污水源熱泵為污水廠(chǎng)供熱的應用研究

第27卷第17期中國給水排水Vol 27 No. 1720L1年9月CHINA WATER WASTEWATERSep 2011污水源熱泵為污水廠(chǎng)供熱的應用研究邳春英,劉康,鄭杰,黃登躍,高文寶2,李育宏2(1.中天環(huán)能<天津>工程技術(shù)有限公司,天津300191;2.天津中水有限公司,天津300190)摘要:城市污水中蘊含著(zhù)大量的低品位熱能,近年來(lái)熱泵技術(shù)的發(fā)展為提取這些低品位能源提供了直接條件。對天津紀莊子再生水廠(chǎng)的采暖系統進(jìn)行了改造,改造目的主要是:改善原有采暖系統的供熱效果;為二級處理出水應用于熱泵采暖系統積累數據,以便于將來(lái)的大規模推廣應用。此次改造采用高溫型熱泵機組替代原有的采暖鍋爐,并對末端及機房設備加以部分調整。改造后采暖效果相比鍋爐采暖明顯得到改善。同時(shí)監測記錄了全年的二級處理出水水溫,為熱泵系統在城市污水領(lǐng)域的應用提供了基礎數據。關(guān)鍵詞:二級處理出水;污水源熱泵;采暖改造中圖分類(lèi)號:X703文獻標識碼:C文章編號:1000-4602(2011)17-0091-05Application Research of Sewage Source Heat Pump for Heating of WWTPPI Chun-ying, LIU Kang, ZHENG Jie, HUANG Deng-yue,GAO Wen-bao2LI Yu-hong1. Zhongtian Environment and Energy Tianjin> Technology Co. Ltd, Tianjin 300191, China;2. Tianjin Reclaimed Water Co. Lid, Tianyin 300190, ChinaAbstract Municipal sewage contains a lot of low quality thermal energy, the development of heatpump technology has facilitated the use of it in the past years. In order to improve the efficiency of exist-ing heating system, collect data for application of secondary effluent in heat pump system and apply thistechnology widely in the future, the heating system of Jizhuangzi Reclaimed Wastewater Treatment Plantin Tianjin was reconstructed. In this project, the original heating boiler is replaced by high-temperatureheat pump unit, and some terminal devices and air-handling units are changed. The heating efficiency isimproved significantly compared with boiler heating. Meanwhile, the temperature of the secondary effluent was monitored for a whole year, which provides foundational data for the application of heat pump sys-tem in municipal sewage fieldKey words: secondary effluent; sewage source heat pump: heating reconstruction紀莊子污水廠(chǎng)是天津市大型生活污水處理廠(chǎng),管,接自紀莊子污水廠(chǎng)的供暖熱網(wǎng),接口處壓力為由于工業(yè)污水量少,污水水質(zhì)相對穩定,這就為其在0.3~04MPa。再生水廠(chǎng)總建筑面積為5448m2水源熱泵方面的利用提供了良好前提。再生水廠(chǎng)是其中綜合辦公樓的面積為1178m2、廠(chǎng)房車(chē)間的面為污水廠(chǎng)二級出水做進(jìn)一步處理的獨立單位,工藝積為4329m2。由于再生水廠(chǎng)的處理工藝要求,為廠(chǎng)房的溫度有各自的要求,原采暖系統熱源是污水保證產(chǎn)水水量,在冬季對工藝廠(chǎng)房的溫度有一定要廠(chǎng)燃氣鍋爐,熱媒為70~95℃的熱水,末端為4柱求,比如辦公樓和值班室設計溫度應為18℃,加氯鑄鐵813型散熱器,采用上供下回式采暖系統。供和加藥間、臭氧車(chē)間和CMF凈水間溫度為15℃,其熱管道的埋深為0.8~1.0m,采用直埋式預制保溫他工藝車(chē)間溫度為12℃。因為再生水廠(chǎng)為采暖系·91·第27卷第17期中國給水排水www.watergasheat.com統的末端,部分工藝廠(chǎng)房的溫度不能保證,為了改善經(jīng)計算,水廠(chǎng)的總熱負荷為500.5kW。根據表這部分廠(chǎng)房的采暖效果以及對二級出水低位熱能應1可知紀莊子再生水廠(chǎng)除了綜合樓門(mén)衛等個(gè)別建用的目的,擬采用污水廠(chǎng)二級出水作為熱源的水源筑,大部分建筑屬于空間較大的生產(chǎn)車(chē)間,這對于建熱泵系統4取代原來(lái)的鍋爐采暖形式。筑采暖是最不利的。因為在建筑內部,熱空氣很容1資料的搜集與整理易往上走,而需要熱量的人員、設備基本都在地面1.1低溫熱源情況上。所以,高空間建筑即使設計了足夠的采暖熱量此項目成敗與否的關(guān)鍵因素之一是污水這一低往往感覺(jué)不到很好的效果。溫熱源能否滿(mǎn)足設計要求。二級出水水質(zhì):氯化物以CMF凈水車(chē)間為例,原設計以70~95℃為(C)≤400mg/L;BOD3≤30mg/L;COD≤100供/回水參數設計的采暖系統,安裝了380片鑄鐵mgLo水中懸浮物成分:5mm~2cm的塑料布,韌813型散熱器。如果改為低溫水源熱泵供暖,供暖性極強;毛發(fā);藻類(lèi)懸浮物(纖維狀絲)。從歷年的參數為40~50℃的供回水溫度,散熱器需要增加水溫數據可知,在最冷月份二級出水的最低溫度也到110片,增加了720片。最終選擇了高溫水源保持在12℃以上。熱泵,供暖參數可達到55~65℃,CMF車(chē)間的散熱1.2原有熱源情況及末端設備供熱能力器數量需增加到650片。所以,考慮到低溫水供暖原熱源為污水廠(chǎng)熱水鍋爐,出水溫度為70~95的特點(diǎn)及熱負荷的計算原暖氣系統不進(jìn)行調整進(jìn)℃,查閱2003年和204年的鍋爐系統運行資料鍋凈水間的主管由原來(lái)的DN50調整為DN80,在爐房供給的熱水到達中水廠(chǎng)的總控制閥門(mén)前的溫度DN80主管上分出兩根DN65水管增加8臺制熱量最高時(shí)達到65℃,工作壓力在0.15-0.2MPa,這為16kW的高靜壓風(fēng)機盤(pán)管進(jìn)行強制送暖風(fēng),由于樣的供暖條件,除供熱區域中位置較高的部分房間氣流的強制流動(dòng),可達到比增加散熱器更好的效果。溫度稍低外,其他區域基本能達到供熱要求。其他車(chē)間建筑由于空間及工藝的要求,只相應原有建筑的裝修格局和供暖設備已經(jīng)定型,為增加散熱器數量便可。4柱鑄鐵813型暖氣片,各供熱區域的參數及供熱比較特殊的情況是綜合樓的采暖系統,它是上要求見(jiàn)表1(室外溫度取-9℃)。供下回的單管系統。經(jīng)過(guò)計算建筑耗熱量,再對比衰1紀莊于再生水廠(chǎng)的熱負荷設計值單管系統各樓層散熱器的散熱量,在供暖參數為50Tab. 1 Heat load design value of Jizhuangzi Reclaimed65℃時(shí),得出系統流量應為0.15m3/(h·片)。Wastewater Treatment Plant原來(lái)的管道設計也能滿(mǎn)足流量要求,綜合樓散熱器建筑面釆暖面設計溫采暖負增加散1比較如下:三樓需要散熱器數量為12片,原散熱器項目m積m度℃荷八W熱器/片數量為15片;二樓需要散熱器數量為12片,原散熱混合反應池789130126器數量為15片;樓需要散熱器數量為15片,原散膜車(chē)間768768151468臺風(fēng)盤(pán)熱器數量為15片(16kW/臺)綜上可知,采用高溫型水源熱泵時(shí),對綜合樓基空壓機/鼓風(fēng)機房2952951228臭氧間175175122065本不需要改造;對部分車(chē)間,雖然原設計供暖負荷偏濾站7417411285大,原設計采暖熱媒為70~95℃的熱水,如果改為「加氯間242242152850-65℃的熱水,則需要增加一定量的散熱器。加藥間233233152550從上述資料分析可知生活區送水泵房143|1431214①二級出水能達到直接進(jìn)入熱泵機組蒸發(fā)器工業(yè)區送水泵房1541541218主變電站的條件,但水中的懸浮物必須在進(jìn)入熱泵之前做過(guò)10分變電站1271018濾處理庫房2601001210②污水二級出水的水溫情況在冬季較穩定,綜合樓173811781810是水源熱泵系統很好的低溫熱源。門(mén)衛③現有建筑內的采暖方式不做大的調整,熱總計5448426500.5源換成水源熱泵后,要想達到原有的供熱水平,首先92www.watergasheat.com邳春英,等:污水源熱泵為污水廠(chǎng)供熱的應用研究第27卷第17期供熱的出水溫度不能過(guò)低應基本維持在65℃的最污水合理階梯形綜合利用提供相關(guān)的數據和經(jīng)驗高出水溫度;同時(shí)供熱壓力要有一定的提高以解決由此希望取得以下幾個(gè)方面的試驗數據:整個(gè)系統位置較高房間溫度低的問(wèn)題;有些高大廠(chǎng)房的供熱的能耗情況數據(主要是電能);整個(gè)系統供出的熱末端設備需要有一定的調整。能數據;設備運行、維護的成本數據;供熱質(zhì)量的效2技術(shù)方案的形成果分析。2.1熱泵設備的選擇②測點(diǎn)選取基于以上前提條件,選擇清華同方高溫型水源針對以上目的在工藝測點(diǎn)的檢測方面擬取如下熱泵機組,最高出水溫度可達到70℃,同時(shí)蒸發(fā)器測點(diǎn)耗電電能的計量;采暖熱水的供水溫度供水和冷凝器全部為殼管式換熱器。壓力、回水溫度、回水壓力(供水流量)的監測;污水校核原有末端設備的供熱能力(見(jiàn)表1)。側的供水壓力、供水溫度、回水溫度(供水流量)的系統總的供熱負荷在500kW左右,考慮到設監測;若干典型的室內溫度以及室外環(huán)境溫度的監計溫度為-9℃,則取09的負荷系數匹配熱泵機測;熱泵機組的運行狀況、報警狀態(tài);循環(huán)水泵、污水組。選用HGHP220型機組2臺,技術(shù)參數如下:制泵的運行狀況。熱量為218kW、功率為53kW;制冷量為180kW功自動(dòng)控制率為43kW;制冷劑為R34a;能量調節范圍為0~a.供/回水溫度的控制50%~100%(分兩次調節)。供/回水溫度是保證供熱質(zhì)量的主要參數,也是2.2污水用水量計算影響系統運行成本的一個(gè)主要參數。供/回水溫度根據G,=0.86(Q,-N)/△T,計算污水用量,其的自動(dòng)控制主要由系統中的兩臺熱泵機組完成。每中Q為水源中央空調系統主機制熱量,kW;N為水臺機組均有負責自動(dòng)控制的可編程控制器(PLC),源中央空調主機電功率kW;△T,為水源水進(jìn)出中通過(guò)PLC設定的供/回水溫度,分別控制兩臺熱泵央空調主機溫差,℃C。按照溫差為4℃計算得污水上的4臺壓縮機(每臺熱泵控制兩臺壓縮機)的開(kāi)用量為71m3/h,采用“大流量、小溫差”的原則,選啟順序及開(kāi)啟數量,來(lái)達到平衡供/回水溫度、節約擇2臺潛水排污泵,其流量為93.5m3/h、揚程為能源的目的。下面簡(jiǎn)單介紹一下兩臺熱泵機組(分240kPa(24m)、功率為11kW,一用一備。別記為12“機組)的開(kāi)啟順序及能量輸出的控制。2.3熱循環(huán)側水量計算1°設定溫度為X1-Y1℃、2設定溫度為X2~Y2℃根據G=0.86Q/ΔT計算熱泵冬季空調系統每臺機組的能量調節為:0~50%~100%。每的循環(huán)水量,其中Q為水源中央空調系統主機制熱臺機組上有兩臺壓縮機,主要是依靠調節機組的回量,kW;△T為冷凍水進(jìn)、出中央空調主機溫差,℃。水溫度來(lái)調節壓縮機的開(kāi)啟臺數,機組控制溫度為:按照溫差為10℃計算得到熱泵冬季空調系統循環(huán)(回水溫度±Z)℃(這個(gè)值是可調的),每臺機組的水量為375m3/h,因此選擇3臺循環(huán)泵,其流量為單個(gè)壓縮機開(kāi)啟與否是根據回水溫度每升高或降低216m3/h揚程為260kPa(26m)、功率為22kW,(Z/2)℃來(lái)調節的。二用一備。描述機組降載荷的過(guò)程如下:24過(guò)濾器的選擇當回水溫度升高到[X1+(Z/2)]℃時(shí),·機組二級出水中含有的懸浮物要在進(jìn)入機組前除的01號壓縮機停止工作;當溫度繼續上升至(X1+去,那么選擇合適的過(guò)濾器很關(guān)鍵。為了控制改造Z)℃時(shí),02號壓縮機停止工作成本,不選用全自動(dòng)清洗過(guò)濾器,只有設計成備用過(guò)當回水溫度升高到H2+(Z2)]℃時(shí)2機組濾器和管路才能解決在不停機情況下過(guò)濾器的清洗的01號壓縮機停止工作;當溫度繼續升高至(X2+工作。Z)℃時(shí),02號壓縮機停止工作2.5儀表自動(dòng)化控制方案描述機組升載荷的過(guò)程如下①數據采集當回水溫度降到[X2-(Z/2)]℃時(shí),2"機組的本工程在立項初期的宗旨是在保證供暖實(shí)現無(wú)02號壓縮機開(kāi)始工作;當溫度繼續下降至(x2-Z)人值守的同時(shí),還要采集、整理出運行數據,為今后℃時(shí),01號壓縮機開(kāi)始工作。93第27卷第17期中國給水排水www.watergasheat.com當回水溫度降到[X1-(Z/2)]℃時(shí),1機組的管溫度計,則蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)、出水溫度在顯示屏2號壓縮機啟動(dòng)工作;當溫度繼續降至(X1-Z)℃上都有顯示。同時(shí)記錄1”、2“熱泵機組二級出水進(jìn)、時(shí),01號壓縮機啟動(dòng)工作,開(kāi)始滿(mǎn)負荷運行。出蒸發(fā)器的溫度數據,由于流量分配的原因,熱泵系b.供暖系統供/回水壓力的控制統提取污水中的熱量不同,即二級出水進(jìn)、出蒸發(fā)器供暖系統的供/回水壓力也是影響系統供熱質(zhì)的溫度變化不同,選取典型年份(2006年冬季剛運量的一個(gè)主要參數?？紤]到本項目的試驗性及投資行和200年冬季的惡劣天氣)1、2"熱泵機組的溫成本,供暖循環(huán)泵未采用變頻的控制方式,由于采用度變化趨勢進(jìn)行說(shuō)明。了定流量供水的方式,通過(guò)對回水壓力的控制即可2006年冬季系統剛運行時(shí)12“熱泵系統正常達到對供水壓力的控制,所以本系統采用對回水壓運行的溫度參數達到設計要求,并優(yōu)于設計參數力進(jìn)行位式控制。(12/8℃),其中1“熱泵系統的進(jìn)、出水溫差M1在4c.污水泵的控制℃左右,2“熱泵系統的進(jìn)、出水溫差△2在3.2℃左污水泵在本系統中的地位很重要,所有污水熱右?，F場(chǎng)采用超聲波流量計測得二級出水平均總流能的傳輸都是通過(guò)污水泵來(lái)實(shí)現的。它的運行平穩量為100m3/h,其中1熱泵機組為40m3h、2熱泵性決定了整個(gè)熱泵系統的平穩性,同時(shí)考慮到潛水機組為60m3/h,則計算得到從二級出水中提取用排污泵的特性,為此選擇了兩臺污水泵間歇運行的于供暖的低位熱能為409kW,即該系統從污水中提方式,自動(dòng)定時(shí)切換,定時(shí)的時(shí)間長(cháng)短可根據實(shí)際水取低位熱能的能力為409kW。質(zhì)情況和潛水排污泵本身的性能現場(chǎng)合理設定在2009年冬季漫長(cháng)而惡劣的條件下,二級出水d計量系統輸出的熱能進(jìn)、出熱泵蒸發(fā)器的平均溫度分別為14、1℃,其中為了考察系統的合理性及經(jīng)濟性需要計量系1熱泵系統的進(jìn)出水溫差△t1‘在3.8℃左右,2"熱統的輸出熱能。熱能的計量是通過(guò)間接方式實(shí)現泵系統的進(jìn)出水溫差Mt2在3.0℃左右。1“熱泵的。首先采集系統的供水流量和供/回水的溫度值,機組的流量為40m3/h、2“熱泵機組的流量為60根據相應的理論公式計算出系統實(shí)際供出的能量m3/h,則計算得到從二級出水中提取用于供暖的低值位熱能為386kW?？梢?jiàn),在2009年冬季的惡劣條e.計算系統從污水中提取的熱能件下,二級出水溫度仍能保持一個(gè)非常平穩的狀態(tài)通過(guò)測定污水的供回水溫度和流量,通過(guò)相應受自然環(huán)境溫度變化的影響非常小,是非常理想的的理論公式來(lái)計量污水熱能。熱泵機組熱源。④系統組成3.2循環(huán)熱水溫度變化系統由檢測儀表、可編程控制器(PLC)、上位計監測結果表明,2006年-2007年冬季循環(huán)熱水算機組成。檢測儀表現場(chǎng)取樣,通過(guò)數據線(xiàn)傳給溫度變化比較穩定,這說(shuō)明建筑物散失的能量與污PC;PLC收集處理檢測儀表的采樣值;上位計算水源熱泵系統所供給的熱量基本達到平衡,即建筑機作為人機界面進(jìn)行數據顯示及對計算結果的分物內的溫度和建筑物向外界的傳熱量建立了熱平析衡。隨著(zhù)室外溫度的變化,設定不同冷凝器回水溫3熱泵系統實(shí)際運行綜合分析度,冷凝器的進(jìn)、出水溫度隨之升高,其中1熱泵機2006年-2007年和2009年2010年冬季運組冷凝器進(jìn)出水溫差Δ在10.8℃左右保持不行期間,筆者等對系統的供熱工況即污水系統、熱水變,2“熱泵機組冷凝器進(jìn)、出水溫差M2在10.5℃循環(huán)系統以及室內溫度在供熱模式下的變化情況或左右保持不變,達到了設計要求和熱泵機組本身的變化趨勢做了全面的監控和記錄,這些變化情況決性能要求;現場(chǎng)采用超聲波流量計測得熱循環(huán)水總定著(zhù)供熱系統運行的效果。流量為44m3/h,其中1熱泵機組為20m3/h、2”熱3.1二級出水溫度變化泵機組為24m/h,則計算得熱循環(huán)水提供的熱量設計采用在污水進(jìn)、出熱泵機房的供、回管路上為543kW。設置溫度傳感器來(lái)監測二級出水進(jìn)、出熱泵的溫度,由于現場(chǎng)條件的限制,熱泵機組的輸入功率沒(méi)同時(shí)熱泵機組蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn)、出口裝有玻璃有計量(沒(méi)有單獨計量熱泵的功率),通過(guò)熱平衡可www.watergasheat.com邳春英,等:污水源熱泵為污水廠(chǎng)供熱的應用研究第27卷第17期計算熱泵機組的輸入功率為134kW,即系統運行時(shí)領(lǐng)域將迎來(lái)很大的發(fā)展前景,而且在將來(lái)的供暖系熱泵機組的輸入功率為134kW。統中將扮演重要角色,本系統的成功應用為污水源2009年冬季,1·機組和2“機組冷凝器側的溫度熱泵系統區域級利用積累了基礎數據和經(jīng)驗將更基本上沒(méi)有大的變化,只是電費的費用比2006年冬有利于污水源熱泵系統的推廣應用。污水源熱泵系季稍有增加,約為10%,這是由于二級出水進(jìn)、出熱統的方案設計、設備配置和管路系統的處理要根據泵蒸發(fā)器的溫度變化,導致熱泵機組輸入功率增加。實(shí)際情況充分考慮研究,這是污水源熱泵系統成功綜上可知,本項目污水源熱泵的水源—二級與否的關(guān)鍵。處理出水在歷年冬季的溫度均保持在12.0~18.0℃范圍內由于1”、2熱泵機組的二級處理出水流量參考文獻:分配不同,則二級出水進(jìn)、出熱泵蒸發(fā)器的溫差分別[1]李亞峰,陳平.利用熱泵技術(shù)回收城市污水中的熱能為(3.5~4)、(3.0~3.5)℃,在極端負荷下依然能[J].可再生能源,2002,(6):23-24滿(mǎn)足系統的使用要求,而且使用效果良好。熱循環(huán)[2]馬最良,姚楊,趙麗瑩.污水源熱泵系統的應用前景水進(jìn)、出熱泵冷凝器的溫差保持在9~11℃之間,[].中國給水排水,2003,19(7):41-431°、2“熱泵機組冷凝器進(jìn)、出水溫差分別在10.8、[3]王宏哲,尹軍我國城市污水熱能有效利用存在的差10.5℃左右。通過(guò)熱平衡計算,得出系統運行時(shí)距與對策[門(mén)].中國環(huán)境管理,2001,(3):20-22COP值能達到42~3.2,說(shuō)明污水源熱泵具有極高[4]馬最良劉永紅.熱泵站的現狀及在我國應用的前景的節能優(yōu)勢。[].暖通空調1994,24(5):6-104結論二級處理出水在冬、夏季受季節影響極小,是理E-mai:tjzthn@163.com想的低溫熱源。污水源熱泵系統的應用在節能環(huán)保收稿日期:2011-03-31·企業(yè)動(dòng)態(tài)·Tuv-Mark印證英威騰 Goodrive300卓越品質(zhì)日前,世界權威認證機構——德國 TUV SUD正式向深圳市英威騰電氣股份有限公司 Goodrive300系列變頻器頒發(fā)了CE認證證書(shū),并準許其成為中國國內首個(gè)加貼 TUV-Mark標記的變頻器產(chǎn)品,這標志著(zhù)該系列變頻器成功得到了歐洲市場(chǎng)的全面認可,獲得了進(jìn)軍歐洲市場(chǎng)的通行證。德國TUⅤsUD為全球權威認證機構之一,憑借其嚴格公正的檢驗而廣泛被世界各國所接受,其在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域具有很高的權威性。如要在產(chǎn)品上加貼TUV-Mark標記,不僅在產(chǎn)品測試中要符合其標準要求,而且在產(chǎn)品的研發(fā)、測試、生產(chǎn)等各個(gè)環(huán)節都必須對每個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行有效監控,符合德國 TUV SUD對產(chǎn)品質(zhì)量的控制要求。 Goodrive300成為中國國內首個(gè)加貼 TUV-Mark標記的變頻器產(chǎn)品,意味著(zhù)該產(chǎn)品不僅在樣品檢測中通過(guò)了嚴格的檢驗,而且在生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節都嚴格遵守并符合 TUV SUD的要求,從樣品到產(chǎn)品,英威騰保證提供給客戶(hù)的每一臺變頻器都擁有最優(yōu)的品質(zhì)品質(zhì)成就卓越,英威騰 Goodrive300變頻器TUⅤ認證的順利通過(guò)并加貼 TUV-Mark標記,展現了英威騰強大的技術(shù)實(shí)力和英威騰產(chǎn)品的優(yōu)秀品質(zhì),為 Goodrive300變頻器走出國門(mén)打下了堅實(shí)基礎。(深圳市英威騰電氣股份有限公司供稿)95