污水源热泵中心能源站设计探讨

污水源热泵中心能源站设计探讨

0循环供暖技术随着能源环境压力的增加，实现节能减排和可持续发展已成为一个重要挑战。热泵作为一项成熟的节能技术,可以通过一部分高品位能的消耗,提取周围环境中的低位热源,共同为用户供热,是基于生态循环供暖理念的环保节能技术,应用至今为止,已经取得了良好的经济和环保效益。其中污水作为低温热源具有更加显著的优势,处理后排放污水冬季水温往往在15℃以上,是非常优良的低温热源。1目前存在的问题我国的污水源热泵研究从20世纪80年代开始,最早的污水源热泵项目建成于2000年。近年来,我国关于污水源热泵的新技术不断涌现。其中,污水的取用和换热是污水源热泵系统中的关键技术,这是由污水的特点决定的。由于污水中含有较多杂质及悬浮物,很容易造成换热装置堵塞,或使换热系数显著下降,换热工况恶化。因此,解决污水源热泵系统的取水和换热问题,是系统安全和高效运行的前提。我国目前应用的防堵设备或技术方案主要有以下几种:1)自动筛滤器;2)热泵防阻机;3)自清洗过滤器;4)转刮式过滤装置;5)水源渗井。以上各种防堵技术适用条件和机械复杂程度不同,都已有工程应用实例。目前应用效果最好的是热泵防阻机,它是利用旋转滤面连续再生技术开发的闭式污水取水装置,结构简单,运行稳定,无排污过程。目前,已在哈尔滨、北京等多个城市的污水源项目中成功应用。而目前换热问题的解决主要从两个方面展开,一是新型换热设备开发,二是除垢方法研究。目前应用于污水源热泵系统的换热器有板式换热器、特殊型壳管式换热器、淋激式换热器、具有快速除污功能的干式壳管换热器等,可见新型换热器开发仍是目前研究开发的重点。除垢方法主要有海绵胶球法、弹簧振动法、自动扰流法、液固流态化法等,可分为机械类与水力类两类,机械类结构复杂,而水力类的可靠性较差,需要根据项目具体情况选择除垢方法。正是由于这些技术革新的推动,近些年污水源热泵在我国的应用得到了飞速发展。有了许多成功的工程实例,污水源热泵系统的规模也逐渐增大,推动了依托污水处理厂的大型污水源热泵中心能源站的建设。2小型污水源热泵设计注意事项大型污水源热泵中心能源站,作为区域能源中心为周围的建筑物供冷、供热,其设计要注意低温热源、系统配置、外网布置、用户需求各方面的特点,区分与小型污水源热泵系统设计的不同之处,从安全性、经济性和节能性三方面进行综合考虑。1间接式系统的设计思想大型污水源热泵中心能源站对安全性要求较高,在能源站规划设计之初,就要注意各个环节的安全性问题。首先从污水源热泵系统形式上考虑,污水源热泵分为直接式和间接式两种。热泵能源站设计中采用的大型热泵机组通过水路的切换来实现制冷制热功能转换,不同于小型热泵机组切换制冷剂流程来实现制冷和制热功能的变换。因此,采用直接式系统,污水源热泵机组的蒸发器和冷凝器都必须采用耐腐蚀材质,且为了避免污水中的污垢沉积,换热器污水侧需采用光管,使得换热系数降低,导致热泵机组的COP下降。采用间接式系统,增加了换热器,则增加了换热损失,增加了水泵功耗。大型污水源热泵站设计需在权衡两个系统形式的优缺点后,选择有利于保障系统安全的形式。其次从外网规划和布置上考虑,污水源热泵能源站规模较大,末端用户类型较多,负荷中心也比较分散,因此,在外网规划时应考虑降低输送能耗,使外网便捷地连接负荷中心,且从安全性考虑,减少末端用户调节对外网的影响,避免用户间的相互影响,末端采用间接式连接,可以提高污水源热泵中心能源站外网的安全性,同时便于管理,明确职责划分。污水量保证也是污水源热泵系统设计中一个重要的安全条件,尤其对采用居民生活污水的系统,污水量随时间变化较大,设计前必须进行调研和预测,对应系统最大污水需求时段的实测流量应大于需求量的25%。而对基于污水处理厂的大型污水源热泵中心能源站来说,污水来源于各类不同性质建筑,水量稳定,逐时变化不大,有利于系统安全性保障。因此,可以根据实际负荷需要和污水量变化确定污水安全流量富余系数,一般小于小型污水源热泵系统。2分期建设、机组分流运行大型污水源热泵中心能源站服务面积较大,未来拓展性较强,末端用户可根据不同需要分阶段建设。因此,污水源热泵中心能源站,要在设计之初做好分期建设规划,即厂房可以分期建设,机组分批安装。与此对应的,外网建设也分期进行,根据不同能源中心相对位置关系,确定外网布置形式,充分考虑外网的可扩展性,做好预留。这样可以在满足用户需要的同时,降低单次建设的投入资金,同时也使能源中心更好地满足分期建设用户的用能需求。而大型污水源热泵站污水量大,水量供给富余较大、变化不明显,因此,选用的调蓄水池只需满足短暂时间内的流量变化,有污水处理厂长期污水流量监测数据的,可不设调蓄水池,降低土建费用,使系统具有更好的经济性。3用户系统设计大型污水源热泵中心能源站设计中考虑到系统的高效性,在满足用户需要的前提下,供热工况下应尽量降低机组的出水温度,供冷工况下应适当提高出水温度。故需要在末端用户系统设计中尽量采用低温水末端装置,如地板辐射供暖、风机盘管等。此外,污水源热泵站应根据末端负荷需要,通过调整机组配置、采用变频运行等手段使系统具有更宽的负荷适应范围,具有更便捷的可调节性能。大型污水源热泵站所需污水量巨大,降低污水输送能耗具有更重要的节能意义,热泵站房就近建于污水处理厂周围,或者建于污水处理厂中,较为理想。通过以上三个方面对污水源热泵能源站的规划设计特点分析,下面以具体的工程项目为例,说明以上三个特点在污水源热泵中心能源站设计中的应用。3污水源热泵中心能源站项目位于山东省某市高新区内,污水源热泵中心能源站规划在污水处理厂中临排水渠建设。高新区内多家企业规划用地紧邻污水源热泵能源站,未来用能客户众多。污水源热泵中心能源站当前的建设分为两期进行,一期供能面积为12.5万m2,输送距离为500m;二期供能面积为29万m2,输送距离为2000m。两个用户区域分别位于能源站的南北两侧。本次设计为满足一期需求,同时在规划布局方面兼顾二期扩展性。1采暖系统设计一期为新建建筑,为使以污水源热泵作为冷热源的系统整体具有更好的应用效果,一期建筑末端采用夏季风机盘管供冷,冬季风机盘管加地板辐射供暖系统供热。适当降低了设计温度,冬季风机盘管设计温度为46℃/39℃,地板辐射供暖采用高低分区,经板式换热器后,设计温度为45℃/37℃。夏季风机盘管供冷设计温度为5℃/12℃。冬、夏季均采用了7℃的温差,降低了水流量,从而降低水泵的功耗,提高系统能效比。一期总设计冷负荷为6400kW,热负荷为5400kW;二期预估冷负荷为9300kW,热负荷为8000kW。2污水废水来源及水质污水源的水温适宜、水量稳定和水质适用是保证污水源热泵系统应用效果的重要前提条件。该项目所用污水90%以上来源于高新区内的工业企业,生活污水比例较小,由于各个企业工艺处理过程的需要,污水的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,污水经处理后,排水水质达到国家A级排放标准。具体的水温、水量、水质指标见文献。3污水源供热系统方案设计从用户侧需求和污水低温热源的条件出发,综合考虑系统安全性、经济性和节能性后,对本项目污水源热泵中心能源站的污水取用方式、热泵机组匹配、系统形式、用户侧连接方式以及外网形式等进行了有针对性的设计。地下污水调水泵从提高系统安全性的角度考虑,根据污水源热泵中心能源站1h的污水需求量,建设一个1700m3的地下污水调蓄水池,兼具调节污水流量和污水沉淀池的作用。采用新建引水渠设闸板阀的形式将污水引至蓄水池,降低了输水成本。同时,可以通过引水水面与蓄水水面势差变化自动调整引入污水量。调蓄水池同时具有过渡季清淤及顶板排气的功能,满足系统对污水取水源侧的需求。机组总体布置方案从提高系统节能性角度出发,热泵机组匹配要更注重灵活性和调节性能,使系统供能更适应末端负荷的变化。因此,根据本项目一期负荷特点配置热泵机组,污水源热泵中心能源站选择2台离心热泵机组,承担总负荷的80%,每台承担40%,另外配置1台螺杆式热泵机组,承担负荷的20%。以保证系统的节能性和高效性。针对系统形式、用户侧连接方式以及外网形式,在设计过程中提出了以下两种设计方案。方案1:采用直接式热泵系统、预留枝状外网加直接式用户侧供水,其原理如图1所示。方案2:采用间接式热泵系统、直供外网加间接式用户侧供水。其原理如图2所示。将方案1和方案2进行优缺点对比分析,结果如表1所示。通过以上的优缺点对比分析后,本项目一期在必须保证系统运行的安全性,发挥节能性,兼顾经济性的指导原则下,确定按照方案2进行设计。4经济效益分析污水源热泵中心能源站一期项目中,年累积供冷量为3584MW·h,年累积供热量为5107.2MW·h。项目初投资概算为2890万元,以20年为期进行项目现金流量分析,各类税费标准均按项目所在地现行政策执行,供热供冷费用也依照当地现行标准,则经项目投资财务现金流量概算后得到项目投资回收期为7年。若地方政府对可再生能源项目用电给予价格优惠,则投资回收期可进一步缩短,使项目具有更好的经济性。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208t,提高一次能源利用率24%。污水源热泵不仅提高了能源利用效率,还可带来显著的环保效益。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t,每年减少向大气排放二氧化碳(CO2)2263t、二氧化硫(SO2)15.14t,氮氧化物6.14t,粉尘12.82t。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污水源热泵中心能源站设计特点污水源热泵是通过热泵技术高效利用可再生能源的有效途径,是我国节能政策中重点推广的技术,对于我国实现节能减排目标,推动低碳经济发展战略具有积极的作用。现阶段,我国的大型污水源热泵中心能源站的建设处于起步阶段,需要从安全性、经济性和节能性三个方面综合考虑其自身的设计特点。本文通过分析与实际案例相结合,得到以下污水源热泵中心能源站设计特点:1)采用污水源热泵中心能源站集中供冷供热,要注意末端系统的设计,