污水源热泵中心能源站设计研究.doc

污水源热泵中心能源站设计研究杨灵艳 朱清宇中国建筑科学研究院摘要：本项目以日排水量20万方的污水处理厂处理后污水作为热泵低位热源，建立能源站，为周围公建以及住宅小区集中供冷、供热。本文以项目一期为例，针对污水处理厂排水的特点，探讨污水源热泵系统设计中的相关问题，并将项目与传统电制冷加锅炉的供冷、供热方式进行环保性比较，其节能环保效果十分显著。关键词：污水源热泵 热泵站 集中供能 环保性0 前言随着我国城镇化建设的不断发展，工业企业发展速度的不断加快，生活及工业污水的排放量也逐渐增大。现阶段，大部分的污水在经过污水厂处理后，达到国家排放标准后直接排放，而排放的污水在所经历的各个处理过程中，水温在冬季一般都在10以上，直接排放造成了能量的大量损失。采用污水源热泵系统，冬季可以将污水中的低品味的热能提取出来，经过热泵做功，达到可以供用户供热的温度；夏季可以将制冷系统产生的冷凝热量排放到污水当中。一机两用，可以同时满足用户的供冷、供热需求。1 项目介绍该项目位于山东省某市高新区内，污水源热泵中心能源站直接建在污水处理厂中。周围为高新区内多家企业规划用地，潜在用能客户众多。1.1 一期建设规模污水源热泵中心能源站的建设分为两期进行，一期供能面积为12.5万平米，供能半径为500米，二期供能面积为29万平米，供能半径为2000米。一期所供全部为新建建筑，类型既有公建也有住宅，为了更好的采用污水源热泵作为冷热源，一期建筑末端所用风机盘管以及地板供热的设计中适当降低了温度，冬季风机盘管设计温度为46/39，地板供热采用高低分区后，以板式换热器相隔后，设计温度为45/37。夏季风机盘管供冷设计温度为5/12，设计中冬、夏季均采用了7的大温差，目的是为了降低水流量，从而降低水泵的耗功，提高系统能效比。总设计冷负荷为6400kw，热负荷为5400kw。污水源热泵中心能源站一期设计以此为据。1.2 污水源特性该项目污水处理厂污水来的90%以上来源于高新区内的工业企业，生活污水所占比例较小，由于各个企业工艺处理过程的需要，污水的水温排水温度高于生活污水排水温度，且微生物含量低于普通生活污水，污水经过污水处理厂处理工艺后，排水水质经检测已经达到国家A级排放标准，但是是否能作为热泵的低位热源，还需要对水温、水量和水质进行全面的分析。1.2.1水温污水排水温度，是影响污水源热泵应用效果的重要因素，为了全面评估污水是否能满足污水源热泵冬季供热和夏季供冷的需要，对污水处理厂在供热期和供冷期内的污水排水温度需进行全面监测，监测结果如图1所示。由图1可以看出，污水的日均排水温度在供热季（11月15日至次年3月15日）徘徊在16-19之间，在制冷季（6月20日至9月30日）在25-28.5之间。由此可以看出，污水水温非常适合应用污水源热泵系统，是非常理想的热泵低位热源。夏季污水作为冷却水，效果明显优于冷却塔的冷却工况。图1 污水日均排水温度分布图1.2.2水量 污水的水量，是决定污水源热泵系统能否稳定的满足用户需要的重要因素，因此，须对供热和供冷季节的污水排水量进行监测，监测结果如图2所示。污水日排水量分布图可以看出，污水厂的日累积排水量在供热季最低处理量为122863m3/d；最高处理量为215500m3/d；整个供热季日均处理量为；169042m3/d，日均小时处理量为7043m3/h。在制冷季最低处理量为165945m3/d；最高处理量为279429m3/d；整个制冷季日均处理量为211547m3/d，日均小时处理量为8814m3/h。完全满足污水源热泵中心能源站一期供冷污水需求量1650m3/h，供热污水需求量1470m3/h。图2 污水日排水量分布图1.2.3水质状况表1 污水水质状况调查表 （mg/l）Ph7.45硫酸盐719.53锰0.34浊度(NTU)10.11氨氮22.8总油0.19色度(倍)22.21总磷3.05钙离子224.03BOD3.86溶解性总固体2253.35镁离子56.87COD59.46电导率(ms/m)234.29钾离子22.4氯化物482.09TOC14.37钠离子421.95二氧化硅8.14碳酸氢根385.03硝酸根4.57总硬度793.71NH4+35.59氟化物0.84总碱度315.91铁0.15钡离子0.07 污水厂排水的水质，对污水源热泵机组中换热器材质的选择有决定性作用，尤其是具有腐蚀性的酸根及具有氧化性的高价金属离子浓度。因此，虽然污水处理厂排水已经达到国家A级排放标准，具体在污水源热泵系统中应用，还要进行更详细的分析化验。化验的结果如表1所示。可以看出，污水排水中，硫酸盐、氯离子、硬度都很高，均超过了城市污水再生利用工业用水水质（GB/T 19923-2005）中的相关标准。因此，要在污水源热泵中心能源站的方案论证及设计过程中，充分考虑水质条件产生的制约因素。2 设计方案 本项目中污水源热泵作为能源站为周围用户供能，因此设计方案在充分考虑用户用能需求外，更要注重系统运行的安全性和可靠性。2.1 系统形式污水源热泵形式主要有两种，即直接式和间接式。污水源热泵中心能源站设计中，热泵机组不同于一般的小型热泵机组，小型热泵机组可以采用四通换向阀转换制冷剂流程来实现制冷和制热功能的变换，而污水源热泵站则是采用水路的切换来实现制冷制热功能转换的。因此，如果采用直接式污水源热泵系统，就必须使蒸发器和冷凝器均采用耐腐蚀的材质，而且为了避免污水中的污垢沉积，换热器水侧还应尽量光滑，减少设置肋片等强化换热措施。这样就使得换热系数大大降低，从而致使热泵机组的COP下降。由于本项目中冷热负荷很大，需要采用离心式热泵机组，而目前国内尚无厂家生产这类装备了耐腐蚀性换热器的离心热泵机组，国外也不是很普遍，因此价格很高，使初投资大大增加。而对于间接式污水源热泵系统，由于要增加换热器造成了2的温差，就会损失约1.6MW的低位热能，同时还会增加水泵耗功。由于换热温差选取很小，往往会使换热器体积庞大，增加机房占地面积。由上面对水质的介绍，可以看到本项目所有污水中含有较高的氯离子、及腐蚀性酸根离子，因此对材质的要求十分严格。因此，尽管直接式热泵系统能效比要高于间接式系统，但是出于节约投资、降低造价、以及运行维护简单经济的考虑，本项目采用间接式污水源热泵形式。2.2 用户侧连接方式污水源热泵中心能源站为周围用户供冷、供热，与用户侧的连接主要也分为两种形式，即直接连接和间接连接。直接连接方式的节能高效是不言而喻的，但是，直接连接方式要考虑末端建筑的不同压力需求及其互相影响，而且直接连接方式的补水定压系统也要更加复杂，水泵也要充分考虑到所有用户的需要和为未来扩展做预留，管理和调试相对麻烦。间接式连接方式，在污水源热泵中心能源站和用户直接用板换隔开，增加了换热环节，增加了能量损耗，但采用间接式系统，可以使供冷、供热外网具有良好的增容性，尤其在建筑物类型和层高不确定的情况下，而且污水源热泵能源站和建筑物末端的空调系统可以独立的定压补水，更加便于调试和管理。考虑到污水源热泵中心能源站未来的增容，因此，外网与用户侧连接采用间接式方式。2.3 污水取用方式对于污水取用，本设计根据污水源热泵中心能源站一个小时的污水需求量，建设一个1700m3的地下污水蓄水池，即可以用来调节污水流量瞬时峰谷，以维持一个基准流量；也可以兼作污水沉淀池。由于污水排水渠顶板与地面标高相同，水渠底板标高-1.30米，因此，可以采用新建引水渠设闸板阀的形式将污水引致蓄水池，这样可以避免采用价格昂贵的防腐金属材料制作引水管道。当蓄水池的水面低于排水渠中水面高度时，在势差的作用下，污水自动流入蓄水池。当蓄水池蓄满，水面与排水渠中同高时，没有势差的作用，污水不再进入蓄水池，而是仍然按照原来的流经排出污水厂区，这样也省去了溢流管的设置。过渡季时，可以通过关断引水渠上的闸阀，对蓄水池进行清淤。蓄水池设计同时考虑到顶板保温要求以及排气功能。2.4 系统流程 根据以上设计方案论证后，对污水源热泵系统中几个关键点的确定，本项目设计的污水源热泵系统原理图如图3所示。图3 污水源热泵系统原理图3 节能环保性分析污水源热泵中心能源站一期项目中，冷负荷为6400kw，需要集中供冷的均为公建，住宅无集中供冷要求，因此每天集中供冷时间为8h，夏季供冷共800h，取0.7的同时使用系数后，年累积供冷量为3584MWh荷为5400kw，公建和住宅均需要供热，其中公建热负荷为4300kw，住宅热负荷为1100kw，每天公建需要供热8h，住宅需要全天供热，冬季公建供热共960h，住宅供热共2880h，取0.7的同时使用系数后，年累积供热量为5107.2MWh。与传统的锅炉供热和冷水机组方案相比，污水源热泵每年可节省标准煤约208吨，提高一次能源利用率24%。污水源热泵不仅能源利用效率高，同时也带来了巨大的环保效益。根据估算，一期污水源热泵系统建成后，每年可以减少当地供热燃煤890余吨，每年减少向大气排放二氧化碳(CO2)2263吨、二氧化硫(SO2)15.14吨，氮化物6.14吨，粉尘12.82吨。由于室外不设置冷却塔，每年可以节约相当数量的淡水资源，而且由于不设冷却塔和风冷式室外机组，可以大大降低噪声污染。由此可见污水源热泵系统节能环保效益十分显著。4 结论本项目一期工程建设在污水处理厂中，具有优越的污水源利用条件，就近引水，大大降低了污水取水的投资费用。污水处理厂建于城市的高新区内，周围有大量新建建筑，需要供能的用户较多，这些都是推动建立污水源热泵中心能源站的积极条件。在污水源热泵系统设计的过程中，要充分考虑到污水的水质因素对系统形式的影响，综合权衡分析热泵机组的效率和投资等多方面的因素，是系统在安全可靠运行的前提下，具有尽量高的能效比。在中心能源站与用户间连接方式对比中，既要考虑节能高效的因素，也要考虑外网系统针对不同类型用户供能的方便调节控制等因素，使外网系统具有良好的增容扩展能力，和便捷的调控方法，使能源站和用户侧可以做到管理职责明确划分。污水源热泵工程是国家节能和可再生能源的开发利用方针政策中重点推广的技术，对于我国在未来的发展中实现节能减排目标，推动低碳经济发展战略具有积极的作用。现阶段，我国的污水源热泵技术应用仍然处于初级阶段，需要不断的探索和积累，使这一节能环保的技术得到更加快速的推广，实现更大的环境、经济和社会效益。杨灵艳，女，1981年11月生，工程师，地址：北京市北三环东路30号，邮编：100013，电话：[phone] E-mail：yly8111