城市污水源熱泵應用

城市污水源熱泵應用1.程亞斌2.張小溪1.陜西省輕工業(yè)研究設計院陜西7100542.武漢市民用建筑設計研究院西安分院湖北710054摘要:污水源熱泵是以城市或工業(yè)污水作為提供和儲存能量的冷、熱源的空調系統。文章介紹了污水源熱泵的工作原理、性能特點(diǎn)及應用,且在未來(lái)具有較大的經(jīng)濟和社會(huì )效益關(guān)鍵詞:污水源熱泵、應用、性能自然界中存在著(zhù)大量的不能為人類(lèi)直接利用的低品位能源,它們廣泛的分布在空氣、土壤、地下水、地表水、生活污水、工業(yè)廢水之中。能源的緊張,讓我們開(kāi)始對這些低品位能源有了更多的關(guān)注。它們中有許多都是可再生的能源,沒(méi)有污染,而且可以源源不斷的供給。城市生活污水作為人類(lèi)生活必不可少的附屬品,蘊含著(zhù)巨大的能量,可以成為優(yōu)質(zhì)的低溫熱源,冬暖夏涼,在釆暖季和制冷季都能保證水溫變化不大,受氣候影響較小,同時(shí)污水的水量穩定,是污水源熱泵的理想熱源污水源熱泵的工作原理污水源熱泵就是以城市污水為提取和儲存能量的冷、熱源,借助壓縮機系統,消耗少量電能,在冬季把存于水中的低位熱能“提取”出來(lái),為用戶(hù)供熱,夏季則把室內的熱量“提取”出來(lái),釋放到水中,從而降低室溫,達到制冷的效果。根據污水和熱泵中的熱交換器是否直接進(jìn)行熱交換,污水源熱泵可分為直接利用系統和間接利用系統。污水源熱泵直接利用系統是污水直接與熱泵的熱交換部分進(jìn)行熱交換,該系統多以處理水作為熱源。污水源熱泵間接利用系統就是污水只和熱泵前的熱交換器及清水進(jìn)行熱交換,而清水再和熱泵的熱交換部分進(jìn)行熱交換,該系統多以未處理水作為熱源。直接利用方式的熱能提取效率高,節能效果比增加一次換熱要好,一般直接利用方式的節能率比間接利用方式高7%左右。污水源熱泵的性能特點(diǎn)1、環(huán)保效益顯著(zhù)熱泵機組的運行沒(méi)有任何污染,沒(méi)有燃燒過(guò)程,避免了排煙、排污等污染。供冷時(shí)省了冷卻水塔,避免了冷卻水塔的噪音、霉菌污染及水耗,同時(shí)熱泵機組的運行不受天氣和溫度變化的影響,使用污水作為熱泵水源,與地下水源相比,可以避免大量開(kāi)采、回灌地下水對地下水造成的不良影響,起到保護水資源的作用2、高效污水源熱泵機組可利用的水體溫度夏季為10~20℃,水體溫度比環(huán)境空氣溫度低,所以制冷的冷凝溫度降低,使得冷卻效果好于風(fēng)冷式和冷卻塔式,機組效率提高。根據美國環(huán)保署EPA估計,安裝良好的水源熱泵,平均可以為用戶(hù)節約30%~40%的供熱制冷空調運行費用。3、節能設計良好的水源熱泵機組,與空氣源熱泵相比,可以減少30%的電力消耗。與電供暖相比,可以減少70%以上的電力消耗。所以水源熱泵在節能的同時(shí),還減少和降低了發(fā)電時(shí)一次能源消耗中產(chǎn)生的污染排放和溫室效用。機多用,節省固定投資利用一套設備既可制冷,也可供熱和提供生活熱水。對空調系統來(lái)說(shuō),由于提供2種熱源,可節省一次性投資,其總資額為傳統空調系統的70%~80%5、運行穩定、可靠,維護方便污水水體的溫度一年四季較穩定,其波動(dòng)的范圍遠遠小于空氣溫度的變化,是很好的熱泵熱源及熱匯。水體溫度較恒定的特性,使熱泵機組運行更可靠,更穩定,其溫度特性保證了系統的髙效性與經(jīng)濟性,不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)問(wèn)題。由于系統簡(jiǎn)單、機組部件小及運行簡(jiǎn)單穩定,相對維護費用也低,使用壽命可長(cháng)達20年以上。6、應用范圍廣泛據統計,我國現每年排放城市生活污水約1050億噸左右,按溫度升高或降低5℃計算,若全部開(kāi)發(fā)所貢獻出的熱和冷量約5250億KCa1,可供約100億m的建筑供熱和制冷?？蓮V泛應用于賓館、辦公樓、學(xué)校商場(chǎng)、住宅小區的集中供熱制冷,以及其他商業(yè)和工業(yè)建筑空調,并可用于游泳池、乳制品加工、啤酒釀造、室內種植和恒溫養殖等行業(yè)。三、城市污水源熱泵應用關(guān)鍵技術(shù)1、阻塞污染問(wèn)題城市污水含有大量大尺度污物及小尺度懸浮固體。前者表現在對管路與設備的阻塞,后者表現在對換熱設備的污染,形成熱阻及其對流體的流動(dòng)與熱物性參數造成影響。為此而對污水進(jìn)行處理是不可行的,因為污水處理的最低費用也要高于從污水中提取熱量或冷量的費用。將污水取至系統中進(jìn)行過(guò)濾也不是好辦法,最主要的是系統中過(guò)濾格柵上污物的清除問(wèn)題。由于城市污水水質(zhì)很差,過(guò)濾格柵上污雜物的清除量大、頻率高,必須釆用機械格柵,造價(jià)高,占地大,而且還有污雜物的處理和設備間空氣潔凈的保持問(wèn)題。從城市污水干渠到過(guò)濾格柵之間的引水段管路也存在污雜物的淤積與清理問(wèn)題。最好的辦法是將污雜物阻隔在污水干渠中,不讓大尺度污雜物進(jìn)入系統,開(kāi)發(fā)新的除污工藝2、流動(dòng)換熱問(wèn)題對城市污水只能進(jìn)行“粗效”處理,進(jìn)人換熱系統時(shí),還含有大量微尺度污物,實(shí)際上是一種固液兩相,固相多組分流動(dòng),其流動(dòng)阻力與換熱特性較清水有很大差異,已表現出很強的非牛頓流特性,即流動(dòng)過(guò)程中,切應力與速度梯度呈非線(xiàn)性:τ=k(du/dy)"。式中:k、n為本構常數,經(jīng)測得k=2.2×10,n=1.6因此,污水換熱器的結構、尺寸不能簡(jiǎn)單地套用常規清水換熱器的設計方法。然而,關(guān)于非牛頓流的紊流流動(dòng)與換熱問(wèn)題,由于實(shí)際應用很少,目前的研究尚未深入,其相關(guān)的理論模式與計算方法并不成熟。為此硏究城市污水的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題,建立適合工程應用的計算模型與方法,是城市污水源熱泵應用要解決的另個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題四、國內應用技術(shù)狀況與缺陷1、應用規模與現狀我國應用最早、較為突出的是2000年北京市排水集團在高碑店污水處理廠(chǎng)開(kāi)發(fā)的污水源熱泵實(shí)驗工程,空調建筑面積900m。大慶開(kāi)發(fā)區富爾達公司2001年安裝了一套原生污水源熱泵系統,空調建筑面積700m2,采用浸泡式方法,即將蒸發(fā)器或冷凝器直接浸泡在污水池中,是我國最早的城市原生污水源熱泵系統。繼此之后,北京市排水集團、哈爾濱水泵二廠(chǎng)又分別投建了個(gè)別污水源熱泵試驗工程。2003年建設投運的有哈爾濱望江賓館、大慶恒茂商城。目前還有些項目處在建設之中2、研究?jì)热菖c現狀吉林建筑工程學(xué)院對污水源利用的系統形式(包括間接利用、直接利用、隔離式)做了深入探討,但未見(jiàn)實(shí)踐工程。對管材問(wèn)題、污水源熱泵的節能性、環(huán)保性有大量硏究。相關(guān)文獻對污水源熱泵與其他冷熱源作了比較硏究,對污水源熱泵系統的應用特點(diǎn)、系統運行中可能存在的問(wèn)題及應采取的措施也有過(guò)探討。北京工業(yè)大學(xué)以高碑店為實(shí)驗對象,論證了污水源熱泵的實(shí)用性和應用前景,促進(jìn)了該項技術(shù)的發(fā)展研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)2002年開(kāi)發(fā)了污水源熱泵系統應用工藝,在大型試點(diǎn)工程中有過(guò)實(shí)踐,使得我國該項技術(shù)大規模推廣應用成為可能。3、存在的技術(shù)與研究缺陷我國目前釆用的是污水換熱器浸泡式方法,即將污水換熱器直接浸泡在污水坑池中,該方法由于回避了堵塞問(wèn)題相對可靠,但當工程規模較大時(shí),浸沒(méi)式方法、隔離式均不具有可操作性,占地、投資等問(wèn)題都不易解決,換熱池中的污物沉積與清理也難以解決。另外,大量研究側重于污水冷熱源的價(jià)值與前景方面,而對流動(dòng)阻塞與換熱問(wèn)題的研究幾乎處于空白,技術(shù)難題并未涉足五、結語(yǔ)城市污水是優(yōu)良的引人注目的低溫余熱源,在整個(gè)采暖期間水溫適宜,是水/水熱泵或水/空氣熱泵的理想低溫熱源。在寒冷的“三北”(東北、華北、西北)地區,發(fā)展和運用城市污水熱泵供暖系統將會(huì )為解決傳統供暖系統的節能和環(huán)境問(wèn)題帶來(lái)益處在大城市中應用與發(fā)展污水源熱泵是改變大城市以煤為主的能源消費結構現狀的有效途徑,為可再生能源的應用及發(fā)展拓展了新的空間,是開(kāi)發(fā)可再生能源發(fā)展戰略中的重要研究?jì)热?因此研究和發(fā)展污水源熱泵具有長(cháng)遠的戰略意污水水質(zhì)對污水源熱泵裝置的影響是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,解決好污水熱泵中換熱器表面污垢、阻塞、腐蝕等問(wèn)題是污水源熱泵供暖系統成功與否的關(guān)鍵。根據我國目前熱泵工業(yè)的現狀,優(yōu)先發(fā)展工業(yè)企業(yè)凈化后的污水源熱泵系統是可行而有效的節能技術(shù)。應注意研究城市污水處理廠(chǎng)的大型熱泵站,為大力發(fā)展城市集中供熱提供新的技術(shù)支持。污水源熱泵技術(shù)的應用與發(fā)展需要政策的推動(dòng),建議制訂相應的政策和措施,建立高水平的污水源熱泵示范工程以推動(dòng)該技術(shù)在我國的應用與發(fā)展,尤其是在我國“三北”地區應加大應用與推廣的力度。參考文獻:1、吳榮華,城市污水源熱泵的應用與硏究現狀,哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,38(8)2、姚楊,污水源熱泵系統的應用前景,中國給水排水,2009,19(73、黃國琦,城市污水源熱泵的開(kāi)發(fā)和應用,流體機械,2010,33(6)