污水源熱泵系統的工程應用

2006年第12期節能(總第293期)ENERGY CONSERVATION45-污水源熱泵系統的工程應用閆桂蘭,唐志偉(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院傳熱與節能教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,北京100022)摘要:污水源熱泵系統以污水作為熱源/熱匯,通過(guò)熱泵機組將污水中難以直接利用的熱能提取出來(lái)。結合大型工程實(shí)例的設計及建設.依照系統的運行流程提出了工程各個(gè)部分的設計和建設中的要點(diǎn)問(wèn)題。分析了系統流程,介紹了污水源的水量、水溫的保證,取排水的建設,換熱器的選擇,熱泵機房的設計。關(guān)鍵詞:污水源熱泵;換熱器;換熱系數中圖分類(lèi)號:TU831文獻標識碼:B 文章 編號: 1004 - 7948(2006)12 - 0045 -031工程簡(jiǎn)介活污水等,而城市污水二級出水是經(jīng)過(guò)- -級 物化處北京市某污水源熱泵采暖空調工程項目實(shí)施地理和二級生化處理后的水[1]，去除了污水中的大尺處北京市亦莊高新開(kāi)發(fā)區。項目瀕臨市區涼水河，度雜質(zhì),降低了污水的腐蝕度,更有利于污水中熱能河內長(cháng)年流有溫度波動(dòng)較小的污水,據測量冬季污的提取。水溫度高于環(huán)境溫度15~ 20C ,夏季低于環(huán)境溫度原生污水與二級出水的利用在水源人口端的處10~ 15C ,因此是熱泵系統良好的熱源/熱匯。污水.理有所不同,利用原生污水一般要經(jīng)過(guò)多級過(guò)濾或源熱泵系統流程見(jiàn)圖1。使污水首先通過(guò)沉淀池沉降,以去除污水中含有的大尺度的雜質(zhì)及砂土,從而避免污水換熱器發(fā)生堵145-50C塞現象而影響正常使用。二級出水的利用一般通過(guò)40-45C兩級過(guò)濾后直接進(jìn)人換熱器,運行安全可靠,工程施工簡(jiǎn)易,造價(jià)低。本工程利用的是涼水河中的二級出水,河內污高面心86水為二級出水,經(jīng)實(shí)測檢驗出水水質(zhì)符合國家城市污水處理廠(chǎng)污水污泥排放標準。水源經(jīng)利用之后再6r熱用戶(hù)直接排入河道,對河水水質(zhì)不造成任何影響。而此環(huán)節的利用對污水處理廠(chǎng)的經(jīng)濟補償又相對降低了1-濾網(wǎng);2- -污水循環(huán)泵;3-自動(dòng)反清洗式過(guò)濾器;4←管殼式換熱污水處理的費用。器;5一二次水循環(huán)泵;6-換熱器自動(dòng)清洗四向閥;7-蒸發(fā)器;8- -冷2.2污水水溫保障凝器;9-主電動(dòng)機;10-冷/熱水主循環(huán)泵城市污水冬暖夏涼,水溫穩定,圖2是涼水河圖1污水源熱泵系統流程圖( 供熱循環(huán))2005 ~ 2006年冬季工程取水地水溫測試圖。由于該項目一共由5座樓組成,總建筑面積6.523工程 取水地距離污水處理廠(chǎng)出水口大約5km,長(cháng)距萬(wàn)m2. ,地上5層冬季供暖,夏季制冷;地下一層只供離布置地下埋管取水較為困難,且造價(jià)極高。于是暖,總供暖制冷面積為6.105萬(wàn)m2 ,初步設計提供測量了污水沿河道自然流到工程取水地段的水溫。供熱總負荷4585kW,空調總冷負荷6145kW,生活從圖中可以看出,水溫在外界溫度劇烈變化的情況熱水加熱量530kW ,采用污水源熱泵系統冬季供暖下基本保持2C之內的輕微浮動(dòng),最低水溫為10C，室內設計溫度為18C,夏季制冷室內設計溫度為此時(shí)中國煤化工差為19C。污水熱25C,生活熱水設計溫度為50C。泵HCN MHG ,因此冬季污水完2污水冷熱源參數特性全可以保證機組的止吊運仃。2.1污水水質(zhì)問(wèn)題2.3污水水量的評估.城市污水主要包括工業(yè)廢水、工業(yè)冷卻水及生城市污水水量的變化主要是生活污水的變化，節能2006年第12期6一ENERGY CONSERVATION(總第293期)擋大尺度的雜物，以防止阻塞吸水口,另外在吸水口10 H的端口還將安裝細格柵進(jìn)-步過(guò)濾污水,另外,在吸st.外溫度水口下方設計淤泥清除裝置,定期清除淤泥,保證進(jìn)包水水質(zhì)達到設計標準。珊0葉4換熱器的選型4.1換熱器的選擇在污水源熱泵的利用中，按污水是否直接進(jìn)入-10熱泵蒸發(fā)器或冷凝器,分為直接利用和間接利2005.12.27 2005.12.31 2006.01.0 206.01.10 2006.01.14時(shí)間用2。由于污水具有腐蝕性,結垢現象嚴重,本工圖2污水水溫 測試圖程采用間接利用,污水在污水換熱器中與二次水換而污水處理廠(chǎng)的出水其水量基本保持不變。據測涼熱。污水換熱器的選擇也是本工程的技術(shù)重點(diǎn)。水河污水處理廠(chǎng)的日出水量是45萬(wàn)m3 ,而本工程管殼式換熱器大量應用于化工、石油、能源設備的所需污水量為680m3/h,若按日供暖24h計算,則等部門(mén)的換熱設備中,其清洗方便,適應性強,處理日需污水量約1.6萬(wàn)m',僅占出水量的3.6%。故量大,工作可靠,廣泛應用于國內外的污水換熱系統污水處理廠(chǎng)出水量的變化不會(huì )影響到本工程的用中。由于本工程制冷供暖量巨大,經(jīng)比較選擇此類(lèi)水。而且本工程還設有備用水源井,在污水水量發(fā)換熱器。生重大變化時(shí),及時(shí)啟用,從技術(shù)措施方面保證建筑4.2換熱器的有關(guān)計算的正常供暖.制冷。換熱器的工程計算公式可采用:如果對出水水溫沒(méi)有限定的情況下,則可采用.Q=km" A.Otm“小流量,大溫差”的設計理念,而在水量充足的情況式中km一整個(gè)傳熱面上的平均傳熱系數,kW/下,則適當調整為“大流量,小溫差”,以保障系統安(m2.C);全有效運行,充分節約能源。;A-傳熱面積,m2; .3取排水口設計Otm- -兩種流體之間的平均溫差,C。取排水口的設計可分為分列式和差位式。兩種設計污水走管程,二次水走殼程,分析管殼式換布置各有優(yōu)缺點(diǎn),適用范圍不同。熱器中的換熱過(guò)程,不能忽略的是換熱管管壁黏泥差位式排布根據水位的變化分設不同的取水位的熱阻。故可知kim可表示為:置,適用于需水量較大的電廠(chǎng)化工廠(chǎng)冷卻水的取排。分列式排布時(shí)取水位置固定,一般靠近水底,以kmhwλ;fλ2fha保證水量變化不影響取水用水。此類(lèi)排布由于靠近式中hw- -污水側表面傳熱系數,kW/(m2.C);水底,一般會(huì )在長(cháng)期取水和水流變化的情況下淤積λ-管內黏泥導熱系數，kW/(m.C);泥沙,從而堵塞取水口。適用于用水量較小的工程。δ-管內黏泥厚度,m;在本工程中用水量較小，僅布置-個(gè)取水 口和δ2-換熱管厚度,m;一個(gè)排水口,故采用此種形式,見(jiàn)圖3。λ2-換熱管導熱系數, kW/(m.C);取排水口設置凹入河岸,在凹口處設置格柵,阻hg- -清水側表面傳熱系數, kW/(m2.比)。經(jīng)計算及參考其他工程實(shí)際及理論研究,本工程選取設計平均傳熱系數650 ~ 750W/(m2.C )[5],25002000計算換熱面積為933~1077m2,因此選擇換熱面積875 [750-875為中國煤化工"器4臺,3用1備。污水二------圖YH. CNMHG參數殼體直徑/mm管程數長(cháng)度/m .管外徑/mm(a)取水口側面(b)取水口(c)排水口圖3取排水口的設計11002:2006年第12期節能(總第293期)ENERGY CONSERVATION4.3管殼式換熱器的應用設計組與空氣源熱泵機組相比,夏季冷凝溫度低冬季蒸污水中含有大量油性污物,流經(jīng)換熱管時(shí)會(huì )使發(fā)溫度高,能效比和性能系數大大提高,而且運行工換熱管產(chǎn)生掛膜現象,管壁粘結黏泥,從而增大換熱況穩定,比傳統中央空調系統節省30%~60%的運熱阻,影響換熱效果。因此在設計污水換熱器的使行費用。用時(shí),使污水走管程,選擇浮頭式換熱器,換熱管可(2)節水。污水熱泵機組無(wú)需設冷卻塔,本工程拆卸清洗。同時(shí)設置換熱管的自動(dòng)反沖洗設備,在年節約水量為2.316萬(wàn)m'。另外,本工程還設有雨換熱器運行期間定時(shí)反沖換熱管,以保證換熱效率,水收集系統,在夏季雨期可收集雨水,以使水資源充提高熱能的利用率。分利用。污水換熱器的主要熱阻集中在污水側,據計算(3)運行安全。污水源熱泵既可省去打井費用，黏附污泥為0. 5mm厚時(shí),換熱效率將下降35%左又不需要抽水與回灌所需的動(dòng)力,也可避免出現由右,故而為提高換熱系數,可在換熱管中加人扭轉于回灌不當而引發(fā)的地下水資源的破壞問(wèn)題。帶,使得污水流動(dòng)處于紊流狀態(tài),減少換熱管管壁的(4)環(huán)保效果顯著(zhù)。污水熱泵不需鍋爐，沒(méi)有燃.結垢,提高換熱效率。但同時(shí)會(huì )增加污水流動(dòng)阻力,燒過(guò)程,不存在固體廢棄物、有毒有害氣體及煙塵排增大泵功,是否從而增加運行費用現在還沒(méi)有解決,放等問(wèn)題,是環(huán)保性空調系統。選擇多大扭轉比的扭轉帶最為合適,目前此方面的7結論此污水工程工程量較大,在全國的污水工程中實(shí)驗研究正在進(jìn)行中。也屬少數。5機房的設計5.1泵房設計(1)由于此辦公建筑處于北京地區,冬季供熱負設備機房包括換熱器機房與空調機房?jì)刹糠?，荷略低于夏季制冷負?因此水源熱泵機組冬季滿(mǎn)其中換熱器機房設置在污水河邊,就近利用污水中負荷運行,夏季制冷配合使用部分冷水機組,由此評的低位熱能且減少熱能在傳輸途中的損耗,若鋪設價(jià)其能源的綜合利用率達到方案最優(yōu),工程造價(jià)較污水管路將污水輸送到工程地內,則污水管路必須低,運行費用也最低。敷設在地下所有管道的最下層,即地下9m,其中還(2)污水取水方式有河道直接取水和管道取水要穿越一條公路主干道,施工較為困難。若運輸期兩種方式,污水的水溫在冬季高于空氣溫度,夏季低間發(fā)生泄漏現象,將會(huì )污染地下水體資源,污水輸送于空氣溫度,但是實(shí)際工程應用必須實(shí)測溫度的變化量,以保障水源熱泵的進(jìn)水溫度及溫差許可。到工程區內,難聞的氣味也會(huì )污染環(huán)境?？照{總機房設置到工程地內,離河岸大約(3)污水對設備的污染性、腐蝕、結垢等是污水100m。使用二次水作為熱媒,連接泵房與機房,實(shí)利用中不可避免的問(wèn)題,本工程采用換熱管反沖洗現熱能的傳輸利用。二次水非污染性水體,管路只技術(shù),拆卸清洗方式耗費人工及能源,仍然不是最經(jīng)需敷設在地表以下3~4m,既能保證水溫不會(huì )有明濟的方法,此問(wèn)題有待進(jìn)一步解決。顯變化又不用深層地下施工,或小了施工難度,節約(4)污水利用還降低了污水處理的成本,有效利用能源,減少了環(huán)境的污染,具有廣闊的發(fā)展前景。了工程造價(jià)。參考文獻5.2運行效果[1]尹軍,陳雷,王鶴立.城市污水的資源再生及熱能回收利目前系統運行正常,室內溫度達到設計要求,效用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.果顯著(zhù),而對于優(yōu)化換熱器傳熱性能的測試正在進(jìn)[2]潘繼紅,田茂誠.管殼式換熱器的分析與計算[M].北京:科學(xué)出版社, 1996.一步進(jìn)行中。[3]吳榮華,孫德興,張成虎,等.熱泵冷熱源城市原生污水的6節能環(huán)保分析流動(dòng)阻塞與換熱特性[J].暖通空調,2005, 35(2):86 -(1)節電。污水熱泵將污水熱能連同機組所耗電能一并轉移到室內,能效比達4.5~6.0以上,能作者中國煤化工家口人,在讀碩士研究生，YHCNMHG源利用效率是電采暖方式的3~4倍。污水熱泵機收稿口刪:2u0-0的- 11;修凹口刪:2006-11- 13.