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污水源熱泵系統(tǒng)的組成和分析

    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。

 

    2 污水源熱泵系統(tǒng)
 
    2.1 污水源熱泵系統(tǒng)簡介

    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)。
 
 
    根據(jù)污水與熱泵的換熱是否直接進(jìn)行,城市污水源熱泵系統(tǒng)可分為間接利用和直接利用兩種系統(tǒng)。
 

    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
 
 
    污水源熱泵系統(tǒng)有污水取水系統(tǒng)、污水能量采集系統(tǒng)、中介水系統(tǒng)、熱泵機(jī)組、末端設(shè)備四部分組成,與其他水源熱泵系統(tǒng)系統(tǒng)的最顯著不同是其獨(dú)特的污水能量采集系統(tǒng)。所以本文主要介紹其污水能量采集系統(tǒng),其他系統(tǒng)不再敘述。
 
 
    2.1 原生污水能量采集系統(tǒng)及裝置
 

    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。
 
 
 
    2.1.1 原生污水熱泵防阻機(jī)

    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。
 
 
 
 
 
 
原理圖1
 
 
    污水泵1抽取污水干渠中的原生污水進(jìn)入筒外供水區(qū)A,經(jīng)旋轉(zhuǎn)的圓筒形格柵濾網(wǎng)3過濾后進(jìn)入筒內(nèi)供水區(qū)B,此時污水中已不再含有引起污水換熱器堵塞的大顆粒污雜物,利用污水泵5將B中的污水引至換熱器6中,換熱后污水回到筒外回水區(qū)C,在壓力下經(jīng)過濾網(wǎng)3時,對在其表面上已經(jīng)淤積的污雜物進(jìn)行反沖洗,反沖洗后的污水進(jìn)入筒外回水區(qū)D,并被重新排回污水干渠中。
 
 
 
 
 
原理圖 2
 
 
    通過防阻機(jī)的污水,還含有不大于3mm污雜物的存在,污水專用換熱器,寬-寬通道板式污水換熱器成功地解決了細(xì)小污泥及污水軟垢增長對換熱器設(shè)備的堵塞問題。特殊的管程、殼程設(shè)計有效地解決了污水粘度大,換熱系數(shù)低的問題,可以保證熱泵主機(jī)長時間正常的運(yùn)行。
 

    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
 
    根據(jù)日本某公司對不同供冷/供熱方式的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果,污水源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的制冷機(jī)+鍋爐系統(tǒng)相比,節(jié)約40%的運(yùn)行費(fèi)用和25%的總投資,這顯示了污水源熱泵系統(tǒng)潛在的經(jīng)濟(jì)效益。
 

    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。
 
 
    就機(jī)房設(shè)備的一次性投入進(jìn)行比較,溴化鋰機(jī)組等集中空調(diào)系統(tǒng)一般為200元/m2,水源熱泵集中空調(diào)系統(tǒng)一般為90-100元/m2,僅為前者的一半左右。污水源熱泵系統(tǒng)由于利用未處理污水、二級出水或中水作為水源熱泵系統(tǒng)的水源,不用打井,在初投資方面有一定的優(yōu)勢。
 
 
    4. 污水源熱泵的特點
 
   
    污水源熱泵系統(tǒng)主要特點如下:

 
    a) 高效、節(jié)能  該系統(tǒng)使能量輸入與輸出之比達(dá)到1:4以上,即輸入一千瓦的電能,就能夠得到四千瓦以上的熱量,節(jié)能30-70%。采暖費(fèi)為燃煤供熱方式的70%、燃?xì)夥绞降?0%,燃油方式的30%。

    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。

    c) 壽命長、維護(hù)費(fèi)低  該系統(tǒng)主機(jī)使用壽命長達(dá)25年,污水防阻機(jī)和污水換熱器壽命長達(dá)20年以上,系統(tǒng)不設(shè)室外機(jī),不設(shè)冷卻塔,設(shè)備維修簡單,費(fèi)用低。

    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。
 
 
 
    參考文獻(xiàn)

   【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
 
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