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上海地区污水源热泵应用潜力分析

时间:2020-07-12

随着我国经济的快速发展,城市化进程加快,对能源的需求不断增加。城市污水中含有大量热能,在尚未有效利用的低品位能源中,它作为一种城市余热清洁能源,数量巨大,作为热泵冷热源为建筑物供暖、制冷具有重要意义,利用热泵回收污水中的热能是现在研究的热点之一。上海市污水源热泵应用研究较少,我们通过调研分析了上海市污水处理现状、污水特征,计算采用污水源热泵的可供热、供冷面积及节能环保效益,对污水源热泵在上海地区的应用潜力进行研究。


1、上海市污水处理现状及污水特征


目前上海污水处理厂有50余座,主要分为6大污水处理系统,在运行的有47座,通过现场调研和资料收集可知,全市在运行的污水厂2016年污水日均处理量为703.66万m3,2017年污水日均处理量为709.37万m3,2018年污水日均处理量为713.6万m3,本市污水日均处理量大,污水资源量丰富。


本市的城市污水水温全年变化幅度不大,常年保持在一定范围内,图1为上海2座污水厂出水温度与环境温度对比图,从图中可知,上海的污水温度冬季一般在11~15℃,夏季一般在20~24℃,本市的污水温度冬季比环境温度约高10℃左右,夏季比环境温度约低12℃左右,具有明显的冬暖夏凉特点。根据规定地表水式(含污水)机组正常工作的冷热源温度范围:制冷15~35℃,制热10~30℃(离心式压缩机),可知本市污水冬夏季水温均满足热泵制冷和制热工况的要求。

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2、可供冷热面积计算


以2018年全市日平均污水处理量为基础,冬夏季均提取5℃温差计算,可计算出从污水中每天可获得的热量Q0。根据文献取热泵机组冬季制热工况下平均制热性能系数为3.71,根据文献取热泵机组夏季制冷工况下平均制冷性能系数为4.67,可求得污水源热泵系统每天最终可提供的制热量Qr和制冷量Ql。计算公式为:


Q0=CM△t


其中:Q0为污水所含热量,KW;C=4180J/(kg.℃);M为污水质量,kg;△t为温差,℃

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其中:Qr为污水源热泵制热量,KW;COPr为冬季污水源热泵平均制热性能系数。

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其中:Ql为污水源热泵制冷量,KW;COPl为夏季污水源热泵平均制冷性能系数。


污水热能按50%的利用率,每天可提供高达863.1MW的热量,若用热泵机组回收污水中的热量,冬季每天可提供1181.6MW的供热量,夏季每天可提供710.9MW的供冷量。以上海的办公建筑为例取冷负荷指标为120W/m2,热负荷指标为80W/m2,经计算,上海市污水可利用的热量可以实现为984.65万m2建筑供暖,可利用的冷量可以实现为888.6万m2建筑供冷。


3、节能效益分析


3.1系统一次能源利用率分析


我们利用一次能源利用率(PrimaryEnergyRatio,简称PER)来对比分析污水源热泵机组和本市使用广泛且技术成熟的2种空调机组形式的PER,分别是风冷热泵、燃气锅炉+水冷机组。


制热工况下,风冷热泵一次能源利用率计算公式为:

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式中COP为风冷热泵的供热性能系数;η为发电机的输配电效率;ηf一次能源发电效率;ηs电力输送损耗率。


制冷工况下,通常电制冷工况下的一次能源利用率的计算公式为:

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式中COPl为制冷性能系数。


全年工况下的一次能源利用率计算公式为:

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以上海某办公建筑为例进行计算分析,空调面积设定为10000m2,根据相关规范冬季空调供暖热指标取80W/m2,夏季空调制冷冷指标取120W/m2,供暖取90d,供冷取120d,污水源热泵系统与其他系统的一次能源利用率比较如表1所示。

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从计算结果可以看出,夏季制冷工况下,污水源热泵与水冷机组的一次能源利用率相当,污水源热泵全年工况下的一次能源利用率为1.22,表明相同条件下,污水源热泵系统一次能源的节能效果最好。


3.2系统单位污水量节能分析


设单位污水量可用冷热量为QW,则供暖时可提供的供暖量Qr为:

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根据公式(4)和(1)可得污水源热泵系统供暖工况下的一次能耗量Qp为:

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则供暖一次能耗用能系数NR为:

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其他空调系统供暖一次能源消耗量为:

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则污水热泵系统单位污水供暖一次能耗节能量△Qr为:

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则定义WR为污水热泵系统供暖节能系数,其计算公式为:

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在制冷时可供冷量Ql为:

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根据式(6)和(7)可得污水源热泵系统制冷工况下的一次能耗量:

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则制冷一次能耗用能系数NL为:

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其他空调系统制冷一次能源消耗量

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则污水源热泵系统单位污水制冷一次能耗节能量Ql为:

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定义WL为污水源热泵系统制冷节能系数,其计算公式为:

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可根据上面公式(7)~(18)计算出污水源热泵系统污水源热泵系统单位污水量的供暖、制冷节能系数,如表2所示。

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由计算结果可知,当单位污水量可用冷热量为Qw时,供暖制冷时与风冷热泵相比节能率约为37%,与燃气锅炉相比节能率约为18%;污水源热泵机组在冬季供暖工况节能系数约是夏季制冷工况节能系数的2.2倍,表明污水源热泵更适合于冬季供暖工况。


4、环保效益分析


大气中的主要有害物质包括二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOX)和粉尘等,各种污染物的排放定额参照文献中的值,如表3所示。

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上海市每天污水排放量以713.6万m3计,若污水中的热量50%被用来为建筑供热、制冷,则每天可减少二氧化碳排放量为8.6万吨,二氧化硫605.52吨,氮氧化物32.07吨,粉尘39.52吨。由此可见,本市利用污水源热泵空调系统对环境保护和可持续发展具有非常重要意义。


利用污水源热泵系统为建筑物供暖制冷时,与另外2种空调系统相比,污水源热泵系统的环保性评价指标计算公式如下:


(1)与风冷热泵、水冷机组相比,污水源热泵系统的污染物的减少量Z计算公式为:

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式中Z为污水源热泵系统的污染物排放消耗量,g;a为污染物排放定额,g/MJ,b投入能源减少量,MJ。


(2)与燃气锅炉系统比较,污水源热泵系统的污染物消减量Z的计算公式为:

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式中e为投入能源减少量,MJ;η为燃气锅炉或直燃溴化锂机组效率。


以单位污水量为10000m3来计算污水源热泵相对于其他空调系统形式的污染物减少量,计算结果如表4所示。

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由计算结果可知,污水源热泵系统与常用的2种空调系统相比,污染物排放量明显减少,尤其在冬季供暖环保效益更加显著。


5、结论


(1)污水热能按50%的利用率,全市每天可提供高达863.1MW的热量,若用热泵机组回收污水中的热量,冬季每天可提供1181.6MW的供热量,可以实现为984.65万m2建筑供暖,夏季每天可提供710.9MW的供冷量,可以实现为888.6万m2建筑供冷;

(2)污水源热泵供暖工况一次利用率为1.05,制冷工况为1.32,与水冷机组相当,全年工况为1.22;

(3)单位污水量供暖制冷时与风冷热泵相比节能率约为37%,与燃气锅炉相比节能率约为18%;污水源热泵机组在冬季供暖工况节能系数约是夏季制冷工况节能系数的2.2倍,表明污水源热泵更适合于冬季供暖工况;

(4)本市污水中的热量50%被用来为建筑供热、制冷,则每天可减少二氧化碳排放量为8.6万吨,二氧化硫605.52吨,氮氧化物32.07吨,粉尘39.52吨。