城市污水源热泵的开发和应用.pdf

7 6 F L UI D MAC HI NE RY V0 1 3 3，No 6，2 0 0 5 城市污水源热泵的开发和应用 黄国琦(北京华清集 团公司，北京1 ff 2 2 1 8)摘要：介绍了国内外城市污水源热泵发展情况，阐述了城市污水源热泵的技术开发重点，分析了城市污水源热泵与 各种常规供暖、制冷方式的经济指标、环境影响。最后结合北京市的城市污水数据，进行了市场应用前景分析。关键词：热泵；城市污水；技术；能源利用；发展 中图分类号：a o s 1 5 文献标识码：A De v e l o p me n t a n d Us a g e o f Ur b n W a s t e wa l e r He a t Pu mp HUA NG o-q i (B e i j i n g H u a q i n g G r o u p C o ，L t d ，S e ij i n g 1 0 2 21 8，C h i n a)Al r a e t：T h e d e v e l o p me n t o f h e a t p u mp s u s a g e of e n e r g y f r o m u r b n wast e wa t e r w a s i n t r o d u c e d i n t h e w o r l d T h e r e s e a r c h o n h e a t p u mp W a S d e s c r i b e d S y s t e m s of a i r-c o n d i t i o n i n g i n t h e e c o n o m y a n d e n v i romn e n t w aS c o m p a r e d F i n a ll y，t h e m a r k e t of B e i j i n g a(幻 t o the n u m b e r ofB e ij i n g u r b n w as t e w a t e r w as s k e t c h e d，a n d the h e a t P um ps s t r e n t h l y f o r s a v i n g e n e r g y，p rot e c ti ng e n v i r o n m e n t a n d sav i ng w a t e r w a s a n a l y s e d Ke y wo r d s：heat p um p；u r b n w ast e wa t e r；t e c h n o l o g y；e n e r g y r e u s e；d e v e l o p me n t 1 国内外技术发展现状 2 0 世纪 8 0 年代以来，美 国、日本等国家相继 建立了一批大型城市污水源热泵系统。从开始时 单机 容 量 仅 几 兆 瓦 已 发 展 至今 单 机 容 量 达 3 0 M W，单个项 目总装机容量达 1 6 0 M W。以瑞 典 为例，到 1 9 8 7年 已有约 1 0 0座热泵站投入运行，总供热能力达到 1 2 0 0 M W，已成为世界上应用大 型污水源热泵的代表国家之一。大型城市污水源热泵系统在国外已有十几年 的运行历程，已形成一套较完备 的技术和经验。我国目前 尚未实施较大项 目的城市污水源热泵；但在北京高碑店污水处理厂、北小河污水处理厂、卢沟桥污水处理厂内利用污水二级出水实施了几 个小型实验性项 目，均取得了较好的效果。2 技术开发重点 根据污水与热泵的热交换部分是否直接进行 收稿日期：2 o 0 5 o 4 1 8 热交换，城市污水源热泵可分为间接利用系统和 直接利用系统，如图 1 所示。贮水池 蓄热池(a)污水间接利用空调系统(b)污水直接利用空调系统 图 1 城市污水源热泵系统示意 维普资讯 http:/ 2 0 0 5 年第 3 3卷第 6 期 流体机械 7 7 间接利用污水系统由于增加了中间换热器，因而能源利用效率不是最佳。直接利用污水系统 具有更高的能源利用效率，可以充分提取污水 中 的热能，其为城市污水热能利用的发展方向。城市污水源热泵研制需解决的问题：(1)污水 进入热泵机组换热器前的过滤处理；(2)高效防腐 污水源热泵换热器；(3)污水直接利用的污水源热 泵机组的优化设计。2 1 常用过 滤 器 为防止污水 中的有害杂质堵塞热泵的热交换 器，需研制进入热泵机组换热器前的过滤器。目 前常用的过滤器有两种：开放型和密闭型。(1)开放型过滤器结构如图 2 所示。当污水 流进过滤器时，其表面的筛网就将杂质截流，故筛 网孔径等相关结构参数的设计选择是关键。此种 污水过滤器适用于污水量较大的场合。污 图2 开放型过滤器结构示意 质 图3 密闭型过滤器结构示意(2)密闭型过滤器结构如 图 3所示。当污水 流进过滤器时，杂质被截流在转筒表面而被去除 或被切刀切断后通过杂质出口排除，并有反冲洗 阀门，必要时打开反冲洗阀门用清水进行反冲洗 以清除残 留在过滤器内的污水杂物。2 2高效 防腐污水 源热泵换热 器 研制高效防腐换热器是污水源热泵开发的另 一重点。其换热管的选择要兼顾防腐和一次性投 资费用等问题。目前大型离心式热泵机组均采用 壳管 式换 热器，管材 选择 有 镍 铜 管、钛合 金 管 等l l J。图 4 所示为带海绵球清洗装置的管式换热 器 海 分 收集器 图4 带海绵球清洗装置的管式换热器 3 运行成本分析比较 现以某工程实例来分析城市污水热泵的技术 经济效益情况。某广场 可能获得 的能源形式包 括：(1)溴化锂直燃机供暖方式；(2)电热辐射供 暖；(3)电热锅炉方式；4)污水源热泵系统方式；(5)空气源热泵系统方式；(6)燃气壁挂采暖炉。北京某项 目总建筑面积 1 5 0 0 0 0 m 2。污水源热 泵机组制热时 C O P值取 4。此外，根据国家有关 政策标准，供 暖季为从 1 1 月 1 5 13 到次年的 3月 1 5 13(共计 1 2 0天)。使用城市污水源热泵时该项 目单位面积供暖 运行成本为：(单位面积热指标 X负荷系数 X天数 X 2 4 效率)X单位能源价格=(6 5 X 1 0 一 X0 6 6 X 1 2 0 X 2 4 4)X 0 5 6=1 7 0元 m 2。利用供热方 式运行费用对 比如表 1 所示。其污染物排放量对 比如表 2所示。表 1 几种供热方式运行费用对比 电力驱动方式 燃气采暖 项 目 热泵 电热锅炉 电热辐射 燃气壁挂采暖炉 直燃机 空气。空气 污水源热泵 热指标(x 1 0 I 3 k W m z)6 5 6 5 6 5 6 5 6 5 6 5 热效率(W W)2 5 4 0 9 5 1 0 0 8 0 8 5 0 5 6 0 5 6 0 5 6 0 5 6 1 7 1 8 电或燃气价格 元(k W h)元(k W h)元(k W h)元(k W h)元(N m 3)元(N m 3)单位面积运行成本(元 r n 2)2 7 2 1 7 0 7 2 6 8 2 9 5 2 9 4 运行费(万元)4 0 8 2 5 5 1 0 8 0 1 0 2 O 4 4 2 4 4 O 注：运行费中未考虑设备折旧、维修、工资等。维普资讯 http:/ 7 8 F L UI D MAC HI NE RY Vo 1 3 3，No 6，2 0 0 5 采暖 城市 污水源 蓄热式 壁挂式 方式 热网 热泵 电锅炉 电热膜 直燃机 燃气炉 烟尘 3 4 7 7 无 无 无 2 9 5 2 7 7 S 0 2 3 2 6 无 无 无 N O x 1 2 1 7 无 无 无 4 3 3 7 4 0 8 3 计安装 良好 的水源热 泵，平均 可 以节约 3 0 4 0 的供热制冷空调的运行费用。(3)运行稳定可靠 污水的温度一年四季相 对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，是很 好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定 的特 性，使得热泵机组运行更稳定可靠，也保证了系统 的高效性和经济性；不存在空气源热泵的冬季除 霜等难点问题。(4)一机多用，应用范围广 污水源热泵系统 可供暖、空调，一机多用，一套系统可以替换原来 的锅炉加空调的两套装置或系统。(5)自动运行 污水源热泵机组 由于工况稳 定，故机组运行可靠，没有空气源热泵机组需要除 霜的麻烦，维护费用低；自动化控制程度高，使用 寿命长(可达到 l 5年以上)。以北京市为例，每天约产生 3 0 0万吨的污水。按照北京市的规划，到 2 0 1 0年要铺设 4 0 0 0多公里 的污水干线，建 l 4座污水处理厂。目前 日处理污 水量为 1 5 8万 m 3，到 2 0 0 8年，城市污水的处理率 将达到 9 o 以上，日处理污水量达 2 7 0万 m 3。全 市按 8 0 以上的污水资源在能量上得以利用，供 暖面积将达到 2 2 8 0万 m 2(约需 3 0万吨标准煤)，供冷面积将达到 1 1 0 0 万 m 2，生活热水供应量将达 到7 4万 m 3 d，则污水供热(冷)系统将在北京的 新能源市场 占据重要的位置。2 0 0 8 年前各污水处 理厂建设计划与潜能计算结果如表 3 所示。表 3 2 0 0 8 年前北京各污水处理厂建设计划与潜能计算结果 日处理量 可供暖面积 可供冷面积 供热水量 水系名称 还清时间(年)已(在)建污水处理厂(万 m 3)(万 m 2)(万 m 2)(m 3 a)已建 高碑店污水处理厂 1 0 0 8 6 0 0 4 1 6 o o 2 8 0 0 0 通惠河 2 0 o 6 在建 定福庄污水处理厂 4 34 4 1 6 6 4 l 1 2 0 北小河污水处理厂 4 34 4 1 6 64 l 1 2 0 已建 酒仙桥污水处理厂 2 0 1 7 2 0 8 3 2 0 5 6 0 o 坝河 2 0 o 6 北小河 污水处理厂 6 5 16 2 4 9 6 1 6 8 o 在建 酒仙桥污水处理厂 2 0 1 7 2 0 8 3 2 0 5 6 0 o 东坝污水处理厂 2 1 7 2 8 3 2 5 印 已建 肖家河污水处理厂 2 1 7 2 8 3 2 5 印 清河 2 0 0 8 在建 清河污水处理厂 2 0 1 7 20 8 3 2 0 5 6 0 o 已建 吴家村污水处理厂 5 4 3 20 8 1 4 0 O 凉水河 2 O D 5 五里砣污水处理厂 4 34 4 1 6 64 l 1 2 0 在建 卢沟桥污水处理厂 1 0 8 6 0 4 1 6 0 2 8 0 o 已建 1 5 8 万吨 1 3 3 3 0 6 4 4 8 0 4 3 4 0 0 合计 合计 2 6 8 万吨 2 2 7 9 0 l 1 0 2 40 7 4 2 0 0 注：供热负荷按 6 0 w m 2 计算，供热能力的 1 5 用来加热生活水，供热考虑了4 0 的调峰量；冷负荷按 7 0 W m s 计算；污水利用量 按处理量的 8 o 计算。(下转第 3 8页)维普资讯 http:/ 3 8 删I D MAC H E RY Vo 1 3 3，No 6，2 0 0 5 较，结果如表 1 所示。表 1 能耗分析结果 一次泵 二次泵 一次泵 项 目 定流量 变流量 变流量 冷水机组(k w h a)9 0 9 9 l 3 3 9 0 9 9 l 3 3 9 0 9 9 l 3 3 一次泵(k W h a)2 8 6 0 5 9 4 l 3 0 O 2 7 7 0 2 l 7 二次泵(k W h a)4 4 7 8 0 8 冷却塔(k W h a)2 2 7 2 7 3 2：，7 2 7 3 2=2 7 3 冷却水泵(k w h a)2 5 l 9 4 9 2 5 l 9 4 9 2 5 l 9 4 9 从表 1 可以明显地看出一次泵变流量系统在 冷却水泵上的节能效果是十分明显的。就水泵的 能耗来说，其 比一 次泵定流量 系统节约 了 7 5，比二次泵变流量系统节约了 6 0。表 2 经济性分析结果 一次泵 二次泵 一次泵 项 目 定流量 变流量 变流量 冷水机组(元)2 l 6 0 0 0 0 2 l 6 0 0 0 0 2 l 6 0 0 0 0 初 冷水泵(元)l 8 0 O 0 0 2 3 0 O 0 o l 8 0 O 0 0 投 资 机房群控(元)l 8 0 O 0 0 2 4 0 O 0 0 2 6 0 0 0 0 变频器 0 9()0 0 0 l 2 0 0 0 0 运行费用(元)l 9 0 O 4 7 2 l 7 7 9 7 3 2 l 6 7 2 7 0 5 生命周期年限(年)2 0 2 0 2 0 注：回报周 期：一次泵 变流 量 与一 次泵 定 流量：2年：二 次 泵 变流量与一次泵定流量：5 2年。但是，在实际工程 中，业 主不仅关注节能效 果，对经济效益更加关注。如果初投资过大，回收 周期太长，就会降低业主使用这项节能技术 的积 极性。表 2 给出了对上述三种方案进行经济性分 析的结果，结果表 明一次泵变流量系统所增加的 投资只需要 2 年就可以回收。5 结论(1)随着制冷机技术与自控技术的发展，冷水 机组变流量运行的安全性 已可以得到保障，突破 冷水机组定流量的设计理念成为可能；同时，变流 量系统自控系统也 比其他水系统形式复杂很多；(2)一次泵变流量系统利用变频装置，根据末 端负荷调节系统水流量，最大限度地降低 了水泵 的能耗，与传统的一次泵定流量系统和二次泵系 统相比具有很大的节能优势，对空调系统节能具 有很大意义；(3)目前，一次泵变流量技术的推广尚处在起 步阶段，一次泵变流量系统得以应用的工程实例 还很少，但也正是因此，这项技术还有相当大的应 用潜 力。参考文献：1 G i l A v e r y，2 0 0 1，I r r】J l g t h eE t t l c i e n c y o f C h i l l e dWa t e r P l a n t s A S H RA E J o u r n a 1 作者简介：陈劲晖(1 9 8 0 )，女，硕士，从事空调系统的应用研 究，通讯地址：2 0 0 0 0 1 上海市西藏中路 2 6 8号来福士广场 1 0 楼特 灵空调公司。(上接第7 8页)5 存在问题(1)实际工程中，不同的污水资源利用的成本 差异是相当大的；污水源要求必须满足一定 的温 度、水量和清洁度；(2)由于受到不同地区、不同用户及国家能源 政策、价格的影响，一次性投资及运行费用会有所 不同。综上所述，城市污水源热泵具有节能、环保、节水和减排温室气体等诸多优点，属高效利用可 再生能源技术产 品，无疑具有广阔的市场应用前 景。大力推广这种产品和技术可使我国的能源结 构更加合理。参考文献：1 蔡义汉 地热直接利用 M 天津大学 出版社，2 O 0 4 2 K u p p a n T H e a t E x c h a n g e r D e s i g n H a n d b o o k M 中国 石化出版社，2 O 0 4 作者简介：黄国琦(1 9 6 5 )，男，工程师，通 讯地址：1 0 2 2 1 8北 京市朝阳区立水桥甲2 号北京华清集团公司。维普资讯 http:/