污水源熱泵供熱的工程應(yīng)用及其分析

污水源熱泵供熱的工程應(yīng)用及其分析
                       曲云霞1,楊勇1,李愛景1,劉文波1,王偉華2
    (1.山東建筑大學(xué),山東濟(jì)南250101;2.中國石化齊魯有限公司供排水廠,山東淄博255411)
    摘要:齊魯石化水廠原來利用熱電廠蒸汽換熱后制備低溫?zé)崴畬囬g和辦公樓進(jìn)行供熱,運(yùn)行費(fèi)用高。根據(jù)該廠有豐富的工業(yè)污水的特點(diǎn),現(xiàn)設(shè)計采用污水源熱泵機(jī)組為車間及辦公樓提供熱。分析表明,一個采暖季即可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約68萬元,而且使用效果良好。
    關(guān)鍵詞:污水源熱泵;工業(yè)污水;供熱
    中圖分類號:TK11+5;TE08;X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號:1671-5292(2007)02-0103-03
    0·前言
    作為城市廢熱之一而排放的城市污水,由于具有穩(wěn)定的水量和水溫,易于收集,污水中所貯存的熱能較高,可作為清潔能源在低溫區(qū)利用等一系列優(yōu)點(diǎn),正在受到越來越多的重視。特別是熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展,使城市污水熱能利用系統(tǒng)日趨成熟。日本是較早利用污水中熱能的國家之一。日本不僅利用未處理過的污水作為熱源,而且也利用二級出水或中水作為熱源。東京大區(qū)污水管理局從1987年起啟動從污水中回收熱能的計劃,現(xiàn)在已有12個熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行,其中4個使用未處理污水作為熱源,其余為使用二級出水或中水作熱源?；厥盏哪芰恐饕糜谖鬯幚韽S辦公建筑的空調(diào),也有作為區(qū)域供熱的熱源。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作熱源。
    在我國隨著人民生活水平的提高,在空調(diào)和熱水供應(yīng)方面所消耗的能源顯著增加,節(jié)約能源已經(jīng)成為21世紀(jì)的首要任務(wù)。因此,可再生能源的利用已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)。污水源熱泵是利用污水處理廠中水或原生污水作為熱源進(jìn)行制冷、制熱循環(huán)的一種空調(diào)裝置。它具有熱量輸出穩(wěn)定、COP值高、換熱效果好、機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)污水資源化的有效途徑。目前,利用污水源熱泵系統(tǒng)為建筑物供冷、供熱已有一些應(yīng)用的實(shí)例。
    1·污水源熱泵系統(tǒng)類型
    污水源熱泵系統(tǒng)按照其使用的污水的處理狀態(tài)可分為以未處理過的污水作為熱源/熱匯的污水源熱泵系統(tǒng)和以二級出水或中水作為熱源/熱匯的污水源熱泵系統(tǒng);根據(jù)污水與熱泵的熱交換部分是否直接進(jìn)行熱交換,可分為間接利用系統(tǒng)和直接利用系統(tǒng)。從工況轉(zhuǎn)換方式上看,大體可分為兩種:一種是制冷劑流向的切換,即通過四通換向閥的換向來實(shí)現(xiàn)制熱工況和制冷工況的轉(zhuǎn)換;另一種是水切換式,即通過閥門改變水流方向來實(shí)現(xiàn)工況轉(zhuǎn)換。由于考慮到污水水質(zhì)及污水中污物對熱泵機(jī)組的影響,目前國內(nèi)多采用間接式污水源熱泵系統(tǒng)。本文中介紹的實(shí)例即為利用工業(yè)污水的間接式污水源熱泵系統(tǒng)。
    2·工程概況
    中國石化齊魯有限公司供排水廠(以下簡稱齊魯石化水廠)主要負(fù)責(zé)進(jìn)行給水的處理和銷售,以及中國石化齊魯有限公司生產(chǎn)過程中污水的處理和排放。進(jìn)入該廠的污水溫度為30~40℃,為了滿足污水處理工藝過程的要求,在處理過程中,要向污水中加入大量的地下水,以降低污水的溫度達(dá)到排放指標(biāo)。
    該廠主要由凈化車間、設(shè)備間、庫房和辦公樓組成,總建筑面積約為9 000 m2。廠區(qū)內(nèi)冬季供熱原采用蒸汽通過換熱器轉(zhuǎn)換為低溫?zé)崴┡?末端設(shè)備為暖氣片,冬季供暖面積約為5 500 m2。根據(jù)廠方提供的數(shù)據(jù),該廠冬季采暖所耗費(fèi)用約為85萬元,由于廠家認(rèn)為費(fèi)用太高,希望我們能夠根據(jù)該廠現(xiàn)有條件,對原有系統(tǒng)進(jìn)行改造和設(shè)計,以降低運(yùn)行費(fèi)用。
    3·冬季供熱方案設(shè)計
    通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),該廠有優(yōu)越的自然條件可以利用。首先有充沛的地下水資源,可利用的深井水流量在100 m3/h以上,地下水溫度為16～20℃;其次具有大量工業(yè)污水,污水溫度為30～40℃。這些有利條件很適合使用水源熱泵空調(diào)來為廠區(qū)供冷和供熱。經(jīng)過與廠方協(xié)商,決定采用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng),具體方案如下。
    冬季,直接利用生產(chǎn)污水作為辦公樓、設(shè)備間、庫房和凈化車間的吸熱源,向各房間供熱。為了節(jié)省設(shè)備費(fèi)用,冬季設(shè)備間和凈化車間仍采用原有的散熱器供暖,只有辦公樓和車間的值班崗位增設(shè)了風(fēng)機(jī)盤管作為房間的末端設(shè)備。夏季,利用地下水作為熱泵機(jī)組的放熱源,利用水源熱泵機(jī)組為辦公樓提供7～12℃的冷凍水?？紤]到以后的發(fā)展,并根據(jù)空調(diào)負(fù)荷選用SGHP600A螺桿水源熱泵機(jī)組,機(jī)組額定工況下制冷量為522 kW,進(jìn)出水溫度為7~12℃,制熱量為574 kW,進(jìn)出水溫度為52~42℃。
    采用該方案后,一方面,充分利用了污水中的熱量,節(jié)省了使用蒸汽采暖的費(fèi)用,同時,使污水溫度降低,減少了污水處理過程中地下水的用量,可謂一舉兩得。
    考慮到污水水質(zhì)對熱泵機(jī)組的影響,本工程中采用間接式污水源熱泵系統(tǒng),冬夏季工況采用水側(cè)切換方式,冬季供熱系統(tǒng)流程見圖1。
         
    在該工程中,所利用的污水源主要是勻質(zhì)池中的污水。由于污水中含有較高堿性、氯根,及有機(jī)溶劑和懸浮物,因此污水對鐵、銅、普通不銹鋼、部分種類的塑料都具有較強(qiáng)腐蝕性。最終選擇采用PEX管作為污水換熱器管材,換熱器內(nèi)加入自來水作為循環(huán)介質(zhì),通過自來水吸取污水中熱量,然后與熱泵機(jī)組進(jìn)行熱交換為用戶提供50℃左右熱水。在污水池中,污水換熱器的設(shè)計直接影響到機(jī)組的制熱量?？紤]到勻質(zhì)池的清淤問題,污水換熱器沿著池內(nèi)壁均勻敷設(shè),而且管與管之間相隔一定間距,以利于熱量的吸收和污水換熱器的清洗。由于管子緊靠池內(nèi)壁敷設(shè),使得換熱器的傳熱效果降低,因此傳熱面積應(yīng)適當(dāng)加大。本工程中采用φ32的PEX管近5 000 m,傳熱面積近500 m2。
    該工程于2006年1月投入運(yùn)行,運(yùn)行結(jié)果表明,機(jī)組冬季供給用戶的熱水溫度在46℃左右,回水溫度為41℃左右。污水側(cè)污水換熱器內(nèi)進(jìn)口溫度為25℃左右,出口溫度為30℃左右。2006年1月22日,通過實(shí)測,辦公樓和值班崗室內(nèi)實(shí)際溫度在20~22℃,庫房和車間溫度達(dá)到12℃以上(工藝要求達(dá)到10℃以上即可),結(jié)果表明,采用該方案后,室內(nèi)空氣溫度完全達(dá)到用戶要求。
    4·系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析
    4.1原有方案經(jīng)濟(jì)性分析
    采用原有方案時,根據(jù)廠方提供的數(shù)據(jù),凈化車間冬季采暖蒸汽耗量約為2.4 t//h,當(dāng)?shù)卣羝麅r格為124元/t,當(dāng)?shù)夭膳诎?20 d計算,故該廠冬季采暖費(fèi)用約為：
    2.4×24×120×124=857 088元
    故該廠一年采暖運(yùn)行費(fèi)用約為86萬元。
    4.2現(xiàn)有供熱方案經(jīng)濟(jì)性分析
    采用現(xiàn)有供熱方案后,冬季空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用主要為熱泵機(jī)組和水泵的電費(fèi)。根據(jù)機(jī)組測試的數(shù)據(jù)表明,機(jī)組冬季實(shí)際供熱量約為600kW,機(jī)組滿負(fù)荷時電流為220A,計算得到機(jī)組實(shí)際輸入的電功率為123 kW,熱泵機(jī)組實(shí)際制熱系數(shù)高達(dá)4.8,水泵的功率為15 kW,按當(dāng)?shù)仉妰r0.6元/kWh計算,因此冬季實(shí)際的耗電費(fèi)用為(123+15)×24×120×0.6×0.75=178 848元由此可見,現(xiàn)有的供熱方案冬季運(yùn)行費(fèi)用約為18萬元,一年即可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用68萬元。
    5·結(jié)論
    該廠原來冬季利用熱電廠蒸汽通過換熱器轉(zhuǎn)換為低溫?zé)崴M(jìn)行采暖,每年運(yùn)行費(fèi)用高達(dá)86萬元。供熱系統(tǒng)經(jīng)過改造以后,每年運(yùn)行費(fèi)用只有18萬元,即每年可節(jié)省68萬元,增加的初投資費(fèi)用一年內(nèi)即可收回。同時,經(jīng)過一個采暖季的運(yùn)行測試表明,供暖效果良好,完全達(dá)到用戶需求。另外,由于利用了污水中的熱量,減少了一次能源的消耗,對環(huán)境保護(hù)有重要的意義,值得大力推廣。
    參考文獻(xiàn):
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