污水源热泵系统的工程应用

2006年第12期节能(总第293期)ENERGY CONSERVATION45-污水源热泵系统的工程应用闫桂兰,唐志伟(北京工业大学环境与能源工程学院传热与节能教育部重点实验室,北京100022)摘要:污水源热泵系统以污水作为热源/热汇,通过热泵机组将污水中难以直接利用的热能提取出来。结合大型工程实例的设计及建设.依照系统的运行流程提出了工程各个部分的设计和建设中的要点问题。分析了系统流程,介绍了污水源的水量、水温的保证,取排水的建设,换热器的选择,热泵机房的设计。关键词:污水源热泵;换热器;换热系数中图分类号:TU831文献标识码:B 文章 编号: 1004 - 7948(2006)12 - 0045 -031工程简介活污水等,而城市污水二级出水是经过- -级 物化处北京市某污水源热泵采暖空调工程项目实施地理和二级生化处理后的水[1]，去除了污水中的大尺处北京市亦庄高新开发区。项目濒临市区凉水河，度杂质,降低了污水的腐蚀度,更有利于污水中热能河内长年流有温度波动较小的污水,据测量冬季污的提取。水温度高于环境温度15~ 20C ,夏季低于环境温度原生污水与二级出水的利用在水源人口端的处10~ 15C ,因此是热泵系统良好的热源/热汇。污水.理有所不同,利用原生污水一般要经过多级过滤或源热泵系统流程见图1。使污水首先通过沉淀池沉降,以去除污水中含有的大尺度的杂质及砂土,从而避免污水换热器发生堵145-50C塞现象而影响正常使用。二级出水的利用一般通过40-45C两级过滤后直接进人换热器,运行安全可靠,工程施工简易,造价低。本工程利用的是凉水河中的二级出水,河内污高面心86水为二级出水,经实测检验出水水质符合国家城市污水处理厂污水污泥排放标准。水源经利用之后再6r热用户直接排入河道,对河水水质不造成任何影响。而此环节的利用对污水处理厂的经济补偿又相对降低了1-滤网;2- -污水循环泵;3-自动反清洗式过滤器;4←管壳式换热污水处理的费用。器;5一二次水循环泵;6-换热器自动清洗四向阀;7-蒸发器;8- -冷2.2污水水温保障凝器;9-主电动机;10-冷/热水主循环泵城市污水冬暖夏凉,水温稳定,图2是凉水河图1污水源热泵系统流程图( 供热循环)2005 ~ 2006年冬季工程取水地水温测试图。由于该项目一共由5座楼组成,总建筑面积6.523工程 取水地距离污水处理厂出水口大约5km,长距万m2. ,地上5层冬季供暖,夏季制冷;地下一层只供离布置地下埋管取水较为困难,且造价极高。于是暖,总供暖制冷面积为6.105万m2 ,初步设计提供测量了污水沿河道自然流到工程取水地段的水温。供热总负荷4585kW,空调总冷负荷6145kW,生活从图中可以看出,水温在外界温度剧烈变化的情况热水加热量530kW ,采用污水源热泵系统冬季供暖下基本保持2C之内的轻微浮动,最低水温为10C，室内设计温度为18C,夏季制冷室内设计温度为此时中国煤化工差为19C。污水热25C,生活热水设计温度为50C。泵HCN MHG ,因此冬季污水完2污水冷热源参数特性全可以保证机组的止吊运仃。2.1污水水质问题2.3污水水量的评估.城市污水主要包括工业废水、工业冷却水及生城市污水水量的变化主要是生活污水的变化，节能2006年第12期6一ENERGY CONSERVATION(总第293期)挡大尺度的杂物，以防止阻塞吸水口,另外在吸水口10 H的端口还将安装细格栅进-步过滤污水,另外,在吸st.外温度水口下方设计淤泥清除装置,定期清除淤泥,保证进包水水质达到设计标准。珊0叶4换热器的选型4.1换热器的选择在污水源热泵的利用中，按污水是否直接进入-10热泵蒸发器或冷凝器,分为直接利用和间接利2005.12.27 2005.12.31 2006.01.0 206.01.10 2006.01.14时间用2。由于污水具有腐蚀性,结垢现象严重,本工图2污水水温 测试图程采用间接利用,污水在污水换热器中与二次水换而污水处理厂的出水其水量基本保持不变。据测凉热。污水换热器的选择也是本工程的技术重点。水河污水处理厂的日出水量是45万m3 ,而本工程管壳式换热器大量应用于化工、石油、能源设备的所需污水量为680m3/h,若按日供暖24h计算,则等部门的换热设备中,其清洗方便,适应性强,处理日需污水量约1.6万m',仅占出水量的3.6%。故量大,工作可靠,广泛应用于国内外的污水换热系统污水处理厂出水量的变化不会影响到本工程的用中。由于本工程制冷供暖量巨大,经比较选择此类水。而且本工程还设有备用水源井,在污水水量发换热器。生重大变化时,及时启用,从技术措施方面保证建筑4.2换热器的有关计算的正常供暖.制冷。换热器的工程计算公式可采用:如果对出水水温没有限定的情况下,则可采用.Q=km" A.Otm“小流量,大温差”的设计理念,而在水量充足的情况式中km一整个传热面上的平均传热系数,kW/下,则适当调整为“大流量,小温差”,以保障系统安(m2.C);全有效运行,充分节约能源。;A-传热面积,m2; .3取排水口设计Otm- -两种流体之间的平均温差,C。取排水口的设计可分为分列式和差位式。两种设计污水走管程,二次水走壳程,分析管壳式换布置各有优缺点,适用范围不同。热器中的换热过程,不能忽略的是换热管管壁黏泥差位式排布根据水位的变化分设不同的取水位的热阻。故可知kim可表示为:置,适用于需水量较大的电厂化工厂冷却水的取排。分列式排布时取水位置固定,一般靠近水底,以kmhwλ;fλ2fha保证水量变化不影响取水用水。此类排布由于靠近式中hw- -污水侧表面传热系数,kW/(m2.C);水底,一般会在长期取水和水流变化的情况下淤积λ-管内黏泥导热系数，kW/(m.C);泥沙,从而堵塞取水口。适用于用水量较小的工程。δ-管内黏泥厚度,m;在本工程中用水量较小，仅布置-个取水 口和δ2-换热管厚度,m;一个排水口,故采用此种形式,见图3。λ2-换热管导热系数, kW/(m.C);取排水口设置凹入河岸,在凹口处设置格栅,阻hg- -清水侧表面传热系数, kW/(m2.比)。经计算及参考其他工程实际及理论研究,本工程选取设计平均传热系数650 ~ 750W/(m2.C )[5],25002000计算换热面积为933~1077m2,因此选择换热面积875 [750-875为中国煤化工"器4台,3用1备。污水二------图YH. CNMHG参数壳体直径/mm管程数长度/m .管外径/mm(a)取水口侧面(b)取水口(c)排水口图3取排水口的设计11002:2006年第12期节能(总第293期)ENERGY CONSERVATION4.3管壳式换热器的应用设计组与空气源热泵机组相比,夏季冷凝温度低冬季蒸污水中含有大量油性污物,流经换热管时会使发温度高,能效比和性能系数大大提高,而且运行工换热管产生挂膜现象,管壁粘结黏泥,从而增大换热况稳定,比传统中央空调系统节省30%~60%的运热阻,影响换热效果。因此在设计污水换热器的使行费用。用时,使污水走管程,选择浮头式换热器,换热管可(2)节水。污水热泵机组无需设冷却塔,本工程拆卸清洗。同时设置换热管的自动反冲洗设备,在年节约水量为2.316万m'。另外,本工程还设有雨换热器运行期间定时反冲换热管,以保证换热效率,水收集系统,在夏季雨期可收集雨水,以使水资源充提高热能的利用率。分利用。污水换热器的主要热阻集中在污水侧,据计算(3)运行安全。污水源热泵既可省去打井费用，黏附污泥为0. 5mm厚时,换热效率将下降35%左又不需要抽水与回灌所需的动力,也可避免出现由右,故而为提高换热系数,可在换热管中加人扭转于回灌不当而引发的地下水资源的破坏问题。带,使得污水流动处于紊流状态,减少换热管管壁的(4)环保效果显著。污水热泵不需锅炉，没有燃.结垢,提高换热效率。但同时会增加污水流动阻力,烧过程,不存在固体废弃物、有毒有害气体及烟尘排增大泵功,是否从而增加运行费用现在还没有解决,放等问题,是环保性空调系统。选择多大扭转比的扭转带最为合适,目前此方面的7结论此污水工程工程量较大,在全国的污水工程中实验研究正在进行中。也属少数。5机房的设计5.1泵房设计(1)由于此办公建筑处于北京地区,冬季供热负设备机房包括换热器机房与空调机房两部分，荷略低于夏季制冷负荷,因此水源热泵机组冬季满其中换热器机房设置在污水河边,就近利用污水中负荷运行,夏季制冷配合使用部分冷水机组,由此评的低位热能且减少热能在传输途中的损耗,若铺设价其能源的综合利用率达到方案最优,工程造价较污水管路将污水输送到工程地内,则污水管路必须低,运行费用也最低。敷设在地下所有管道的最下层,即地下9m,其中还(2)污水取水方式有河道直接取水和管道取水要穿越一条公路主干道,施工较为困难。若运输期两种方式,污水的水温在冬季高于空气温度,夏季低间发生泄漏现象,将会污染地下水体资源,污水输送于空气温度,但是实际工程应用必须实测温度的变化量,以保障水源热泵的进水温度及温差许可。到工程区内,难闻的气味也会污染环境。空调总机房设置到工程地内,离河岸大约(3)污水对设备的污染性、腐蚀、结垢等是污水100m。使用二次水作为热媒,连接泵房与机房,实利用中不可避免的问题,本工程采用换热管反冲洗现热能的传输利用。二次水非污染性水体,管路只技术,拆卸清洗方式耗费人工及能源,仍然不是最经需敷设在地表以下3~4m,既能保证水温不会有明济的方法,此问题有待进一步解决。显变化又不用深层地下施工,或小了施工难度,节约(4)污水利用还降低了污水处理的成本,有效利用能源,减少了环境的污染,具有广阔的发展前景。了工程造价。参考文献5.2运行效果[1]尹军,陈雷,王鹤立.城市污水的资源再生及热能回收利目前系统运行正常,室内温度达到设计要求,效用[M].北京:化学工业出版社,2003.果显著,而对于优化换热器传热性能的测试正在进[2]潘继红,田茂诚.管壳式换热器的分析与计算[M].北京:科学出版社, 1996.一步进行中。[3]吴荣华,孙德兴,张成虎,等.热泵冷热源城市原生污水的6节能环保分析流动阻塞与换热特性[J].暖通空调,2005, 35(2):86 -(1)节电。污水热泵将污水热能连同机组所耗电能一并转移到室内,能效比达4.5~6.0以上,能作者中国煤化工家口人,在读硕士研究生，YHCNMHG源利用效率是电采暖方式的3~4倍。污水热泵机收稿口删:2u0-0的- 11;修凹口删:2006-11- 13.