1 .引言
能源和環(huán)境是影響國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素,能源供應(yīng)形勢直接關(guān)系到國家的安全和社會穩(wěn)定。建筑領(lǐng)域消費(fèi)的能源,主要是煤炭、石油和天然氣等石化能源。這些能源,資源有限,不可再生,終究要枯竭,而且傳統(tǒng)能源會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。我國人口眾多,人均資源占有量低于世界平均水平,與經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活消費(fèi)的需求相比,能源供應(yīng)的缺口很大,而且能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理,以煤為主的能源供給造成了嚴(yán)重的大氣污染和溫室氣體排放,我國目前的CO2排放量居世界第二位。我國是“京都議定書”的簽約國,目前的這種能源消費(fèi)方式,已受到國際社會的高度關(guān)注,這加大了我們保護(hù)環(huán)境和改變經(jīng)濟(jì)增長模式的壓力。因此,節(jié)約能源和開發(fā)利用清潔、可再生能源的任務(wù)十分緊迫。
由于能源問題對國家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展所起的重要作用,中央提出了建設(shè)節(jié)能省地型住宅的政策方針,因此,可再生能源在建筑中的應(yīng)用是建筑業(yè)技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展的需要。隨著2006年1月《可再生能源法》的正式頒布與實施,太陽能、地?zé)崮茉诮ㄖ袠I(yè)中的應(yīng)用越來越受到人們的重視。
熱泵技術(shù)是解決建筑系統(tǒng)節(jié)能問題的重要技術(shù)之一,被稱為21世紀(jì)的“綠色空調(diào)技術(shù)”。污水中蘊(yùn)含大量的可利用的廢熱資源,污水源熱泵系統(tǒng)是有效利用污水廢熱資源的一種合理而可行的方式。我國每年排放城市污水500億噸左右(2007年數(shù)據(jù)),按溫度升高或降低5℃計算,若全部開發(fā)所得的冷或熱量為10億GJ,這部分熱量可供20億平米建筑供冷或供熱。我國部分主要城市污水日排放量與可供暖面積見表1:
表1 主要城市日污水排放量與可滿足供暖面積
項目 |
北京 |
天津 |
上海 |
廣州 |
南京 |
沈陽 |
杭州 |
合肥 |
廈門 |
石家莊 |
日污水排放量 萬m3 |
350 |
200 |
540 |
170 |
110 |
208 |
140 |
100 |
70 |
140 |
供暖面積 萬m2 |
1400 |
800 |
2160 |
680 |
440 |
832 |
560 |
400 |
280 |
480 |
城市污水溫度適宜,冬季在嚴(yán)寒地區(qū)也在10-18℃以上,是良好的熱源;夏季溫度在20-28℃左右,是空調(diào)廢熱理想的排放處。城市的生活污水雖然水質(zhì)很差,但酸堿度適中:PH植在6.5到7.5之間,對管路設(shè)備無嚴(yán)重的腐蝕作用,因此可以作為熱泵空調(diào)系統(tǒng)的一種較為理想的冷熱源。
污水源熱泵是水源熱泵的一種,是利用城市原生污水冬季水溫高于大氣溫度,夏季水溫低于大氣溫度的特點,冬季從污水中取熱供暖,夏季排熱制冷的一種技術(shù)。
直接式污水源熱泵系統(tǒng)沒有簡介換熱帶來的熱量損失,水源利用溫差大,系統(tǒng)效率高。污水進(jìn)入熱泵機(jī)組前需選配自清洗過濾裝置。由于污水的腐蝕、結(jié)垢特性,熱泵機(jī)組蒸發(fā)器、冷凝器均需進(jìn)行專門的防腐、防垢、防堵塞設(shè)計并需配置專門的自清洗系統(tǒng)。間接式污水源熱泵系統(tǒng)通過換熱器間接提取污水中的熱量,換熱器需要根據(jù)污水的水質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的防腐、防垢、防堵塞設(shè)計,污水進(jìn)入換熱器前需配置相應(yīng)的自清洗過濾系統(tǒng),采用板式換熱器的間接式污水源熱泵系統(tǒng)對自清洗過濾系統(tǒng)的要求更高。間接式污水源熱泵系統(tǒng)的熱泵機(jī)組選型簡單,熱泵機(jī)組的效率、項目投資更容易控制。
2.2 污水源熱泵系統(tǒng)的組成
污水能量采集技術(shù)的關(guān)鍵是如何解決原生污水中的毛發(fā)、固體污雜物、污泥等對換熱器的阻塞問題,實現(xiàn)長時間的無阻塞連續(xù)運(yùn)行。其主要裝置為:(1)原生污水熱泵防阻機(jī);(2)專用污水換熱器。
原生污水熱泵防阻機(jī)解決了污水對換熱設(shè)備及管路的堵塞難題,使熱泵機(jī)組能通過換熱設(shè)備長時間連續(xù)地從原生污水中采集、釋放熱能。防阻機(jī)采集原生污水,將其中一定尺度以上的固體、懸浮物截留,允許比該顆粒小的固體懸浮物進(jìn)入污水換熱器進(jìn)行無堵塞換熱,換熱后的污水回到防阻機(jī)另一通道,協(xié)同被截留污雜物一起返回污水干渠。其原理圖如下。
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2.2 中介水系統(tǒng)
經(jīng)過防阻機(jī)處理的污水還含有較多雜質(zhì),不能直接進(jìn)入熱泵主機(jī)中,必須與清水換熱,該清水稱為中介水。中介水與污水換熱后流入熱泵主機(jī)的蒸發(fā)器或冷凝器并在其中放出或吸收熱量,達(dá)到轉(zhuǎn)移熱量的目的。
污水源熱泵的其他部分與一般水源熱泵沒有區(qū)別,這里不在贅述。
3. 污水源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評價
據(jù)測算,夏季使用污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)、溴化鋰機(jī)組和家用空調(diào)器的運(yùn)行費(fèi)用分別為20、34.6、28.8元/m2,污水源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用比其他空調(diào)方式低30%以上。
b) 綠色環(huán)保 該系統(tǒng)不需要鍋爐、冷卻塔等設(shè)備。沒有燃料及天然氣燃燒的排放物污染,無室外機(jī),不會產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)。在冬季采暖時,利用一萬噸污水為建筑物供暖四個月,可減少二氧化碳排放量5040噸。
d) 一機(jī)多用、占地小 系統(tǒng)一機(jī)多用,一套系統(tǒng)可以代替原來的鍋爐加制冷機(jī)兩套裝置??梢詫崿F(xiàn)冷、暖、熱水三聯(lián)供。機(jī)房占地面積只是原來的1/3。
e) 運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠 污水的溫度一年四季相對穩(wěn)定,其波動的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于室外氣溫的波動,使得熱泵機(jī)組運(yùn)行可靠穩(wěn)定。
f) 應(yīng)用廣泛 WFJ污水熱能采集裝置分為Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型適用于對固體污雜物含量較高的城市原生污水; Ⅱ型適用于對江、河、湖、海水等含有少量懸浮物的地表水源。
5. 結(jié)論
城市污水溫度夏季比環(huán)境溫度低,冬季比環(huán)境溫度高,是良好的空調(diào)冷熱源。只要解決好污水對換熱器和系統(tǒng)的堵塞問題,那么系統(tǒng)就可以高效節(jié)能的長時間運(yùn)行,在為環(huán)保做出巨大貢獻(xiàn)的同時,也為業(yè)主節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用,可以預(yù)見,其在未來必將有更加廣闊的應(yīng)用前景。
【1】 周文忠.污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在污水處理廠的應(yīng)用[J].暖通空調(diào),2005,35(1):83-86
【2】 黃國崎.城市污水源熱泵的開發(fā)和應(yīng)用[J].流體機(jī)械,2005,33:76-78
【3】 吳榮華,張承虎.城市原生污水冷熱源系統(tǒng)形式及其應(yīng)用[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,38(5)
【4】 吳榮華,林福軍.城市原生污水冷熱源應(yīng)用的關(guān)鍵因素研究[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,20