石家莊締景城污水源熱泵工程應(yīng)用研究       

莊兆意¹      陳艷哲²    李仁平²        張承虎¹

    1.哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院哈爾濱150090；2. 河北惠眾能源環(huán)境工程有限公司石家莊050000）

    摘要：本文結(jié)合石家莊締景城污水源熱泵項目重點介紹了污水源熱泵的技術(shù)原理，污水熱能提取利用的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)備選型等工藝流程，提出了廣泛應(yīng)用污水源熱泵系統(tǒng)所帶來的經(jīng)濟、環(huán)保和社會效益。

關(guān)鍵詞：城市污水源熱泵  污水熱能  節(jié)能  環(huán)保

Research on application of sewage source heat pump system in Shi Jiazhuang Di Jingcheng quarters

          Zhuang Zhaoyi¹  Chen Yanzhe²  Li Renping²  Zhang Chenghu¹

(1.College of Municipal Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090; 2.Hebei Public Benefits Energy Environmental Engineering Limited Company, Shi Jiazhuang 050000)

     Abstract: integrated with the sewage source heat pump item in Shi Jiazhuang Di Jingcheng quarters, this paper mainly introduced the technology theory of the sewage source heat pump, and the technological process such as the key technology for picking-up and using the sewage heat energy, equipments selection ect. The economical, environment protection and societal benefit of extensive application of sewage source heat pump system were also put forward.   

Keywords: urban sewage source heat pump (USSHP), sewage heat energy, energy saving, environment protection

0 前言

    城市污水源熱泵（USSHP）是一種采用城市原生污水或污水處理廠二級出水作為直接或間接冷熱源的熱泵型空調(diào)裝置，具有顯著的性能優(yōu)勢和節(jié)能效果，在我國乃至全世界都得到了較快的發(fā)展和應(yīng)用^[1]。隨著建筑能耗占能源總消費量的比例日益增大，節(jié)約能源消耗和開發(fā)新能源受到人們越來越多的重視^[2]。20世紀70年代以來，日本、挪威、瑞典及其他一些供熱發(fā)達國家對污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進行了大量研究，并得到了較為普遍的推廣應(yīng)用。即況系數(shù)器獻，專門設(shè)置了國內(nèi)對污水源熱泵的節(jié)能性、環(huán)保性與應(yīng)用前景也已經(jīng)進行了一些研究，并在一些經(jīng)濟較為發(fā)達的城市得到了一定程度的推廣應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，僅北京市每天就有88196萬噸城市污水排出^[3]。采用污水源熱泵系統(tǒng)，從城市污水中提取部分熱能用于為建筑物供熱，從而提高了城市能源的有效利用效率，同時因為減少了對煤炭等能源的使用，相應(yīng)的降低了CO₂，NO_x，SO_x等污染物的排放量^[4]，具有非常重要的經(jīng)濟及社會意義。本文就石家莊締景城城市原生污水源熱泵項目，詳細介紹了污水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計和工程應(yīng)用概況，為加快城市污水熱能利用和污水源熱泵系統(tǒng)的工程設(shè)計提供參考。

1 工程概況

    石家莊締景城地處裕華路和工農(nóng)路之間，東西頻臨中華大街和維明大街，總建筑面積約80萬m²,其中一期工程52萬m²采用城市污水源熱泵系統(tǒng)提供冬季地板輻射采暖及商業(yè)風機盤管采暖，以及夏季商業(yè)建筑制冷空調(diào)用冷水，無衛(wèi)生生活熱水供應(yīng)。本項目分為高、低區(qū)獨立系統(tǒng)，其中高區(qū)采暖設(shè)計熱負荷為7596kW，低區(qū)設(shè)計熱負荷為11372kW，設(shè)計采暖熱負荷共計18968kW；夏季空調(diào)設(shè)計冷負荷為7316kW。距離該小區(qū)約400m處中華大街上有一城市污水主干渠，經(jīng)測得污水溫度冬季16~18℃，夏季22~24℃，流量滿足該項目水量要求，適宜做該項目的低位冷熱源。該項目2008年11月調(diào)試運行，當年冬天由于極少部分用戶入住該小區(qū)，機組啟停頻繁，沒有采集到系統(tǒng)性的運行數(shù)據(jù)，但初步反應(yīng)系統(tǒng)運行效果良好；2009年夏季，由于污水干渠改道，系統(tǒng)沒有運行，關(guān)于該項目的運行狀況，將在以后加以陳述。

2 污水源熱泵系統(tǒng)原理

    城市污水源熱泵系統(tǒng)如圖1所示，圖中污水防阻機為哈爾濱工業(yè)大學所研發(fā)的專利設(shè)備^[5]，其型號由污水的流量確定；污水-中介水換熱器為管殼式換熱器，污水走管程，中介水走殼程，其型號由設(shè)計換熱量確定；由環(huán)路的獨立性原理^[6]可得一、二級污水泵，中介水循環(huán)泵和末端循環(huán)泵的型號由各環(huán)路的流量和阻力確定。冬季供熱時熱泵系統(tǒng)從污水中經(jīng)污水換熱器取熱，夏季制冷時則經(jīng)污水換熱器向污水中放熱。通過開啟關(guān)閉不同的閥門來實現(xiàn)制冷和制熱的切換圖中：1-一級污水泵；2-二級污水泵；3-中介水循環(huán)泵

圖1 污水源熱泵系統(tǒng)示意圖

3 工藝流程

3.1 污水取、排水方案

    采用重力引水、重力退水。在機房外側(cè)設(shè)置污水緩沖池，分為兩層，下層為引水池、上層為退水池。污水依靠重力流由污水干渠處自流至引水池，然后污水潛水泵從引水池內(nèi)抽水，并送往機房換熱之后再排往退水池，退水池內(nèi)污水將依靠重力返回污水干渠。如圖2所

圖2 重力引、退水方案示意圖

3.2污水的前置處理技術(shù)-專利設(shè)備污水防阻機

    為使污水中的大尺度固相懸浮物不進入到殼管式污水換熱器，哈爾濱工業(yè)大學研發(fā)的污水處理專利設(shè)備-污水防阻機^[5]，城市污水經(jīng)過該設(shè)備后，無大尺度固相污染物，保障了污水換熱器的正常運行。污水防阻機的工作原理如圖3所示。用污水泵1抽吸污水干渠中的城市原生污水進入筒外供水區(qū)A，經(jīng)旋轉(zhuǎn)的圓筒形格柵濾網(wǎng)3過濾后進入筒內(nèi)供水區(qū)B，此時污水中已不再含有會引起污水換熱器堵塞的大粒徑污雜物，利用污水泵5將筒內(nèi)供水區(qū)B中的污水引至污水換熱器6中，換熱后污水回到筒內(nèi)回水區(qū)C，在壓力下經(jīng)過圓筒形格柵濾網(wǎng)3時，對在圓筒格柵外表面上已經(jīng)淤積的污雜物進行反沖洗，進行過反洗的污水進入筒外回水區(qū)D，并被繼續(xù)地送回污水干渠中。1-一級污水泵；2-外殼；3-旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)；4-擋板；5-二級污水泵；6-污水換熱器；A-筒外供水區(qū)；B-筒內(nèi)供水區(qū)；C-筒內(nèi)回水區(qū)；D-筒外回水區(qū)

圖3污水防阻機的工作原理圖

3.3 污水與中介水的換熱設(shè)備-污水專用換熱器

    由于污水的粘性以及對換熱面的污染，污水在換熱器中的流動阻力和換熱特性與清水有很大的不同。本項目對污水換熱器的結(jié)構(gòu)，尺寸參數(shù)的設(shè)計都進行了特殊的處理。例如，為保證一定的傳熱系數(shù)，采用多管程的辦法來提高管內(nèi)流速；在殼程側(cè)設(shè)置縱、橫擋板以增加水的擾動；對封頭處的結(jié)構(gòu)進行特殊的處理以方便人工清洗。污水換熱器的設(shè)計計算見文獻[7]。本項目工程的換熱器參數(shù)見表1。

表1污水換熱器的設(shè)計參數(shù)

3.4設(shè)計參數(shù)

     該工程冬季熱負荷較大，設(shè)計以供暖為主。冬季設(shè)計熱負荷為18968kW，夏季設(shè)計冷負荷為7316kW。冬、夏季各環(huán)路設(shè)計參數(shù)見表2、表3。

表2 冬季污水、中介水和末端循環(huán)水的設(shè)計參數(shù)

    注：污水系統(tǒng)和中介水系統(tǒng)進出口溫度是指進出污水換熱器的溫度；末端循環(huán)水進出口溫度是指進出熱泵機組冷凝器的溫度。

表3 夏季污水、中介水和末端循環(huán)水的設(shè)計參數(shù)

    注：污水系統(tǒng)和中介水系統(tǒng)進出口溫度是指進出污水換熱器的溫度；末端循環(huán)水進出口溫度是指進出熱泵機組蒸發(fā)器的溫度。

3.5 設(shè)備選型

系統(tǒng)設(shè)備選型如表4所示。

表4 污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)備選型表

4 經(jīng)濟環(huán)保性

    城市污水水溫適宜，與大氣氣溫相比，具有冬暖夏涼的熱能特征，是良好的低位可再生清潔能源，作為熱泵冷熱源為建筑物供暖空調(diào)是緩解能源消耗與環(huán)境污染的有效途徑之一，具有巨大的社會與環(huán)境效益。

（1）直接的社會環(huán)境效益，包括節(jié)省的一次能源消耗量（主要指煤）和少排放的污染物數(shù)量（CO₂、NO_x、SO_x、粉塵）。

    冬季供暖年末端用熱量、污水熱泵一次能源消耗量（按火力發(fā)電考慮）、利用城市熱網(wǎng)集中供熱時一次能源消耗量（一次能源指煤、油和天然氣），本項目節(jié)省的一次能源量、節(jié)省的用煤量如表5。

表5 冬季污水熱泵與城市熱網(wǎng)集中供熱的比較

    根據(jù)我國的污染物排放定額：CO₂ 0.482kg/Mcal、NO_x1.8g/Mcal、SO_x34g/Mcal、粉塵2.2g/Mcal，本項目每年減少的排放量如表6。

表6 本項目每年減少的污染物排放量

（2）52萬m²的污水熱泵項目在國內(nèi)是最大的，在國外也是罕見的，作為示范工程，將進一步促進我國熱泵的大力推廣應(yīng)用。同時為緩解暖通空調(diào)的能源消耗與環(huán)境污染問題，實現(xiàn)多元化的供暖空調(diào)模式，將暖通空調(diào)和諧地納入生態(tài)循環(huán)之中做出積極的貢獻。

5 結(jié)論

    綜上所述，污水源熱泵系統(tǒng)相對于其它供熱空調(diào)方式均具有突出的優(yōu)點，城市污水中蘊含有巨大的能量，在大城市中以及污水處理廠發(fā)展和應(yīng)用污水源熱泵系統(tǒng)是改變和發(fā)展現(xiàn)有以石化能源消耗為主的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的有效途徑，拓寬了可再生能的應(yīng)用發(fā)展新的空間。石家莊締景城污水源熱泵項目不僅在石家莊，在全國乃至全世界都具有重要的示范效益，為加快污水源熱泵系統(tǒng)的推廣速度和污水熱能資源化的步伐起到了里程碑的作用。

6 參考文獻

1. 吳學慧, 孫德興．基于遺傳算法的原生污水源熱泵優(yōu)化設(shè)計[J].  節(jié)能技術(shù). 2007, 142 (2):99-101

2. 龍惟定, 白瑋，張蓓紅．中國住宅空調(diào)的未來發(fā)展[J].暖通空調(diào). 2002，32（4）：43-47

3. 中國統(tǒng)計年鑒2006.國家統(tǒng)計局中國統(tǒng)計出版社，2006

4. 尹軍，王宏哲，韋新東．城市污水熱能利用技術(shù)及展望，吉林建筑工程學院學報，2001年6月第2期

5. 發(fā)明專利：名稱：設(shè)置有滾筒格柵的城市污水水力自清方法及其裝置；專利號：ZL2004 10043654.9；發(fā)明人：孫德興，吳榮華；專利權(quán)人：哈爾濱工業(yè)大學；授權(quán)公告日：2005.11.25

6. 劉志斌. 污水源熱泵系統(tǒng)防阻塞裝置工作特性的實驗研究. 哈爾濱工業(yè)大學碩士論文.2006：34~35

7. 孫德興，肖紅俠，張承虎等. 污水換熱器的設(shè)計計算. 暖通空調(diào). 2009,39(5):101-103