直接式污水源熱泵系統(tǒng)在奧運(yùn)村換熱站中的應(yīng)用

                                      李瑞霞　李文偉　尤　晶

                                        北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院 

    摘要：結(jié)合奧運(yùn)村換熱站的應(yīng)用實(shí)例,介紹了直接式污水源熱泵系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程,指 出直接式污水源熱泵系統(tǒng)在應(yīng)用中需要針對過濾系統(tǒng)、熱泵機(jī)組和自清洗系統(tǒng)進(jìn)行專門的設(shè) 計(jì)。分析結(jié)果表明直接式污水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行,具有明顯的節(jié)能減排作用。

    關(guān)鍵詞：污水源熱泵　換熱站　自清洗系統(tǒng)

    熱泵技術(shù)是解決建筑供暖系統(tǒng)節(jié)能問題的重 要技術(shù)之一,被稱為21世紀(jì)的“綠色空調(diào)技術(shù)”。 

    城市污水中蘊(yùn)含大量的可利用的廢熱資源,污水源熱泵系統(tǒng)是有效利用污水廢熱資源的一種合理而又可行的系統(tǒng)方式。直接式污水源熱泵系統(tǒng)以城市污水為載體,通過消耗部分電能做功,冬季將蘊(yùn)藏于污水中的大量低位熱能回收利用,提升能量品位后,為建筑供暖;夏季把室內(nèi)的熱量取出,釋放到水中,以達(dá)到制冷的目的。

    1　工程概況

    1.1　工程介紹

    奧運(yùn)村再生水熱泵冷熱源項(xiàng)目的換熱站位于森林公園西北側(cè)、清河南岸附近,是該項(xiàng)目再生水處理、換熱并將熱能輸送至奧運(yùn)村的核心建筑,圖 1為其外觀圖。換熱站內(nèi)有過濾器、換熱器、水泵等重要設(shè)備和供電、自控系統(tǒng)及管理人員用房等?？偨ㄖ娣e1 250 m2,建筑高度6 m,總供暖、供冷面積約為1 147 m2。

    1.2　冷、熱負(fù)荷

                   

                                                 圖1奧運(yùn)村換熱站外觀圖

    本項(xiàng)目換熱站為獨(dú)棟建筑,周圍沒有任何遮 擋,同時(shí)該建筑不是按照節(jié)能建筑規(guī)范要求建設(shè)的 節(jié)能建筑,夏季冷負(fù)荷指標(biāo)取150 W/m2,冬季熱 負(fù)荷指標(biāo)取100 W/m2?？偫湄?fù)荷為172 kW;總 熱負(fù)荷為115 kW。

    1.3　水源條件

    奧運(yùn)村換熱站內(nèi)設(shè)有一3 000 m3的污水蓄水 池作為奧運(yùn)村再生水熱泵冷熱源工程的水源,污水 來源為清河污水處理廠的二級排水,本項(xiàng)目自污水 蓄水池內(nèi)取水作為直接式污水源熱泵系統(tǒng)的冷熱 源。平時(shí)水質(zhì)較好,接近二級水水質(zhì);雨季或雪季 會(huì)有部分雨雪水及未處理的污水混入,水質(zhì)較差, 略差于三級水水質(zhì)。表1給出了北京地區(qū)二級水 和三級水水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。

              

    對本項(xiàng)目水源取樣測量,其中Cl-的質(zhì)量濃度 為137.25 mg/L,SO2-4的質(zhì)量濃度為154.89 mg/L。 通過實(shí)地測試,該水源冬季最低溫度不低于 12.5℃,夏季最高溫度不高于26℃,是良好的熱 泵冷熱源。

    本項(xiàng)目規(guī)模較小,水源水量充足,完全可以滿 足項(xiàng)目水量的要求。

    2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    2.1　污水源熱泵系統(tǒng)原理簡介

    污水源熱泵系統(tǒng)是水源熱泵的一種工程應(yīng)用方式,冬季通過輸入少量的電能做功,從污水中提取熱量,并將熱量轉(zhuǎn)移到供暖循環(huán)水中實(shí)現(xiàn)供暖; 夏季通過熱泵系統(tǒng)將房間內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到污水中, 實(shí)現(xiàn)供冷。具有清潔環(huán)保、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)污水是否進(jìn)入熱泵機(jī)組換熱器,可以將污 水源熱泵系統(tǒng)分為直接式和間接式兩種。

    直接式污水源熱泵系統(tǒng)沒有間接換熱帶來的 熱量損失,水源利用溫差大,系統(tǒng)效率高。污水進(jìn)入熱泵機(jī)組前需配置自清洗過濾系統(tǒng)。由于污水的腐蝕、結(jié)垢特性,熱泵機(jī)組蒸發(fā)器、冷凝器均需進(jìn)行專門的防腐、防垢、防堵塞設(shè)計(jì)并需配置專門的自清洗系統(tǒng)。

    間接式污水源熱泵系統(tǒng)通過換熱器間接提取污水中的熱量,換熱器需要根據(jù)污水水質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的防腐、防垢、防堵塞設(shè)計(jì),污水進(jìn)入換熱器前需配置相應(yīng)的自清洗過濾系統(tǒng),采用板式換熱器的間接式污水源熱泵系統(tǒng)對自清洗過濾系統(tǒng)的要求更高。間接式污水源熱泵系統(tǒng)的熱泵機(jī)組選型簡單,熱泵機(jī)組的效率、項(xiàng)目投資更容易控制。

    2.2　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

    本項(xiàng)目采用直接式污水源熱泵系統(tǒng)。污水進(jìn)入熱泵機(jī)組前設(shè)置自清洗過濾器對污水進(jìn)行過濾處理;配置在線自清洗裝置對熱泵機(jī)組換熱器定時(shí)進(jìn)行在線自清洗,從而保證機(jī)組的換熱效率。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

                    

    2.3　污水需求量

    冬季,熱泵從污水中提取熱量,污水可用溫差 按5℃(12.5℃/7.5℃)計(jì)算,設(shè)計(jì)工況下熱泵的 性能系數(shù)COP取4,計(jì)算得污水需求量為14.8 m3/h。

    夏季,熱泵向污水中排放熱量,污水可用溫差按 5℃(26℃/31℃)計(jì)算,設(shè)計(jì)工況下熱泵的性能系數(shù)COP取5,計(jì)算得污水需求量為35.5 m3/h。根據(jù)夏季污水需求量研究項(xiàng)目取水量為35.5 m3/h。

    2.4　系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

    室外溫度隨時(shí)間的波動(dòng)情況見圖3,相對供熱負(fù)荷與室外溫度的變化關(guān)系曲線見圖4。

                  

    本項(xiàng)目系統(tǒng)末端采用風(fēng)機(jī)盤管,為提高熱泵機(jī) 組的效率,夏季冷水設(shè)計(jì)供/回水溫度為7℃/12 ℃;冬季熱水設(shè)計(jì)供/回水溫度為45℃/40℃。 因常規(guī)風(fēng)機(jī)盤管額定供熱工況的供/回水溫度為60℃/50℃,因此本項(xiàng)目在選擇風(fēng)機(jī)盤管時(shí)需 針對系統(tǒng)熱水設(shè)計(jì)供/回水溫度進(jìn)行風(fēng)機(jī)盤管的校 核選型,以滿足系統(tǒng)要求。

                

    2.5　主要設(shè)備配置

    1)過濾器

    為保障后端熱泵機(jī)組換熱器的換熱性能,針對 污水水質(zhì)情況,在本項(xiàng)目中設(shè)置了兩級過濾裝置。一級為毛發(fā)集結(jié)器,主要用于過濾污水中的毛發(fā)及 粗大顆粒污雜物;二級過濾器采用精度為500μm 的自清洗過濾器。

    2)熱泵機(jī)組

    選擇1臺(tái)滿液式熱泵機(jī)組,換熱管材為鎳銅合金,進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)。

    3)自清洗系統(tǒng)

    因污水經(jīng)過濾后直接進(jìn)入熱泵機(jī)組換熱器,長期運(yùn)行換熱器內(nèi)必然會(huì)結(jié)垢,導(dǎo)致?lián)Q熱量下降,為保證機(jī)組的換熱效率,需定期對熱泵機(jī)組換熱器進(jìn)行清洗。常用的物理清洗法及化學(xué)藥劑清洗法均需停機(jī)清洗,不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且長期清洗對機(jī)組換熱器有一定的磨損或腐蝕,影響換熱器使用壽命膠球在線自清洗系統(tǒng)無需停機(jī)即可對機(jī)組換熱器 進(jìn)行即時(shí)清洗,保證了換熱器的換熱效率。在本項(xiàng) 目中選擇了膠球在線自清洗系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)組換熱器內(nèi)換熱管的在線自清洗。

    4)其他主要設(shè)備(見表2)

    3　工程完成情況

    本工程已投入運(yùn)行兩個(gè)供暖季,一個(gè)制冷季。 筆者對選用的設(shè)備、熱泵機(jī)組的運(yùn)行狀況進(jìn)行了系統(tǒng)、詳細(xì)的監(jiān)測,結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。

           

    4　能源費(fèi)用測算

    每年供冷季(5月15日~9月15日)和供暖季 (11月15日~3月15日)均按120天計(jì)算,電費(fèi)取 0.5元/(kWh),計(jì)算得單位面積供暖費(fèi)用為12.4 元/(m2·a),供冷費(fèi)用為14.1元/(m2·a),總費(fèi) 用為26.5元/(m2·a)。

    5　節(jié)能、減排效益分析

    直接式污水源熱泵系統(tǒng)在環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排上效益突出。冬季北京的大氣環(huán)境污染物主要是燃煤排放的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及粉塵等,采用污水源熱泵供暖、供冷,以少量清潔的電能消耗,帶來3~5倍的清潔熱能,沒有就地污染,有利于大氣環(huán)境保護(hù)。

    據(jù)測算,與燃煤供暖相比,該系統(tǒng)每年節(jié)約的能源折合為燃煤約18 t,減排CO24. 25 t, CO 0.03 t,SO2,NOx0.83 t,粉塵0.20 t。夏季制冷無需冷卻塔,避免了噪聲、飄水、視覺 污染以及“熱島”效應(yīng)等問題,每個(gè)供冷季節(jié)水約 350 t。實(shí)現(xiàn)了空調(diào)制冷“零”排放、無污染?？梢?直接式污水源熱泵系統(tǒng)是一種新型的綠 色環(huán)保的能源利用方式。

    6　結(jié)語

    城市污水溫度夏季比環(huán)境溫度低,冬季比環(huán)境 溫度高,是良好的熱泵冷熱源。采用直接式污水源熱泵系統(tǒng)為建筑供暖、供冷需根據(jù)污水水質(zhì)設(shè)計(jì)過濾系統(tǒng)、熱泵機(jī)組和自清洗系統(tǒng)。本文通過項(xiàng)目實(shí)例說明,直接式污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行,具有明顯的節(jié)能減排作用。