污水源热泵系统在电厂中应用的技术经济分析

1、第40卷第2期2013年4月doi：103969/jissn1009-671X201209004应用科技AppliedScienceandTechnologyVol402Apr2013污水源热泵系统在电厂中应用的技术经济分析123桑贤波，陈碧雯，庄兆意1华能济宁运河发电有限公司运行部，山东济宁2720002一汽哈尔滨轻型汽车有限公司制造工程部，黑龙江哈尔滨1500603山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101摘要：能源环境危机日益加剧，工业污染急剧恶化，开发利用新的可再生能源是目前各研究领域的重点和热点电厂循利用热泵技术将其提升为高位供热能源重点介绍了直接式污水源热泵系统的技术方案，环水

2、中含有丰富的低位热能，指出内、外切换系统可分别通过四通换向阀、管路上设置阀门等措施实现冬夏季节的切换通过计算一次能源利用率、全污物排放消减量等分析了该系统的节能性与环保性最后指出了该系统在电厂大规模应用过程中应注意的几年节煤量、个关键技术问题及解决措施关键词：电厂；循环水；热泵技术；污水源；节能；环保671X（2013）02-0063-04中图分类号：X7033文献标志码：A文章编号：1009-TechnicalandeconomicanalysisofthesewagesourceheatpumpsystemintheelectricpowerplantSANGXianbo1，CHENBiw

3、en2，ZHUANGZhaoyi31OperationalDepartment，HuaNengJiNingCanalPowerPlant，Jining272000，China；2ManufacturingEngineeringDept，FAWHarbinLightDutyVehicleCompanyLimited，Harbin150060，China；3SchoolofThermalEnergyEngineering，ShandongJianzhuUniversity，Jinan250101，ChinaAbstract：Withtheoccurrenceofincreasinglyseriou

4、senvironmentalcrisis，energyisbecominglessandless，andindustrialpollutionalsomakesourlivingenvironmentworseThedevelopmentofnewandrenewableenergyisthekeyandhotfieldThereisalargenumberoflowheatenergyintherecyclewaterotelectricpowerplants，whichcanbeusedashighheatenergyusingtheheatpumptechniqueThispaperfo

5、cusesonthetechnologyschemeofthedirectsewagesourceheatpumpsystem，andpointsoutthattheinnerandouterswitchingsystemcanachievethemodeswitchingofthesummerandwinterseasonsrespectivelybythefour-wayreversingvalve，thesettingvalvesonpipeline，andothermeasuresBycalculatingtheprimaryenergyutilizationrate，theannua

6、lcoalsavingamount，andpollutantemissionsabatementamountenergy-savingandenvironmentprotectionofthesystemareanalyzedFi-scaleapplicationofpowerplantsnally，thispaperliststheexistingkeyoperatingproblemsofthesysteminlarge-andtheproblemsolvingmethodsKeywords：electricpowerplant；recyclewater；heatpumptechnique

7、；sewagesource；energysaving；environmentprotection城市污水中蕴含有丰富的低位热能，将其作为热泵的冷热源为建筑供热具有巨大的利用价值、显著的性能优势和节能效果，在我国乃至全世界都得1-720世纪70年代以来，到了较快的发展和应用日本、挪威、瑞典及其他一些供热发达国家对污水源热泵空调系统进行了大量研究，并得到了较为普遍09-06收稿日期：2012-基金项目：中国博士后科学基金资助项目（20090450986）；山东建筑大学博士科研基金资助项目（XNBS1226），男，作者简介：桑贤波（1982-助理工程师，主要研究方向：电厂运E-mail：fri200

8、8163com行与管理，的推广应用国内对污水源热泵的节能性、环保性与应用前景也已经进行了一些研究，并在一些经济较为发达的城市得到了一定程度的推广应用据统计，8仅北京市每天就有88196万吨城市污水排出采用污水源热泵系统，从城市污水中提取部分热能用于为建筑物供热，从而提高了城市能源的有效利用效率，同时因为减少了对煤炭等能源的使用，相应地NOx、SOx等污染物的排放量9，降低了CO2、具有非常重要的经济及社会意义·64·应用1污水源热泵系统的技术方案城市原生污水源热泵系统可分为直接式系统与间接式系统2类若污水经防阻机10后直接进入到机组的蒸发器或冷凝器进行换热的系统称之为直接式

9、系统（DSSHPS）；若污水经过污水防阻机后先经污水换热器与中介水换热，中介水再进入到机组换热的系统称之为间接式系统（ISSHPS）污水源热泵系统的2种形式原理示意如图1所示直接式污水源热泵系统按照冬夏季制热制冷功能的切换方式可分为外切换系统（也称之为水侧切换系统）和内切换系统（也称之为制冷剂侧或机侧切换系统）如图2（a）所示，内切换系统为机组内部使用四通换向阀进行切换，通过改变制冷剂的流向来实现空调效果图3所示的外切换系统则为在机组外通过管路上不同阀门的启闭来实现冬夏季切换（虚线为供热工况），因此，外切换系统也称为管路切换系统目前市场上的四通换向阀的管径通常只适用于中、小型热泵系统，考虑到机

10、组冬夏季一年只切换一次，因此可采用普通手动阀门组来进行切换，可避免四通阀卡死、泄露等问题，同时使用成本较低且安全可靠，易于操作，如图2（b）所示1-污水源，2-污水泵，3-防阻机，4-污水换热器，5-中介水泵，6-热泵机组，7-末端循环泵，8-末端散热设备图1污水源热泵间接式系统与直接式系统原理科技第40卷1-压缩机，2-冷凝器，3-膨胀阀，4-蒸发器，5-四通换向阀，AD手动阀门组图2内切换热泵系统原理1-压缩机，2-冷凝器，3-膨胀阀，4-蒸发器，5-用户，6-热源图3外切换热泵系统原理系统节能性分析21一次能源利用率一次能源利用率不仅反映了污水源热泵系统的一次能源利用效果，而且也可作为设

11、备全生命周期中对环境影响的重要考核参数11冬季采暖时，污水源热泵系统的一次能源利用率为EQRr=W/（）=r·f·s（1）f·s式中：QR为冬季供暖总供热量，kJ；W为系统总耗电第2期桑贤波，等：污水源热泵系统在电厂中应用的技术经济分析·65·量，kW·h；r为冬季供热系统性能系数；f为一次能源发电效率，取35%；s为电力输送效率，取98%夏季制冷时污水源热泵系统的一次能源利用率为：EQLl=W/（）=l·f·s（2）f·s式中：QL为夏季制冷量，kJ；l为夏季系统性能系数全年一次能源利用率计算式为1+Q

12、LEQR+QLQRO=Q=（3）RE+QL1+QL·1rElERQREl式中：QR为供热期内系统向用户提供的热量，kJ；QL为空调期内系统向用户提供的冷量，kJ；Er为冬季系统一次能源利用率；El为夏季系统一次能源利用率22全年节煤量分析冬季供暖期内，将污水源热泵系统与传统锅炉房采暖进行比较，对系统的节能环保效果进行分析，采暖期污水源热泵系统的节煤量为12M=Mb-M=QRHq（1-1）4）ebe（r式中：Mb为传统锅炉房采暖季总耗煤量，kJ；MH为污水源热泵系统采暖期耗能折合的耗煤量，kJ；qe为标准煤的热值，计算时取2931GJ/t；b为锅炉效率，包括储煤损失、输送损失等，取60

13、%；r为电力输入效率，取值30%夏季空调与风冷机组比较，空调期节省电量为D=Da-DQL11H=3600（-）（5）a式中：Da为风冷机组夏季空调耗电量，kJ；DH为污水源热泵系统夏季供冷耗电量，kJ；a为风冷机组制冷系统性能系数，取值4为了考察系统全年的节能量，将其节省电量转化为节煤量，则全年的总节煤量为M=M+D1000·q6）e·（f系统环保性分析31污物排放消减量环保效益主要是通过污染物排放的消减量来表示我国规定的污染物排放定额13如表1所示表1污染物的排放定额项目CO2SO2NOx粉尘标准煤/t/t2750030004002环保效益计算：m，is，i=M·

14、;Rs3600（7）式中：Rs，i为单位质量煤燃烧产生的第i种污染物质量，t/t；W为全年总节煤量，t32环保效益分析以山东某地区供暖（空调）面积1万平方米的建筑为例，污水源热泵系统每年的环保效益预测结果如表2所示表2节能及环保效益预测表项目名称污染物减排量/t·a1节省标准煤1255CO229825NOx111SOx21粉尘002633社会效益电厂循环水作为污水源热泵系统稳定的冷热源，将为城市居民提供高质量的空调冷热量；代替燃烧锅炉设备后，可以起到改善城市的空气质量、减缓城市热岛效应、美化城市环境、改善居民生活水平等重大作用，同时可以缓解传统暖通空调的高能耗与环境污染等问题，将暖通

15、空调纳入生态循环之中做出贡献4工程应用中需解决的几个技术问题污水源热泵有着广阔的应用前景，但大规模工程应用时还需解决好以下问题：1）换热设备的堵塞、污垢等问题尽管电厂循环水水质较好，但其中还含有少量固体悬浮物和各种杂质，必将导致换热管堵塞、换热管内表面结垢等问题，这将引起系统流动阻力加大、换热系数降低等问题因此，系统采用长期有效的防堵设备和清洁技术是系统正常运行的关键2）用户端系统形式的选择在保证高效节能运行的前提下，污水源热泵系统同一般水源热泵系统一样，在冬季大都提供温度为4050的热水，仅能满足末端用户使用风机盘管或者地热的要求如降低其系统性能，采用高温热泵或者双机热泵串联则可满足散热器进

16、水温度在70以上的要求3）运行调节与监测调控室内用户侧负荷随时变化，并且污水源热泵系统经常会采用多台机组并联运行的方式，在运行过·66·应用程中，应特别注意机组和各环路循环水泵负载及开启台数问题；对该系统实现自动检测与人工操作相结合的方式以实现最大程度的优化运行4）可靠性问题如果在电厂建设大型热泵站实现区域性供暖供冷，需要考虑备用方案比如在冬季设置备用锅炉等5结束语电厂循环水中含有丰富的低位热能，是直接式污水源热泵系统优良的冷热源，该系统在电厂中有着广阔的应用推广空间针对该系统供热制冷系统的经济性、环保效益及社会效益，应制定更加细化、可操作性强的污水源热泵系统推进政策和措施

17、，推动该项技术在全国各地电厂中的应用和发展；同时，应建立高水平的污水源热泵示范工程，加大该项技术应用和推广的示范性参考文献：1庄兆意，孙德兴，张承虎，等污水源热泵系统优化设计J暖通空调，2009，39（9）：111-1142李瑞霞，尤晶直接式污水源热泵系统在奥运村换热站中的应用J暖通空调，2009，39（5）：139-1413徐莹城市污水流变与换热特性研究D哈尔滨：哈尔滨工业大学，20094徐莹，张承虎，孙德兴城市污水源热泵工质流变特性研科技第40卷究J节能技术，2009，27（3）：201-2045WUXuehui，ZHANGChenghu，ZHAOMingmingExperi-mental

18、studyonviscositycharacteristicofsewageinurbanuntreatedsewagesourceheatpumpsystemJJournalofHarbinInstituteofTechnology，2010，17（1）：82-846ZHUANGZhaoyi，ZHANGChenghu，WANGHaiyanParal-leloperationcharacteristicsanalysisofsewagesourceheatpumpunitsinwinterJTransactionsofTianjinUniversi-ty，2010，16（6）：461-4667孙德兴，张承虎，庄兆意污水源热泵供暖空调中的新概念与新名词J暖通空调，2010，40（6）：126-1298国家统计局中国统计年鉴M北京中国统