污水源热泵机组供冷量及供热量相对较小，并且其能效比比土壤源热泵高，可全年满负荷工况运行。

夏季供冷运行时间为 150 d（5 月 15 日～10 月 15日），冬季供热运行时间为 90 d（12 月 1 日～3 月 1日），过渡季节生活热水预热时间为 120 d，平均电费为1.0 元/kWh。冬季总供热量为 637 200 kWh，过渡季节供热量为 354 000 kWh，供热时耗电量为 238 560 kWh，供热用电费用为 23.86 万元。

如采用热水锅炉，冬季及过渡季节天然气耗气量为112 735 m3，每立方米天然气价格按 4.0 元计，则供热用气费用为 45.09 万元。

因此，污水源热泵全年供热运行可节约 22 万元左右，节约的能量折算为标煤 107 t，同时减少约 314 t 的 CO2 排放量。

6 结 语

对于采用二级生化污水处理的医院，其污水经过化粪池、调节池、初沉池、二沉池等多个水池的沉淀处理，污水中的固体悬浮物得到有效地去除，其水质在物理指标上达到中水标准，因而可以采用系统简单、能效比更高的直接式换热热泵系统。连续运行的污水处理系统，其污水处理量比较小，热泵的制冷量、供热量同样较小，适合采用冷凝器浸泡式污水利用方式，并且无污水泄漏的风险。

污水日平均值在 12.2～31.7 ℃ 之间波动，相对稳定。与地表水源热泵及风冷热泵相比，污水源热泵机组的供热能效比具有较大的优势。污水源热泵在冬季提供空调供热，在过渡季节为生活热水预热，可减少锅炉供热量，节约不菲的运行费用，并减少了 CO2 的排放。

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