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民用建筑大规模中水源热泵系统的应用

时间:2019-10-12

我国建筑运行能耗占能源总消费量的比例已经接近30%的世界平均水平。要实现节能减排的目标,一种方法是研究如何提髙现有能源利用率;另一种方法即开发利用新能源、可再生能源。中水源热泵系统由于水温、水量均相对稳定,是热泵系统非常优良的低位、清洁冷热源。我国中水源热泵起步较晚,基本都是规模较小的工程,对于大规模的中水源热泵系统很少介绍。我们就西安市某中水源热泵项目,详细介绍了热泵系统的设计和应用概况,希望对相似中水源热泵系统的工程起到参考作用。


1、项目概况


本项目是利用西安市第一污水处理厂(原邓家村污水处理厂)的中水,采用中水源热泵技术提取中水中的余热供热。污水厂二期扩建后处理能力为22万吨/天。中水源热泵集中供暖的建筑面积约200万平方米。


2、系统概况


中水管道如图1所示,整个系统由以下部分构成:

民用建筑大规模中水源热泵系统的应用

1、引水管网工程:沿市政道路采用重力流将污水处理厂的中水引至提升泵站的蓄水池;

2、提升泵站工程:在提升泵站用地上蓄水池和提升水泵将中水泵出;

3、配水管网工程:沿市政道路采用压力流将泵送的中水分配到各个用热地块的供热热泵机房内;

4、退水管网工程:各个地块提取完热量的中水利用雨水管网汇集排放至皂河;

5、供热热泵机房:在各个热用户地块内设置地下机房,内设热泵主机、循环水泵、换热器、水处理装置等设备,提取并提升中水中的低位热量并输送到用户末端供热。


整个200万平方米供热面积的区域内,计划建设7~10座供热热泵机房,具体需根据区域内开发项目的数量和规模而定。


本系统拟采用污水处理厂处理后的一级中水为热源,但是鉴于污水处理厂不可避免存在事故溢流,所以采用间接式系统。间接式系统必然存在一定的传热温差,但其有效的隔绝了污水进入热泵,保证了热泵机组蒸发器的换热安全,如图2所示。

民用建筑大规模中水源热泵系统的应用

3、关键节点介绍


3.1取、退水方案


中水取退水方案为:取水口一引流水井一格栅除污机一蓄水稳流池一水源侧提升泵一配水管路一减压阀一污水换热器一出流水井一退水口。


3.2蓄水稳流池


在水源侧直流泵之前需要设置一个蓄水稳流池,起到调节污水流量的作用。根据邓家村污水厂某日的小时出水流量表可以得到该污水处理厂一天24小时的二级出水小时流量。定义小时流量表达式为Xi,i表示小时;通过计算得到二级出水流量平均值Xave,则蓄水稳流池的容量V为:

V1=∑i=124(Xi-Xave),


约束条件为:Xi>Xave;


V2=∑i=124(Xave-Xi),


约束条件为:Xi<Xave;


V=max(V1、V2)


通过上式的计算,该蓄水稳流池的容积约为3500m3


3.3污水提升泵


关于提升泵站水泵的选型,要求配置大泵与小泵结合使用:大泵并联按照满足最不利流量及相应阻力配置,小泵并联按照满足大泵一半流量及相应阻力配置。


(1)所服务各区域建筑接入管网时间不定,项目运行前几年,由于建筑面积、入住率等问题,不需要很大的流量,仅配置大泵,运行费用髙。


(2)负荷都有很大的变化,流量随之也发生变化,并非总是处于最大流量的状态,所以需要配置大小泵,有利于后期运行调节使用,节省运行费用。


3.4污水换热技术


格栅、水泵间与蓄水稳流池合并设置。设置回转式格栅除污机2台。


热泵机房内设置污水换热器,污水换热器污水侧为宽流道设计,污水在换热器内产生紊流和扰动,在一定压力下,以一定的流速顺利通过,解决了堵塞问题,易清洗维护,传热效率较髙。逆流换热,设计时按照污水侧换热系数1200W/m2℃计算。另外,针对本项目水质以及系统规模特点,污水换热器也相应做了个性化设计,主要包括:污水侧流道尺寸以及污水和中介水侧承压能力(污水侧承压0.3MPa,中介水侧承压0.4MPa)。


4、热泵机房站点举例


以一个供暖面积约为10万平方米换热站为例,热泵机房内具体设备配置如下表所示:

民用建筑大规模中水源热泵系统的应用

5、社会效益


根据典型年冬季室外气象参数满负荷运行修正系数取0.44。中水源热泵系统电力(万kWh)的等价折标系数取3.27。传统锅炉房采暖系统:标煤的平均低位发热值为29307kJ/kg,供热系统的热能利用效率取85%。因此,中水源热泵系统相比较于传统锅炉房采暖系统,可以节约标煤量为8300tce/年,减少CO2约20700tce/年,SO2约120余吨,NOx120余吨,烟尘约80吨。


6、结论


该中水源热泵系统于2016年11月投入使用,截至目前已完成了两个完整的供暖空调周期运行,运行良好,初步显现了良好的经济和社会效益,在西安市乃至全国都具有重要的示范效益。大规模中水源热泵与小型系统的主要区别在于,需要特别关注设计、实施及运行中管路流量分配、输配能耗等方面问题。大规模中水源热泵系统统一规划,经济性将更加突出,也必将在更多的区域供暖供冷中得到更为广泛的应用。