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污水源热泵的推广及应用

标签: 污水源热泵,城市污水,热源

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 引言:水源热泵就是污水热能利用的一种形式。它是以城市污水作为热源/热汇,通过消耗少量电能,在冬季把贮存于污水中的热能“提取”出来为建筑物供热;在夏季则把建筑物室内的热能“提取”出来,释放到污水中,从而降低室温,达到制冷效果的一种装置[。随着我国人民生活水平的不断提高,空调和热水供应方面所消耗的能源显著增加,而这种能耗对温度的要求通常是在中低温区,对这部分能源的消费大多是通过燃烧煤、石油、天然气等获得高位能源来实现的,这不但浪费了大量的能源而且严重污染了环境。在能源和环境备受世界关注的今天,城市污水热能作为一种新的可再生能源比以往任何时候更加受到重视,因为它能够满足这部分中低温的能源需求,如果能被充分的利用,则可节省大量的高品位能源,减少城市废气废热的排放,达到节能环保的效果,同时也是实现污水资源化的有效途径。  暖通空调在线

  一、污水源热泵系统分类 
  污水源热泵系统按照热泵机组机房的布置情况可分为集中式、半集中式和分散式的污水源热泵系统;按照其使用的污水的处理状态可分为以未处理过的污水作为热源/热汇的污水源热泵系统、以中水作为热源/热汇的污水源热泵系统。按照污水和热泵中的热交换器是否直接进行热交换,可分为直接利用系统和间接利用系统。污水源热泵直接利用系统是污水直接与热泵的热交换部分进行热交换,该系统多以中水作为热源,如图1示;而间接利用系统是指污水换热器将污水的热能传递给清水,清水再和热泵进行热交换,该系统一般以未处理的污水作为热源,如图2示。直接利用方式的热能提取效率高,一般直接利用方式的节能率比间接利用方式高7%左右[2]。 
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  二、系统工作原理 
  城市污水处理厂二沉池排水温度随所在地理纬度不同有所变化,一般冬季为8~20℃,夏季为23~28℃。 
  冬季供热运行时,废水经旋转式连续过滤除污器(1)净化后,由污水提升泵(2)加压流经污水源热泵专用蒸发器(3),在蒸发器内,废水中的热焓被进入蒸发器(3)的低温液态工质汽化吸收。废水温度降5~7℃后回放至排水口排放,或进入中水处理装置处理后另做它用。在蒸发器(3)内汽化后的低温工质气体经吸气管进入压缩机(4),经绝热压缩后变为高温高压工质过热气体,并经排气管进入污水源热泵专用冷凝器(5),在冷凝器(5)内,采暖(空调)系统的回水,吸收高温高压工质气体的汽化潜热温度升至50~55℃后向用户供热,而高温工质气体则冷凝为液态,经节流后再进入蒸发器(3),重复上述过程,不断地吸收废水中的热量。夏季供冷时,系统水路进行切换,即空调系统水进蒸发器(3),降温后供向用户,污水进入冷凝器,升温后将热量带走排放掉。  Ehvacr
  热能提取技术特性 
  与地温水源热泵系统所利用的地下水相比,城市污水的水质较差,其悬浮物的淤塞及腐蚀远大于地下水,所以,回收利用城市污水热能的系统必须采取相应的技术措施,否则将无法正常运行。 
  (1)必须设置污水利用的前处理装置,以解决热泵蒸发器、冷凝器的淤塞处。因为目前国内污水处理厂大部分采用“生物化学法”处理城市污水,其二沉池排放水中存有较多的悬浮物,且具有一定的粘性,特别是在冬季,当水温较低时,废水中的生物菌活力差,菌胶团聚胶能力下降,不易沉淀,极易淤塞蒸发器通过采用旋转式连续过滤除污器装置,可有效地去除污水中的悬浮物。 

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  该装置由一个大的空心轴和圆筒过滤网组成。污水进入过滤槽内经过滤网过滤后由空心轴中流出,而附着在网上的悬浮物则由除污刮板刮落于槽下集中排出。 
  (2)热泵机组的换热表面必须采用特殊材质,以解决腐蚀处。传统的热泵机组换热器一般采用铜管换热,其导热性好,但是,铜管对污水中的酸、碱、氨等的抗腐蚀能力相对较弱。试验证明采用铜管合金做污水源热泵的换热管是最佳选择,其使用寿命是铜管的3倍。  暖通在线
  (3)必须采用特殊结构形式的换热器,以适应污水热能回收利用的需要。普通水源热泵机组的蒸发器,一般采用“干式”结构,即水源走换热管处的壳程,其流速为0.2~0.5m/s。由于污水中悬浮物多,在如此低的流速下,悬浮物极易沉积在传热管的外表面,而传热管在管壳内又为叉排布置组成的管束,多达上百根,间隙又很小,清洗十分困难,根本无法正常运行。 

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  在污水源热泵专用蒸发器中,污水是走传热管内,其流速为3m/s,因此,悬浮物难以沉积,即便长时间运行略有沉积的话,也便于清洗,只需采用相应规格的管刷,在传热直管内做几次往复运动即可。 
  污水源热泵专用冷凝器与常规冷凝器不同之处在于,没有内置油分离器。因为在蒸发器中,制冷剂走的是壳程,空间大、流速低,混入制冷剂中的油难以通过制冷剂带回压缩机内,所以,必须在冷凝器中将油分离出去。此项工艺十分重要,它直接关系到污水源热泵机组能否正常运行。 

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  三、污水源热泵的应用优势 
  虽然污水源热泵在我国还处于试验和探索阶段,但已经显示出它的优越性,主要表现为: 
  (1)环保效益显著。污水源热泵属于低品位能源的循环利用,没有燃烧过程,不存在固体废弃物、有害气体和烟尘的排放等污染。供冷时省去了冷却塔,避免了冷却塔的水耗、噪音及霉菌污染。与地下水源相比,可以避免大量开采、回灌对地下水和地质状况造成的不良影响,起到保护水资源的作用。  版权为ehvacr.com
  (2)高效节能。城市污水相对稳定的流量和适宜的温度,使得污水源热泵机组能够高效稳定地运行且运行费用仅为普通中央空调的50%~60%。污水源热泵系统的制冷、制热系数可达3.5~4.4,比传统的空气源热泵要高出40%左右;与用电锅炉相比,节省2/3以上的电能,比燃料锅炉节省1/2以上的能源[5]。  暖通-空调-在线
  (3)一机多用,节省初投资。一套设备既可供冷,还可供热和提供生活热水。对空调系统来说,由于提供两种热源,可节省一次性投资,其总投资额仅为传统空调系统的70~80%[6]。与地下水源热泵相比,不但节省了抽水井和回灌井的基建投资,还能够节省抽水和回灌的运行费用;相比土壤源热泵节省了土地和投资费用。  暖通空调zaixian
   
  四、污水源热泵在应用时需注意的问题 
  污水源热泵确实有其优越性,但由于污水水质及分布的“特殊性”,在应用于实际工程时应注意并有效解决以下问题: 
  (1)污水清洁技术的选择。污水水质较差,杂质含量较高,容易出现阻塞、腐蚀、结垢等问题,因此从污水中经济回收能量的关键就是选择合适的污水处理技术,保障热泵系统的进水水质。  暖通空调zaixian
  (2)优化设计污水换热器。污水水温冬季相对较低,为提高机组蒸发器进水温度,应尽可能减小换热温差。板式换热器的换热温差最小(传热系数3500W/m2℃),但对水质的要求较高;盘管浸没式对水质要求较低,但换热温差最大(传热系数250W/m2℃)。因此,较多采用壳管式换热器或螺旋板式换热器(换热温差2~3℃,传热系数为1600W/m2℃)[7]。 

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  (3)系统形式的选取。污水源热泵的布置受污水管网、污水温度和污水量分布的影响,在用于区域供热供冷时,是在靠近污水干管的地方取用未经处理的污水还是使用污水处理厂的二级出水或中水,是采用集中式、半集中式还是分散式的系统,这都要进行总体规划布局,并在项目建设时核算负荷,进行技术经济比较分析,选用最佳系统形式。 
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  (4)供水温度与末端设备的匹配。不同的末端设备所需的供水温度是不同的,一般的热泵系统冬季时提供的水温为45~50℃,只能满足风机盘管和地板采暖的用户;而散热器一般要求进水温度为70℃以上,热泵的出水温度不能满足该类用户的需求。因此,用户为散热器采暖时需在污水源热泵的后面再加一级高温热泵,在冬季时,将污水源热泵的出水温度从45~50℃提升到70℃以上。 
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  (5)污水的水源水温和保证性[8]。污水水温与城市所处的位置、城市的生活水平、城市污水的水量和构成(工业污水与生活污水的比例)及季节等诸多因素都有关,污水源热泵要求冬季进口水温最好不低于10℃,所以应对城市污水的水量和水温的全年变化情况进行详细的调查和分析。当污水源热泵用于大面积区域供热供冷时,还应考虑是否需要设置蓄热池,冬季是否需要备用锅炉。 

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  七,结束语 
  污水源热泵的推广及其应用是人类历史上的伟大创造,在人类的生活中占据了不可或缺的地位。污水源热泵具有节约能源、创新环保、污水循环再利用、经济适用等特点,是节能减排技术之一,随着人们生活水平的不断提高和环保意识的逐渐增强污水源热泵将会得到广泛应用。 

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