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直进式污水源热泵系统的应用

时间:2019-06-04

1、引言


建筑能耗在国民经济总能耗中占有很大比例,预测2020年我国暖通空调能耗量将达到10亿吨标准煤,占总能耗的30%以上。开发利用大自然环境中的非矿物能源是缓解暖通空调能源消耗问题的重要举措,这类能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和工业余热、城市废热等。


利用污水源热泵系统回收城市污水中的热能,既开发了一种清洁能源,同时又降低了城市废热的排放,保护了环境。利用城市原生污水作为热泵系统的冷热源,满足建筑空调制冷和供暖的需求.该技术的规模化应用,大量减少一次能源的消耗,促进城市能量的有效利用,符合能源可持续利用的国策。随着我国城镇化进程的加快,生活污水排放量每年大幅增加且温度稳定,是今后能源利用的一个发展方向。


2、污水源热泵系统简介


污水源热泵系统一般以城市污水或工业废水为低温热源,冬季可作为热源,夏季可作为冷源。其主要技术难点在于设备的防堵塞和防腐蚀,因此污水源热泵系统要有精细的除污和过滤设计。常用的污水源热泵系统形式有两种:直进式和间接式。


直进式污水源热泵系统简洁、高效,污水通过提升泵直接进入到热泵机组中,无需加设中间换热装置及防阻机,这种机组将防阻功能和热泵机组的换热器进行集成设计,使系统更加简单紧凑。间接式污水源热泵系统通过中介水系统与污水换热,在一定程度上保证了进入机组的水质,但同时有部分换热温差损失(一般在3—5℃),这使得间接式污水源热泵系统在水温偏低的工况下具有一定局限性且系统效率降低。如果污水温度过低则需要在中介水系统内加入防冻剂,在一定程度上增加了系统的运行维护成本。


3、工程应用


3.1项目概况


泰安某小区原有供暖形式为市政集中供热,换热站设置在小区内,站内原有高区和低区两套供热系统。改造完成后,高区采用污水源热泵供热,供热面积3.6万㎡;低区保持不变,继续采用原有市政集中供热系统。


3.2系统负荷计算


泰安市属于温带大陆性半湿润季风气候区,四季分明,寒暑适宜。年平均气温13℃,7月份气温最高,平均26.4℃,1月份最低,平均-2.6℃。冬季采暖期130天,供暖室外计算温度-6.7℃。小区建筑外墙有节能措施,室内末端形式为地板辐射采暖,采取低温常供的供暖方式。建筑热负荷指标取45W/㎡,总热负荷为1620kW。


3.3污水引退水系统设计


根据实地勘测,小区换热站附近污水主干渠直径1m左右,最小流量为2000m3/h,冬季平均温度为13℃。通过计算得出小区高区供热所需污水量约为250m3/h,现有水量远远大于项目所需水量,满足设计要求。计算公式如下:

                                                      G=Qw/1.163xΔT   (1)

                                                      Qw=Q-Qy          (2)

式中,G为污水流量;Q为系统热负荷;QW为从污水中的取热量;QY为压缩机输入功率;ΔT为污水换热温差,取5℃。为考虑项目经济性,取水点选择位于污水干渠距离换热站最近的位置。利用DN400的钢筋混凝土管将干渠中污水引入直径3m深5m的污水提升井内;井内安装2台流量为120m3/h、扬程18mH2O、功率15kW的污水潜水泵。污水潜水泵将提升井内的污水引入热泵机组内,提取热量后直接排入污水取水点的下游,引退水管线采用开挖埋管方式。如图3-1。

直进式污水源热泵系统的应用

污水提升井功能及要求:见图3-2。

直进式污水源热泵系统的应用

(1)污杂物沉降:取水井有沉降功能,将体积较大的污杂物及污泥沉积在井底,方便定期清理。

(2)污水潜污泵安装及检修:在污水取水井内安装污水潜水泵,并设置导轨、导链、检修口等,方便水泵维护。

(3)污水蓄水:污水取水井蓄水大于30m3,维持污水进水量稳定。


3.4基本参数确定

(1)冬季供水温度44℃,回水温度为35℃,供暖时间24小时。

(2)冬季进入机组的污水进水温度12℃,出水温度7℃。

(3)考虑机房面积及水温条件等因素,污水源热泵系统形式采用直进式,机组工质采用R22。


3.5设备选型及机房布置


(1)机组选型


直进式热泵机组:2台,单台输入功率170kW,制热量826kW,双压缩机配置。


(2)附属设备选型


污水潜水泵:2台(互为备用),流量120m3/h,扬程18mH2O,功率15kW;末端循环泵:1台(原有设备),流量150m3/h,扬程28mH2O,功率15kW;


系统补水泵:1台(原有设备),流量5.8m3/h,扬程88.4mH2O,功率2.2kW。


(3)系统设计


污水源热泵系统在原有系统上改造完成。将原有换热机组二次侧进出水口、系统补水等接入热泵系统,原有系统作为备用,各部分分别留有切换阀门。


热泵系统原理图和机房设备管线布置图如图3-3。

直进式污水源热泵系统的应用

4、经济性分析

4.1机房设备电功率统计(见表4-1)

直进式污水源热泵系统的应用

4.2污水源热泵系统运行电费(见表4-2)

直进式污水源热泵系统的应用

表4-2直进式污水源热泵系统运行费用计算表


4.3其他费用


(1)系统运行电费:60.26万元

(2)设备维护管理费:2500元/人?月×4.5个月×2人=2.25万元

(3)维修成本:1.8万元/年

(4)补水费用:0.7万元

(5)年运行成本预测:60.26+2.25+1.8+0.7=65.01万元

每平米总费用指标:65.01÷3.6=18.06元/m2


5、节能减排计算


原系统每年耗煤量折合标准煤约725吨,改造后建筑所需供暖热量的76%来自污水,系统全部能耗折合标煤约293吨,节约标煤432吨,节能率达60%。该系统冬季每年每平方米综合运行费用仅为18.06元,每年减排CO高达1131吨,SO2减排12吨,NOx减排3吨,粉尘减排5吨,经济、环保效益显著。


6、结论


利用污水源热泵技术回收城市污水中的余热用于供暖可以在一定程度上缓解当前城市热源紧张的情况。污水源热泵系统效率高,节能减排效率可达60%,环保效益显著,符合我国当前的能源政策,且经济效益显著。本文为直进式污水源热泵运行性能的经济性和稳定性提供了可靠的参考案例。