污水源熱泵系統(tǒng)的組成和分析

劉寶勝

                 (河北金大地科技有限公司，河北，石家莊) 

摘要：可再生能源在建筑中的應(yīng)用越來越受到人們的重視，本文介紹一種新的水源熱泵系統(tǒng)----污水源熱泵系統(tǒng)的原理、組成及其良好的運(yùn)用前景，指出了其做為一種新生技術(shù)的廣闊得發(fā)展前景。

 關(guān)鍵字：污水源熱泵    防阻機(jī)   節(jié)能

Nou-water-source Heat Punp System And Anaiysis

Liu Bao-sheng

(Jin Da Di Technology Co. Ltd,Hebei)

Abstract: As Chinas energy shortages and the promulgation and implementation of the 《Renewable Energy Law》,Solar energy, geothermal energy, water energy as a renewable energy applications in the construction of more and more attention.

This article describes a new system of water-source heat pump water source heat pump system in principle, the use of the composition and the prospect of good, pointing out that its new technology as a very broad prospects for development.

Keywords: Water source heat pump Discourage machine  Energy Saving

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(shí)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(jì)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

    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。

1. 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(diǎn)，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(jì)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(jì)，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(xiàng)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(shí)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。

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。

1. 板式污水專用換熱器

    板式污水專用換熱器實(shí)現(xiàn)城市污水與清水的換熱，冬季采集污水中的低品位熱能，通過熱泵機(jī)組轉(zhuǎn)化為高品位熱能，供給建筑物采暖，夏季把室內(nèi)的熱量取出，實(shí)現(xiàn)制冷的目的。其原理圖如圖2所示：

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(jì)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。

1. 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。

1. 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。

1. 污水源熱泵的特點(diǎn)

污水源熱泵系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：

1. 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％。
2. 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。
3. 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。
4. 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。可以實(shí)現(xiàn)冷、暖、熱水三聯(lián)供。機(jī)房占地面積只是原來的1/3。
5. 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。
6. 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。

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)

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作者：劉寶勝，1985年9月生人，助理工程師，工學(xué)學(xué)士，任職于河北金大地科技有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)部，助理暖通設(shè)計(jì)師

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