石家庄缔景城污水源热泵工程应用研究

          石家庄缔景城污水源热泵工程应用研究       

庄兆意¹      陈艳哲²    李仁平²        张承虎¹

    1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院哈尔滨150090；2. 河北惠众能源环境工程有限公司石家庄050000）

    摘要：本文结合石家庄缔景城污水源热泵项目重点介绍了污水源热泵的技术原理，污水热能提取利用的关键技术，设备选型等工艺流程，提出了广泛应用污水源热泵系统所带来的经济、环保和社会效益。

关键词：城市污水源热泵  污水热能  节能  环保

Research on application of sewage source heat pump system in Shi Jiazhuang Di Jingcheng quarters

          Zhuang Zhaoyi¹  Chen Yanzhe²  Li Renping²  Zhang Chenghu¹

(1.College of Municipal Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090; 2.Hebei Public Benefits Energy Environmental Engineering Limited Company, Shi Jiazhuang 050000)

     Abstract: integrated with the sewage source heat pump item in Shi Jiazhuang Di Jingcheng quarters, this paper mainly introduced the technology theory of the sewage source heat pump, and the technological process such as the key technology for picking-up and using the sewage heat energy, equipments selection ect. The economical, environment protection and societal benefit of extensive application of sewage source heat pump system were also put forward.   

Keywords: urban sewage source heat pump (USSHP), sewage heat energy, energy saving, environment protection

0 前言

    城市污水源热泵（USSHP）是一种采用城市原生污水或污水处理厂二级出水作为直接或间接冷热源的热泵型空调装置，具有显著的性能优势和节能效果，在我国乃至全世界都得到了较快的发展和应用^[1]。随着建筑能耗占能源总消费量的比例日益增大，节约能源消耗和开发新能源受到人们越来越多的重视^[2]。20世纪70年代以来，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，并得到了较为普遍的推广应用。即况系数器献，专门设置了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，仅北京市每天就有88196万吨城市污水排出^[3]。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，相应的降低了CO₂，NO_x，SO_x等污染物的排放量^[4]，具有非常重要的经济及社会意义。本文就石家庄缔景城城市原生污水源热泵项目，详细介绍了污水源热泵系统的设计和工程应用概况，为加快城市污水热能利用和污水源热泵系统的工程设计提供参考。

1 工程概况

    石家庄缔景城地处裕华路和工农路之间，东西频临中华大街和维明大街，总建筑面积约80万m²,其中一期工程52万m²采用城市污水源热泵系统提供冬季地板辐射采暖及商业风机盘管采暖，以及夏季商业建筑制冷空调用冷水，无卫生生活热水供应。本项目分为高、低区独立系统，其中高区采暖设计热负荷为7596kW，低区设计热负荷为11372kW，设计采暖热负荷共计18968kW；夏季空调设计冷负荷为7316kW。距离该小区约400m处中华大街上有一城市污水主干渠，经测得污水温度冬季16~18℃，夏季22~24℃，流量满足该项目水量要求，适宜做该项目的低位冷热源。该项目2008年11月调试运行，当年冬天由于极少部分用户入住该小区，机组启停频繁，没有采集到系统性的运行数据，但初步反应系统运行效果良好；2009年夏季，由于污水干渠改道，系统没有运行，关于该项目的运行状况，将在以后加以陈述。

2 污水源热泵系统原理

    城市污水源热泵系统如图1所示，图中污水防阻机为哈尔滨工业大学所研发的专利设备^[5]，其型号由污水的流量确定；污水-中介水换热器为管壳式换热器，污水走管程，中介水走壳程，其型号由设计换热量确定；由环路的独立性原理^[6]可得一、二级污水泵，中介水循环泵和末端循环泵的型号由各环路的流量和阻力确定。冬季供热时热泵系统从污水中经污水换热器取热，夏季制冷时则经污水换热器向污水中放热。通过开启关闭不同的阀门来实现制冷和制热的切换图中：1-一级污水泵；2-二级污水泵；3-中介水循环泵

图1 污水源热泵系统示意图

3 工艺流程

3.1 污水取、排水方案

    采用重力引水、重力退水。在机房外侧设置污水缓冲池，分为两层，下层为引水池、上层为退水池。污水依靠重力流由污水干渠处自流至引水池，然后污水潜水泵从引水池内抽水，并送往机房换热之后再排往退水池，退水池内污水将依靠重力返回污水干渠。如图2所

图2 重力引、退水方案示意图

3.2污水的前置处理技术-专利设备污水防阻机

    为使污水中的大尺度固相悬浮物不进入到壳管式污水换热器，哈尔滨工业大学研发的污水处理专利设备-污水防阻机^[5]，城市污水经过该设备后，无大尺度固相污染物，保障了污水换热器的正常运行。污水防阻机的工作原理如图3所示。用污水泵1抽吸污水干渠中的城市原生污水进入筒外供水区A，经旋转的圆筒形格栅滤网3过滤后进入筒内供水区B，此时污水中已不再含有会引起污水换热器堵塞的大粒径污杂物，利用污水泵5将筒内供水区B中的污水引至污水换热器6中，换热后污水回到筒内回水区C，在压力下经过圆筒形格栅滤网3时，对在圆筒格栅外表面上已经淤积的污杂物进行反冲洗，进行过反洗的污水进入筒外回水区D，并被继续地送回污水干渠中。1-一级污水泵；2-外壳；3-旋转滤网；4-挡板；5-二级污水泵；6-污水换热器；A-筒外供水区；B-筒内供水区；C-筒内回水区；D-筒外回水区

图3污水防阻机的工作原理图

3.3 污水与中介水的换热设备-污水专用换热器

    由于污水的粘性以及对换热面的污染，污水在换热器中的流动阻力和换热特性与清水有很大的不同。本项目对污水换热器的结构，尺寸参数的设计都进行了特殊的处理。例如，为保证一定的传热系数，采用多管程的办法来提高管内流速；在壳程侧设置纵、横挡板以增加水的扰动；对封头处的结构进行特殊的处理以方便人工清洗。污水换热器的设计计算见文献[7]。本项目工程的换热器参数见表1。

表1污水换热器的设计参数

3.4设计参数

     该工程冬季热负荷较大，设计以供暖为主。冬季设计热负荷为18968kW，夏季设计冷负荷为7316kW。冬、夏季各环路设计参数见表2、表3。

表2 冬季污水、中介水和末端循环水的设计参数

    注：污水系统和中介水系统进出口温度是指进出污水换热器的温度；末端循环水进出口温度是指进出热泵机组冷凝器的温度。

表3 夏季污水、中介水和末端循环水的设计参数

    注：污水系统和中介水系统进出口温度是指进出污水换热器的温度；末端循环水进出口温度是指进出热泵机组蒸发器的温度。

3.5 设备选型

系统设备选型如表4所示。

表4 污水源热泵系统设备选型表

4 经济环保性

    城市污水水温适宜，与大气气温相比，具有冬暖夏凉的热能特征，是良好的低位可再生清洁能源，作为热泵冷热源为建筑物供暖空调是缓解能源消耗与环境污染的有效途径之一，具有巨大的社会与环境效益。

（1）直接的社会环境效益，包括节省的一次能源消耗量（主要指煤）和少排放的污染物数量（CO₂、NO_x、SO_x、粉尘）。

    冬季供暖年末端用热量、污水热泵一次能源消耗量（按火力发电考虑）、利用城市热网集中供热时一次能源消耗量（一次能源指煤、油和天然气），本项目节省的一次能源量、节省的用煤量如表5。

表5 冬季污水热泵与城市热网集中供热的比较

    根据我国的污染物排放定额：CO₂ 0.482kg/Mcal、NO_x1.8g/Mcal、SO_x34g/Mcal、粉尘2.2g/Mcal，本项目每年减少的排放量如表6。

表6 本项目每年减少的污染物排放量

（2）52万m²的污水热泵项目在国内是最大的，在国外也是罕见的，作为示范工程，将进一步促进我国热泵的大力推广应用。同时为缓解暖通空调的能源消耗与环境污染问题，实现多元化的供暖空调模式，将暖通空调和谐地纳入生态循环之中做出积极的贡献。

5 结论

    综上所述，污水源热泵系统相对于其它供热空调方式均具有突出的优点，城市污水中蕴含有巨大的能量，在大城市中以及污水处理厂发展和应用污水源热泵系统是改变和发展现有以石化能源消耗为主的结构现状的有效途径，拓宽了可再生能的应用发展新的空间。石家庄缔景城污水源热泵项目不仅在石家庄，在全国乃至全世界都具有重要的示范效益，为加快污水源热泵系统的推广速度和污水热能资源化的步伐起到了里程碑的作用。

6 参考文献

1. 吴学慧, 孙德兴．基于遗传算法的原生污水源热泵优化设计[J].  节能技术. 2007, 142 (2):99-101

2. 龙惟定, 白玮，张蓓红．中国住宅空调的未来发展[J].暖通空调. 2002，32（4）：43-47

3. 中国统计年鉴2006.国家统计局中国统计出版社，2006

4. 尹军，王宏哲，韦新东．城市污水热能利用技术及展望，吉林建筑工程学院学报，2001年6月第2期

5. 发明专利：名称：设置有滚筒格栅的城市污水水力自清方法及其装置；专利号：ZL2004 10043654.9；发明人：孙德兴，吴荣华；专利权人：哈尔滨工业大学；授权公告日：2005.11.25

6. 刘志斌. 污水源热泵系统防阻塞装置工作特性的实验研究. 哈尔滨工业大学硕士论文.2006：34~35

7. 孙德兴，肖红侠，张承虎等. 污水换热器的设计计算. 暖通空调. 2009,39(5):101-103