污水源熱泵供暖系統(tǒng)的合理性分析

污水源熱泵供暖系統(tǒng)的合理性分析

廢水處理廠是一種水源熱泵。眾所周知,水源熱泵的優(yōu)點(diǎn)是水的熱容量大、設(shè)備傳熱性能好(換熱設(shè)備較緊湊)、水溫較穩(wěn)定(熱泵運(yùn)行工況較穩(wěn)定),城市污水是一種優(yōu)良的引人注目的低溫余熱源,在整個(gè)采暖期間,水溫波動(dòng)不大,是水/水熱泵或水/空氣熱泵的理想低溫?zé)嵩础?污水源熱泵的設(shè)計(jì)原則圖1為污水源熱泵供暖系統(tǒng)原理圖。由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流機(jī)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)最簡(jiǎn)單的蒸氣壓縮式熱泵裝置,作為供熱系統(tǒng)的熱源。它通過蒸發(fā)器從污水中吸取熱量Qe,在冷凝器中放出熱量Qc=Qe+W,供給供熱系統(tǒng)。這種供熱系統(tǒng)只要消耗少量的電能W,便可得到滿足房間供熱所需要溫度的熱量Qc。污水源熱泵供暖系統(tǒng)與其他水源熱泵相比,具有一定的特點(diǎn)。①污水水質(zhì)的優(yōu)劣是污水源熱泵供暖系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵,因此要了解和掌握污水水質(zhì)以判斷其是否可作為低溫?zé)嵩?。同時(shí),也要針對(duì)污水水質(zhì)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)和優(yōu)化污水源熱泵的污水/制冷劑換熱器的構(gòu)造,換熱器應(yīng)具有防堵塞、防腐蝕、防繁殖微生物等功能,通常采用水平管淋水式或浸沒式換熱器。②城市污水干渠(污水干管)通常是通過整個(gè)市區(qū),如果直接利用城市污水干渠中的原水作為污水源熱泵的低溫?zé)嵩?則可節(jié)省輸送熱量的能耗,從而提高其系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,但同時(shí)應(yīng)注意:在取水設(shè)施中設(shè)置適當(dāng)?shù)乃幚硌b置(見圖2),考慮利用原水余熱對(duì)后續(xù)水處理工藝的影響,如原水水溫降低過多將會(huì)影響市政曝氣站的正常運(yùn)行。③為了評(píng)價(jià)采用污水源熱泵的合理性,應(yīng)對(duì)它進(jìn)行綜合分析,在分析中必須注意:排出污水余熱的時(shí)間同用戶用熱時(shí)間的吻合;排出污水余熱的地點(diǎn)同用戶用熱地點(diǎn)的吻合;排出污水的熱流量與用戶需熱量要基本吻合;排出污水的溫度高低和用戶需求相吻合。若排出污水的溫度為30~50℃則可以直接利用換熱器回收余熱量,這既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì);若低于30℃,采用熱泵回收余熱量供熱是受歡迎的方案,在許多場(chǎng)合中,熱泵同換熱器結(jié)合起來(lái)回收污水余熱量將是十分合理的方案。2熱泵技術(shù)回收家庭生活污水目前,污水源熱泵的技術(shù)是成熟的,國(guó)外工程實(shí)例很多。20世紀(jì)80年代初在瑞典、挪威等北歐國(guó)家建造的一些以污水為低溫?zé)嵩吹拇笮蜔岜谜鞠嗬^投入運(yùn)行。其中瑞典早期的應(yīng)用情況見表1。目前,瑞典斯德哥爾摩有40%的建筑物采用熱泵技術(shù)供熱,其中10%是利用污水處理廠的出水。挪威奧斯陸1980年開始建設(shè)利用城市污水干管的污水作為低溫?zé)嵩吹臒岜谜?第一臺(tái)熱泵機(jī)組已在1983年投入使用。塞勒用處理后的污水作為低溫?zé)嵩吹臒岜谜?3.3MW),1981年6月投入運(yùn)行后效果良好。由于能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益突出,美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入大量的財(cái)力和人力進(jìn)行此項(xiàng)研究,并取得了一定的成果。采用熱泵技術(shù)回收家庭生活污水(淋浴水、洗碟機(jī)和洗衣機(jī)排水等)余熱的設(shè)施實(shí)例也很多。對(duì)于約10人的住宅,采用熱泵技術(shù)回收家庭生活污水余熱可節(jié)能達(dá)50%,對(duì)于10人以上的住宅可節(jié)能達(dá)60%。3污水源熱泵回收利用可行性根據(jù)“十五”計(jì)劃綱要要求,2005年城市污水集中處理率將達(dá)到45%,根據(jù)國(guó)務(wù)院2000年36號(hào)文件,2010年城市排水管道普及率和城市污水處理率分別達(dá)到90%和60%,城市污水排放總量為464×108m3/a,城市污水二級(jí)處理將增加6157×104m3/d。我國(guó)在污水資源化過程中如何回收和利用污水余熱是一項(xiàng)十分重要的任務(wù)。①城市污水是一種巨大的低溫余熱源。北京地區(qū)以高碑店污水處理廠為例,其二級(jí)出水溫度在冬季為13.5~16.5℃,夏季為22~25℃;黃河以及長(zhǎng)江流域污水處理廠的二級(jí)出水溫度為17~28℃;哈爾濱某藥廠污水溫度也在20℃左右,且在整個(gè)采暖期內(nèi)水溫波動(dòng)不大,因此城市污水是水/水熱泵或水/空氣熱泵優(yōu)良的低溫?zé)嵩?。②我?guó)污水的排放量巨大且主要集中在城市。例如,2000年黑龍江省污水排放量為11.37×108m3(其中工業(yè)廢水為5.26×108m3,生活污水為6.11×108m3),主要集中在哈爾濱、大慶、牡丹江等10個(gè)城市中,可見回收與利用污水余熱關(guān)鍵在于回收城市污水余熱用于城市供暖,因二者地點(diǎn)吻合而易于實(shí)現(xiàn)。③工業(yè)凈化后污水?dāng)?shù)量十分可觀。哈爾濱某廠污水處理站流量達(dá)1.5×104m3/d(625m3/h),冬季污水溫度在20℃左右。若采用熱泵技術(shù)將凈化后的污水降低1℃就可獲得約1t/h蒸汽的熱量,可供建筑面積約為1×104m2的采暖。因此,建立供工業(yè)企業(yè)用的熱泵站回收污水余熱是工業(yè)企業(yè)節(jié)能的主要途徑。我國(guó)城市污水源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用剛剛起步,處于試驗(yàn)和研究階段。北京市排水集團(tuán)在高碑店污水處理廠開發(fā)了污水源熱泵試驗(yàn)工程,利用熱泵裝置向300m2的車間和600m2的機(jī)房冬季供暖、夏季制冷,經(jīng)三年的運(yùn)轉(zhuǎn)效果良好。繼高碑店污水源熱泵試驗(yàn)工程后,北京市排水集團(tuán)又在北京北小河污水處理廠安裝了一套規(guī)模更大的污水源熱泵,為該廠6000m2的辦公樓和廠房供熱與制冷。這些污水源熱泵試驗(yàn)工程充分顯示出污水源熱泵的優(yōu)越性:①城市污水排放量巨大,污水源十分豐富,如北京高碑店污水處理廠排放量為100×104m3/d,可解決500×104m2建筑物的供熱供冷問題。②與井水源熱泵相比,既可省掉打井費(fèi)用,又不需要抽水與回灌所需的動(dòng)力,也可避免出現(xiàn)由于回灌不當(dāng)而引發(fā)的地下水資源的破壞問題。③顯示出較好的經(jīng)濟(jì)效益。北小河污水處理廠原采用燃煤鍋爐供暖,運(yùn)行費(fèi)用約為20萬(wàn)元/a,按北京市環(huán)保的要求應(yīng)進(jìn)行改造,如改用燃油鍋爐供暖的運(yùn)行費(fèi)用為45萬(wàn)元/a,用天然氣鍋爐供暖費(fèi)用為37萬(wàn)元/a,而改為污水源熱泵供暖的運(yùn)行費(fèi)用為22萬(wàn)元/a,與燃煤鍋爐供暖基本相同。④將城市污水處理的水量和熱量同時(shí)回收與利用是一種面向21世紀(jì)的理想的城市污水綜合利用方法,是城市污水資源化的有效途徑。鑒于此,北京排水集團(tuán)下一步擬在清河污水處理廠、酒仙橋污水處理廠、盧溝橋污水處理廠建設(shè)污水源熱泵工程。4污水源熱泵在城市供熱中應(yīng)用的意義①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?zé)嵩础Ｔ诤涞摹叭薄?東北、華北、西北)地區(qū),發(fā)展和運(yùn)用城市污水熱泵供暖系統(tǒng)將會(huì)為解決傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)的節(jié)能和環(huán)境問題帶來(lái)益處。②在大城市中應(yīng)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(fèi)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的有效途徑,為可再生能源的應(yīng)用的發(fā)展拓展了新的空間,是開發(fā)可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略中的重要研究?jī)?nèi)容,因此研究和發(fā)展污水源熱泵具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。③污水水質(zhì)對(duì)污水源熱泵裝置的影響是一個(gè)特殊問題,解決好污水熱泵中換熱器表面污垢、阻塞、腐蝕等問題是污水源熱泵供暖系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵。④根據(jù)我國(guó)目前熱泵工業(yè)的現(xiàn)狀,優(yōu)先發(fā)展工業(yè)企業(yè)凈化后污水源熱