污水源热泵供暖系统的合理性分析

污水源热泵供暖系统的合理性分析

废水处理厂是一种水源热泵。众所周知,水源热泵的优点是水的热容量大、设备传热性能好(换热设备较紧凑)、水温较稳定(热泵运行工况较稳定),城市污水是一种优良的引人注目的低温余热源,在整个采暖期间,水温波动不大,是水/水热泵或水/空气热泵的理想低温热源。1污水源热泵的设计原则图1为污水源热泵供暖系统原理图。由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流机构构成一个最简单的蒸气压缩式热泵装置,作为供热系统的热源。它通过蒸发器从污水中吸取热量Qe,在冷凝器中放出热量Qc=Qe+W,供给供热系统。这种供热系统只要消耗少量的电能W,便可得到满足房间供热所需要温度的热量Qc。污水源热泵供暖系统与其他水源热泵相比,具有一定的特点。①污水水质的优劣是污水源热泵供暖系统成功与否的关键,因此要了解和掌握污水水质以判断其是否可作为低温热源。同时,也要针对污水水质的特点,设计和优化污水源热泵的污水/制冷剂换热器的构造,换热器应具有防堵塞、防腐蚀、防繁殖微生物等功能,通常采用水平管淋水式或浸没式换热器。②城市污水干渠(污水干管)通常是通过整个市区,如果直接利用城市污水干渠中的原水作为污水源热泵的低温热源,则可节省输送热量的能耗,从而提高其系统的经济性,但同时应注意:在取水设施中设置适当的水处理装置(见图2),考虑利用原水余热对后续水处理工艺的影响,如原水水温降低过多将会影响市政曝气站的正常运行。③为了评价采用污水源热泵的合理性,应对它进行综合分析,在分析中必须注意:排出污水余热的时间同用户用热时间的吻合;排出污水余热的地点同用户用热地点的吻合;排出污水的热流量与用户需热量要基本吻合;排出污水的温度高低和用户需求相吻合。若排出污水的温度为30~50℃则可以直接利用换热器回收余热量,这既简单又经济;若低于30℃,采用热泵回收余热量供热是受欢迎的方案,在许多场合中,热泵同换热器结合起来回收污水余热量将是十分合理的方案。2热泵技术回收家庭生活污水目前,污水源热泵的技术是成熟的,国外工程实例很多。20世纪80年代初在瑞典、挪威等北欧国家建造的一些以污水为低温热源的大型热泵站相继投入运行。其中瑞典早期的应用情况见表1。目前,瑞典斯德哥尔摩有40%的建筑物采用热泵技术供热,其中10%是利用污水处理厂的出水。挪威奥斯陆1980年开始建设利用城市污水干管的污水作为低温热源的热泵站,第一台热泵机组已在1983年投入使用。塞勒用处理后的污水作为低温热源的热泵站(3.3MW),1981年6月投入运行后效果良好。由于能源危机和环境问题的日益突出,美国、日本、德国等发达国家纷纷投入大量的财力和人力进行此项研究,并取得了一定的成果。采用热泵技术回收家庭生活污水(淋浴水、洗碟机和洗衣机排水等)余热的设施实例也很多。对于约10人的住宅,采用热泵技术回收家庭生活污水余热可节能达50%,对于10人以上的住宅可节能达60%。3污水源热泵回收利用可行性根据“十五”计划纲要要求,2005年城市污水集中处理率将达到45%,根据国务院2000年36号文件,2010年城市排水管道普及率和城市污水处理率分别达到90%和60%,城市污水排放总量为464×108m3/a,城市污水二级处理将增加6157×104m3/d。我国在污水资源化过程中如何回收和利用污水余热是一项十分重要的任务。①城市污水是一种巨大的低温余热源。北京地区以高碑店污水处理厂为例,其二级出水温度在冬季为13.5~16.5℃,夏季为22~25℃;黄河以及长江流域污水处理厂的二级出水温度为17~28℃;哈尔滨某药厂污水温度也在20℃左右,且在整个采暖期内水温波动不大,因此城市污水是水/水热泵或水/空气热泵优良的低温热源。②我国污水的排放量巨大且主要集中在城市。例如,2000年黑龙江省污水排放量为11.37×108m3(其中工业废水为5.26×108m3,生活污水为6.11×108m3),主要集中在哈尔滨、大庆、牡丹江等10个城市中,可见回收与利用污水余热关键在于回收城市污水余热用于城市供暖,因二者地点吻合而易于实现。③工业净化后污水数量十分可观。哈尔滨某厂污水处理站流量达1.5×104m3/d(625m3/h),冬季污水温度在20℃左右。若采用热泵技术将净化后的污水降低1℃就可获得约1t/h蒸汽的热量,可供建筑面积约为1×104m2的采暖。因此,建立供工业企业用的热泵站回收污水余热是工业企业节能的主要途径。我国城市污水源热泵技术的推广应用刚刚起步,处于试验和研究阶段。北京市排水集团在高碑店污水处理厂开发了污水源热泵试验工程,利用热泵装置向300m2的车间和600m2的机房冬季供暖、夏季制冷,经三年的运转效果良好。继高碑店污水源热泵试验工程后,北京市排水集团又在北京北小河污水处理厂安装了一套规模更大的污水源热泵,为该厂6000m2的办公楼和厂房供热与制冷。这些污水源热泵试验工程充分显示出污水源热泵的优越性:①城市污水排放量巨大,污水源十分丰富,如北京高碑店污水处理厂排放量为100×104m3/d,可解决500×104m2建筑物的供热供冷问题。②与井水源热泵相比,既可省掉打井费用,又不需要抽水与回灌所需的动力,也可避免出现由于回灌不当而引发的地下水资源的破坏问题。③显示出较好的经济效益。北小河污水处理厂原采用燃煤锅炉供暖,运行费用约为20万元/a,按北京市环保的要求应进行改造,如改用燃油锅炉供暖的运行费用为45万元/a,用天然气锅炉供暖费用为37万元/a,而改为污水源热泵供暖的运行费用为22万元/a,与燃煤锅炉供暖基本相同。④将城市污水处理的水量和热量同时回收与利用是一种面向21世纪的理想的城市污水综合利用方法,是城市污水资源化的有效途径。鉴于此,北京排水集团下一步拟在清河污水处理厂、酒仙桥污水处理厂、卢沟桥污水处理厂建设污水源热泵工程。4污水源热泵在城市供热中应用的意义①城市污水是优良的引人注目的低温余热源,在整个采暖期间水温适宜,是水/水热泵或水/空气热泵的理想低温热源。在寒冷的“三北”(东北、华北、西北)地区,发展和运用城市污水热泵供暖系统将会为解决传统供暖系统的节能和环境问题带来益处。②在大城市中应用与发展污水源热泵是改变大城市以煤为主的能源消费结构现状的有效途径,为可再生能源的应用的发展拓展了新的空间,是开发可再生能源发展战略中的重要研究内容,因此研究和发展污水源热泵具有长远的战略意义。③污水水质对污水源热泵装置的影响是一个特殊问题,解决好污水热泵中换热器表面污垢、阻塞、腐蚀等问题是污水源热泵供暖系统成功与否的关键。④根据我国目前热泵工业的现状,优先发展工业企业净化后污水源热