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    1. 淺析污水源熱泵技術在污水處理廠中的應用

      發布時間:2018-11-11 15:26          

      本文通過水源熱泵在烏魯木齊市某污水處理廠的應用,詳細介紹了水源熱泵的工作原理、運行成本、工作特點和實際經驗,繼而闡述了水源熱泵在污水處理廠的應用前景。

      水源熱泵是以水為介質來提取能量實現制熱和制冷的一個或一組系統。針對水源熱泵機組,就是通過消耗少量高品位能量,將地表水中不可直接利用的低品位熱量提取出來,變成可以直接利用的高品位能源的裝置。

      城市污水是北方寒冷地區不可多得的熱泵熱源和空調冷源,它的溫度一年四季相對穩定(冬季比環境空氣溫度高約25℃,夏季比環境空氣溫度低約10℃),是很好的熱泵熱源和空調冷源——這種溫度特性使得污水源熱泵比傳統空調系統運行效率要高,它的性能系數f既每消耗1的能量所獲取的能量)可達到4-5,故節能和節省運行費用效果顯著。近幾年,隨著熱泵技術的發展,在北京、石家莊、天津等地的污水處理廠相繼建成了規模不等的熱泵系統。但是,烏魯木齊市污水處理廠使用熱泵技術還是首次。

      一、工程概況

      河西污水廠設計日處理10萬m3污水,遠期20萬m13,水質標準1GB。目前共有熱泵6臺,其中用于廠區供熱兩臺,用于空調系統兩臺,用于洗浴熱水兩臺。本工程總投資800萬元,平均運行成本約20元/平方米,其中夏季制冷面積2000平方米,運行成本約10元/平方米;冬季供暖面積7000平方米,運行成本約30元/平方米。該廠將供熱(制冷)區域劃分為四個部分:在冬季,辦公樓、單身宿舍及各車間的值班室27℃,廁所14℃,各車間的無人區12。C,車庫5℃;在夏季,辦公樓、單身宿舍及各車間的值班室20℃,廁所、各車間的無人區、車庫不考慮。目前,熱泵運行情況良好。該廠在污水進廠的總出水口建設空調水源水采集系統,直接利用處理過的污水。同時,在污水源泵房設置了除污器。

      該廠采用了安裝水一水熱交換器的水源熱泵系統,其工作原理如下:

      1.冬季制熱工況。污水由污水提升泵抽入殼管式換熱器,在換熱器內與中介水(軟化水)進行熱交換,冷卻污水回流到市政污水管網,而加熱的中介水進入蒸發器,由壓縮機排出高溫高壓氣態工質R22進入冷凝器,與內循環水(軟化水)發生熱交換,將內循環水加熱,經分水器由管道輸送到各個“風機盤管”實現供熱,而經過冷凝器的R22工質在高壓下變為液態或基本變為液態,液態R22工質通過節流閥等后壓力下降,并進入蒸發器。在氣化過程中,大量吸取中介水熱能,而完全汽化后的工質又回到壓縮機,這樣不斷循環,致使不斷將污水中低品位熱能轉變為高品位熱能。

      2.夏季制冷工況。由壓縮機排出高溫高壓氣態R22工質通過管道進入冷凝器與中介水(軟化水)發生熱交換,中介水通過殼管式換熱器與污水發生熱交換,冷凝后R22工質變成液體進入節流閥,節流后的R22工質變成低溫、低壓氣液混合體進入蒸發器,在蒸發器中R22工質完全蒸發為氣體并吸收內循環水(軟化水)中的熱量。內循環水被冷卻到7℃左右,通過分水器由管道送到每個房間的“風機盤管”實現送冷,汽化后的工質又再次進入壓縮機,如此連續不斷產生冷水,產生的熱量則通過冷凝器不斷被中介水和污水帶走。圖1為運行原理圖。

      二、設計參數

      1.氣象參數。根據實測污水水溫資料分析,烏市最低水溫為13.2℃,冬季水溫變化范圍在14.8℃-13.2℃,夏季水溫變化范圍在17.9℃-14.6℃,可以滿足水源熱泵提取4℃水溫的要求。

      2.溫度參數。冬季,污水平均水溫約14℃,經換熱器換熱后回水溫度為lOoC。熱泵冷凝水器出水作為供暖系統循環水,供回水溫度為55℃-45℃;夏季,污水溫度約為18℃,經換熱器換熱后回水溫度為20℃,熱泵蒸發器出水為制冷系統冷凝水,供回水溫度為7℃~12℃。該系統冬夏兩季工況的轉換通過切換閥門來實現,熱泵機組為廠區各類泵房及附屬建筑物提供冬季低溫采暖供熱介質(65/50℃)。冬季采暖負荷505KW,還為綜合辦公樓、食堂提供冬、夏季空調介質,冬季熱負荷235KW,供熱介質( 32/37℃);夏季冷負荷286KW,制冷介質(12/7℃)。同時,為廠區浴室及辦公樓提供熱水,介質溫度( 45℃),滿足了設計要求。

      三、技術應用分析

      1.污水處理技術的選擇。由于污水中含有固體懸浮物等,需要采用污水防阻過濾器對污水進行過濾處理,加之污水內微生物容易在熱泵機組內壁結垢影響換熱,污水容易引起熱泵機組換熱器腐蝕、污水滲漏等原因,故技術上對水質要求比較嚴格。本廠泵房對污水熱量利用采用直接換熱方式,這就要求解決好熱泵系統阻塞、腐蝕、結垢以及污水滲漏等問題。因此,水源泵的運行管理起著重要作用。由此看出,保證熱泵系統的進水水質是從污水中經濟回收能量的關鍵。

      2.熱用戶的問題。冬季熱源泵提供的熱水溫度是45℃-50℃,能滿足空調系統用戶的要求。但對于廠區車間使用散熱器的用戶,設計溫度為55℃-60℃,在冬季最冷的月份,則不能滿足車間熱用戶的要求,造成車間氣溫偏低——針對這個情況,則采用燃氣鍋爐輔助供熱的方式加以調節。

      3.使用管理。在使用中,應該選用質量較好的閥門,反之則會直接影響到空調系統的安全運行。此外,在使用過程中,還應不斷對機組系統調節至最佳工況,以降低能耗。

      4.降低技術風險。為確保污水處理廠在污水取水以及設備停水檢修期間冷熱供應系統的可靠性,尤其在北方地區,應有備用的鍋爐作為緊急狀態下使用。

      四、經濟效益分析

      污水源熱泵是利用污水處理廠出水量大,水質穩定,常年溫度在13至25攝氏度等特點,以污水作為熱源進行制冷、制熱循環的一種空調裝置。污水源熱泵具有熱量輸出穩定、COP值高、換熱效果好、機組結構緊湊等優點,是實現污水資源化的有效途徑。污水源熱泵比燃煤鍋爐環保,污染物的排放比空氣源熱泵減少40%以上,比電供熱減少70%以上。它節省能源,比電鍋爐加熱節省2/3以上的電能,比燃煤鍋爐節省1/2以上的燃料。由于污水源熱泵的熱源溫度全年較為穩定,其制冷、制熱系數比傳統的空氣源熱泵高出40%左右,其運行費用僅為普通中央空調的30%—55%。因此,污水源熱泵有著廣闊的應用前景。

      1.從設備投資方面看:在計增容費的情況下,污水熱能利用系統最少,為地下水熱泵系統的84.10%,為燃氣+空冷空調系統的77.08%;在不計增容費的情況下,污水熱能利用系統的設備投資為地下水水源熱泵系統的81.32%,為燃氣+空冷空調系統的227.08%。

      2.從年運行費用上看:燃氣+空冷空調系統的運行費用最高,地下水水源熱泵系統次之,污水水源熱泵系統為最低。3種供能方式的年運行成本以污水熱能系統最低,僅為燃氣+空冷空調系統的46.19%,為地下水熱泵系統的72.50%。在投資有效期內(按20年考慮),綜合比較3種方案的費用,污水水源熱泵系統的總運行費用大約是地下水水源熱泵系統的70%左右,是燃氣+空冷空調系統運行費用的45%左右。由此可見,污水熱能利用系統的經濟性是相當顯著的。

      五、結論和建議

      首先,污水處理廠使用污水源熱泵技術,對節能降耗起著積極作用。其次,污水源熱泵系統供暖方式為城市污水熱能利用提供了新的思路。由于污水源熱能利用是符合循環經濟理念的新型方式,故應制定更加詳細、可操作性強的、有利于污水源熱泵系統實施的政策和措施,以推動該項技術的應用與發展。

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