1、污水源熱泵系統的工程應用閆桂蘭, 唐志偉(北京工業大學環境與能源工程學院傳熱與節能教育部重點實驗室, 北京100022摘要:污水源熱泵系統以污水作為熱源/熱匯, 通過熱泵機組將污水中難以直接利用的熱能提取出來。結合大型工程實例的設計及建設, 依照系統的運行流程提出了工程各個部分的設計和建設中的要點問題。分析了系統流程, 介紹了污水源的水量、水溫的保證, 取排水的建設, 換熱器的選擇, 熱泵機房的設計。關鍵詞:污水源熱泵; 換熱器; 換熱系數中圖分類號:TU831文獻標識碼:B文章編號:1004-7948(2006 12-0045-031工程簡介 處北京市亦莊高新開發區1015, /熱匯。污水源

2、熱泵系統流程見圖1。1濾網;2污水循環泵;3自動反清洗式過濾器;4管殼式換熱器;5二次水循環泵;6換熱器自動清洗四向閥;7蒸發器;8冷凝器;9主電動機;10冷/熱水主循環泵圖1污水源熱泵系統流程圖(供熱循環該項目一共由5座樓組成, 總建筑面積61523萬m 2, 地上5層冬季供暖, 夏季制冷; 地下一層只供暖, 總供暖制冷面積為61105萬m 2, 初步設計提供供熱總負荷4585kW , 空調總冷負荷6145kW , 生活熱水加熱量530kW , 采用污水源熱泵系統冬季供暖室內設計溫度為18, 夏季制冷室內設計溫度為25, 生活熱水設計溫度為50。2污水冷熱源參數特性211污水水質問題城市污水

3、主要包括工業廢水、工業冷卻水及生, , 去除了污水中的大尺, 更有利于污水中熱能的提取。原生污水與二級出水的利用在水源入口端的處理有所不同, 利用原生污水一般要經過多級過濾或使污水首先通過沉淀池沉降, 以去除污水中含有的大尺度的雜質及砂土, 從而避免污水換熱器發生堵塞現象而影響正常使用。二級出水的利用一般通過兩級過濾后直接進入換熱器, 運行安全可靠, 工程施工簡易, 造價低。本工程利用的是涼水河中的二級出水, 河內污水為二級出水, 經實測檢驗出水水質符合國家城市污水處理廠污水污泥排放標準。水源經利用之后再直接排入河道, 對河水水質不造成任何影響。而此環節的利用對污水處理廠的經濟補償又相對降低了

4、污水處理的費用 。212污水水溫保障城市污水冬暖夏涼, 水溫穩定, 圖2是涼水河20052006年冬季工程取水地水溫測試圖。由于工程取水地距離污水處理廠出水口大約5km , 長距離布置地下埋管取水較為困難, 且造價極高。于是測量了污水沿河道自然流到工程取水地段的水溫。從圖中可以看出, 水溫在外界溫度劇烈變化的情況下基本保持2之內的輕微浮動, 最低水溫為10, 此時外界空氣溫度為-9, 溫差為19。污水熱泵機組冬季設計利用溫差為5, 因此冬季污水完全可以保證機組的正常運行。213污水水量的評估城市污水水量的變化主要是生活污水的變化,542006年第12期(總第293期 節能EN ER GY CO

5、NSERVA TION 圖2污水水溫測試圖而污水處理廠的出水其水量基本保持不變。據測涼水河污水處理廠的日出水量是45萬m 3, 而本工程的所需污水量為680m 3/h , 若按日供暖24h 計算, 則日需污水量約116萬m 3, 僅占出水量的316%。故污水處理廠出水量的變化不會影響到本工程的用水。生重大變化時, , 的正常供暖、, 則可采用“小流量, 大溫差” 的設計理念, 而在水量充足的情況下, 則適當調整為“大流量, 小溫差”, 以保障系統安全有效運行, 充分節約能源。3取排水口設計取排水口的設計可分為分列式和差位式。兩種布置各有優缺點, 適用范圍不同。差位式排布根據水位的變化分設不同的

6、取水位置, 適用于需水量較大的電廠化工廠冷卻水的取排。分列式排布時取水位置固定, 一般靠近水底, 以保證水量變化不影響取水用水。此類排布由于靠近水底, 一般會在長期取水和水流變化的情況下淤積泥沙, 從而堵塞取水口。適用于用水量較小的工程。在本工程中用水量較小, 僅布置一個取水口和一個排水口, 故采用此種形式, 見圖3。取排水口設置凹入河岸, 在凹口處設置格柵, 阻圖3取排水口的設計擋大尺度的雜物, 以防止阻塞吸水口, 另外在吸水口的端口還將安裝細格柵進一步過濾污水, 另外, 在吸水口下方設計淤泥清除裝置, 定期清除淤泥, 保證進水水質達到設計標準。4換熱器的選型411換熱器的選擇在污水源熱泵的

7、利用中, 按污水是否直接進入熱泵蒸發器或冷凝器, 分為直接利用和間接利用2。由于污水具有腐蝕性, 結垢現象嚴重, 本工程采用間接利用, 污水在污水換熱器中與二次水換熱。污水換熱器的選擇也是本工程的技術重點。管殼式換熱器大量應用于化工、石油、能源設備等部門的換熱設備中, , 適應性強, 處理, , 經比較選擇此類412換熱器的有關計算換熱器的工程計算公式可采用:Q =k m A t m 式中k m 整個傳熱面上的平均傳熱系數, kW/(m 2; A 傳熱面積,m 2;t m 兩種流體之間的平均溫差, 。設計污水走管程, 二次水走殼程, 分析管殼式換熱器中的換熱過程, 不能忽略的是換熱管管壁黏泥的

8、熱阻。故可知k m 可表示為:k m =h w +1+2+h q 式中h w 污水側表面傳熱系數,kW/(m 2; 1管內黏泥導熱系數,kW/(m ; 1管內黏泥厚度,m ; 2換熱管厚度,m ; 2換熱管導熱系數,kW/(m ; h q 清水側表面傳熱系數,kW/(m 2。經計算及參考其他工程實際及理論研究, 本工程選取設計平均傳熱系數650750W/(m 2 5, 計算換熱面積為9331077m 2, 因此選擇換熱面積為37814m 2的不銹鋼管殼式換熱器4臺,3用1備。污水換熱器參數見表1。表1污水換熱器設計參數殼體直徑/mm管程數長度/m管外徑/mm1100462564節能EN ER

9、GY CONSERVA TION 2006年第12期(總第293期413管殼式換熱器的應用設計污水中含有大量油性污物, 流經換熱管時會使換熱管產生掛膜現象, 管壁粘結黏泥, 從而增大換熱熱阻, 影響換熱效果。因此在設計污水換熱器的使用時, 使污水走管程, 選擇浮頭式換熱器, 換熱管可拆卸清洗。同時設置換熱管的自動反沖洗設備, 在換熱器運行期間定時反沖換熱管, 以保證換熱效率, 提高熱能的利用率 。污水換熱器的主要熱阻集中在污水側, 據計算黏附污泥為015mm 厚時, 換熱效率將下降35%左右, 故而為提高換熱系數, 可在換熱管中加入扭轉帶, 使得污水流動處于紊流狀態, 減少換熱管管壁的結垢,

10、提高換熱效率。但同時會增加污水流動阻力, 增大泵功, 是否從而增加運行費用現在還沒有解決, 選擇多大扭轉比的扭轉帶最為合適, 實驗研究正在進行中。5機房的設計511泵房設計, 其中換熱器機房設置在污水河邊, 就近利用污水中的低位熱能且減少熱能在傳輸途中的損耗, 若鋪設污水管路將污水輸送到工程地內, 則污水管路必須敷設在地下所有管道的最下層, 即地下9m , 其中還要穿越一條公路主干道, 施工較為困難。若運輸期間發生泄漏現象, 將會污染地下水體資源, 污水輸送到工程區內, 難聞的氣味也會污染環境。空調總機房設置到工程地內, 離河岸大約100m 。使用二次水作為熱媒, 連接泵房與機房, 實現熱能的

11、傳輸利用。二次水非污染性水體, 管路只需敷設在地表以下34m , 既能保證水溫不會有明顯變化又不用深層地下施工, 減小了施工難度, 節約了工程造價。512運行效果目前系統運行正常, 室內溫度達到設計要求, 效果顯著, 而對于優化換熱器傳熱性能的測試正在進一步進行中。6節能環保分析(1 節電。污水熱泵將污水熱能連同機組所耗電能一并轉移到室內, 能效比達415610以上, 能源利用效率是電采暖方式的34倍。污水熱泵機組與空氣源熱泵機組相比, 夏季冷凝溫度低、冬季蒸發溫度高, 能效比和性能系數大大提高, 而且運行工況穩定, 比傳統中央空調系統節省30%60%的運行費用。(2 節水。污水熱泵機組無需設

12、冷卻塔, 本工程年節約水量為21316萬m 3。另外, 本工程還設有雨水收集系統, 在夏季雨期可收集雨水, 以使水資源充分利用。(3 運行安全。污水源熱泵既可省去打井費用, 又不需要抽水與回灌所需的動力, 也可避免出現由于回灌不當而引發的地下水資源的破壞問題。(4 環保效果顯著。污水熱泵不需鍋爐, 沒有燃燒過程, 不存在固體廢棄物。, 在全國的污水工程中。(1 由于此辦公建筑處于北京地區, 冬季供熱負荷略低于夏季制冷負荷, 因此水源熱泵機組冬季滿負荷運行, 夏季制冷配合使用部分冷水機組, 由此評價其能源的綜合利用率達到方案最優, 工程造價較低, 運行費用也最低。(2 污水取水方式有河道直接取水

13、和管道取水兩種方式, 污水的水溫在冬季高于空氣溫度, 夏季低于空氣溫度, 但是實際工程應用必須實測溫度的變化量, 以保障水源熱泵的進水溫度及溫差許可。(3 污水對設備的污染性、腐蝕、結垢等是污水利用中不可避免的問題, 本工程采用換熱管反沖洗技術, 拆卸清洗方式耗費人工及能源, 仍然不是最經濟的方法, 此問題有待進一步解決。(4 污水利用還降低了污水處理的成本, 有效利用能源, 減少了環境的污染, 具有廣闊的發展前景。參考文獻1尹軍, 陳雷, 王鶴立. 城市污水的資源再生及熱能回收利用M .北京:化學工業出版社,2003.2潘繼紅, 田茂誠. 管殼式換熱器的分析與計算M .北京:科學出版社,19

14、96.3吳榮華, 孫德興, 張成虎, 等. 熱泵冷熱源城市原生污水的流動阻塞與換熱特性J.暖通空調,2005,35(2 :86-88.作者簡介:閆桂蘭 (1980- , 女, 河北張家口人, 在讀碩士研究生, 研究方向:熱泵工程。收稿日期:2006-09-11; 修回日期:2006-11-13742006年第12期(總第293期 節能EN ER GY CONSERVA TION E nergy Conservation(MonthlySponsor :Liaoning Provincial Institute of Science andTechnology InformationPublis

15、her :Energy Conservation Magazine PublishingHouseChief Editor :J IN NaAddress :No. 274Qingnian Boulevard Shenyang CityLiaoning Province ChinaPost Code :110016ABSTRACTSDecember 2006Vol. 25,No. 12Total Issue No. 293Analysis for the characteristic of the w orking cycle combined the VMETS system and the

16、compression refrigeration systemXIA Meng 2xin , XU Shi 2mingIn the case of the office construction in the area of the middle lower reaches of the Changjiang River ,use d the numerical simulation on the condition of the ,and the working character and the the time and external G the simulation on unce

17、rtain It in the partial storage system of the ammonia of Ammonia after the process of the storage energy and the load reduce. So that using of the way of the partial storage energy doesn t only reduce the investment of the system ,but also improves the security of the process of the storage energy s

18、ystem.K ey w ords :energy storage ; air 2conditioning ; compounded cycle ; aqueous ammoniaOptimization and selection of heating schemesb ased on grey relational analysisJ ING Y ou 2yin ,CHAI Bao 2shuang , FANG Yue 2lanAccording to the needs of some heating projects in a housing dis 2trict ,adopt the

19、 grey relational analysis method to set up evaluation mod 2els ,finally confirm the gas boiler heats for the best scheme ,and offer the theoretical foundation for sureness of the project scheme. This method is easy ,overall ,and objective to appraise.K ey w ords :grey relational analysis method ; he

20、ating ; model ;opti 2mizationExperiment research about performance characteristicunder changered conditions of fan 2coil unitNI Mei 2qin , ZUO Bin , XI E Zhi 2xiangTest the performance of Fan 2Coil Unit ,the performance character 2istic research under a various of conditions is done on both air side

21、 and water side respectively. Experimental results indicats that Fan 2Coil Unit s cooling capacity is changered with supply water temperature ,face ve 2locity ,water velocity ,inlet dry 2bulb temperature and wet 2bulb tempera 2ture changered respectively.K ey w ords :Fan 2Coil Unit (FCU ; performanc

22、e characteristic with conditions changered ;total cooling capacity ;sensible cooling capaci 2tyStudy on E nergyPlus used indisplacement ventilation system designTAN Li 2bao ,CHEN J ing ,L I Qiang 2minPresented the displacement ventilation model implemented in Ener 2gyPlus software , used EnergyPlus

23、software in displacement ventilation system design of an office room ,and simulated the air temperature distri 2bution by CFD program. The results show that EnergyPlus can accurate 2ly predicts the displacement ventilation system loads ;the designed system can meet the thermal comfort requirements.K

24、 ey w ords :displacement ventilation ,energy simulation ,thermalcomfortCombustion optimization and performance test of coal 2f ired boilerGUO Yu 2quan , GENG LiThe significance , request ,content and methods of coal 2fired boiler combustion optimization were analyzed , then the relationship of boile

25、r performance test and optimization is indicated. The process of a 410t/h boiler combustion optimization was detailed. Optimization is an important way that can improve boiler economics ,save energy and reduce the con 2sumption.K ey w ords :coal 2fired boiler ; combustion optimization ; perfor 2manc

26、e test ;energy conservationThe essential of selecting and operating of briquette f ired boilerY UAN Fu 2lin ,LU Y an , WU Bao 2chenIntroduced the essential of selection and operation for briquette fired boiler in detail ,such as select heat surface suitably ,select boiler adopted new technique as po

27、ssibly ,understand economy of briquette fired boiler s using exhaust fan ,using high quality briquette as possibly ,rightly un 2derstand the actual hot water of hot water boiler ,etc.K ey w :briquette ;operation grinding systemsFU Ke 2ming , ZHU Hongseveral principal milling systems and the 2have be

28、en drawn is that pregrinding and roller system can raise output increasingly ,depress the milling electrici 2ty consumption ,is more ideal milling system. On the basis of depressing the particle size which enter the mill ,by means of modifying the separa 2tor ,liner plates , steel balls in the mill

29、,elimint over 2milling ,etc ,can get the effects of raising output and depressing consumption.K ey w ords :milling system ; raise output and depress tion ;theory of grindingE nergy saings by mixing room air of perimeter and internal zonesL IU Guo 2qiangMethods for mixing room air of perimeter and in

30、ternal zones were described for 2pipe and 42pipe FCU systems. Energy savings were cal 2culated for various design heating loads based on the average outdoor temperature of Beijing in winter. The proposal is viable for design heat 2ing loads greater that 25W/m 2,and benefit is small if less than 17W/

31、m 2.K ey w ords :air 2conditioning ; perimeter zone ;internal ing ;energy 2savingAnalysis of energy conservationand economy of untreated sew age cooling and heating source and traditional oneWU Xue 2hui ,SUN De 2xingBy means of an actual project in Harbin ,a comparison was taken on the economy and environmental protection for three systems ,including urban untreated sewage sou