浅析污水源热泵技术在污水处理厂中的应用

发布时间:2018-11-11 15:26          

本文通过水源热泵在乌鲁木齐市某污水处理厂的应用,详细介绍了水源热泵的工作原理、运行成本、工作特点和实际经验,继而阐述了水源热泵在污水处理厂的应用前景。

水源热泵是以水为介质来提取能量实现制热和制冷的一个或一组系统。针对水源热泵机组,就是通过消耗少量高品位能量,将地表水中不可直接利用的低品位热量提取出来,变成可以直接利用的高品位能源的装置。

城市污水是北方寒冷地区不可多得的热泵热源和空调冷源,它的温度一年四季相对稳定(冬季比环境空气温度高约25℃,夏季比环境空气温度低约10℃),是很好的热泵热源和空调冷源——这种温度特性使得污水源热泵比传统空调系统运行效率要高,它的性能系数f既每消耗1的能量所获取的能量)可达到4-5,故节能和节省运行费用效果显著。近几年,随着热泵技术的发展,在北京、石家庄、天津等地的污水处理厂相继建成了规模不等的热泵系统。但是,乌鲁木齐市污水处理厂使用热泵技术还是首次。

一、工程概况

河西污水厂设计日处理10万m3污水,远期20万m13,水质标准1GB。目前共有热泵6台,其中用于厂区供热两台,用于空调系统两台,用于洗浴热水两台。本工程总投资800万元,平均运行成本约20元/平方米,其中夏季制冷面积2000平方米,运行成本约10元/平方米;冬季供暖面积7000平方米,运行成本约30元/平方米。该厂将供热(制冷)区域划分为四个部分:在冬季,办公楼、单身宿舍及各车间的值班室27℃,厕所14℃,各车间的无人区12。C,车库5℃;在夏季,办公楼、单身宿舍及各车间的值班室20℃,厕所、各车间的无人区、车库不考虑。目前,热泵运行情况良好。该厂在污水进厂的总出水口建设空调水源水采集系统,直接利用处理过的污水。同时,在污水源泵房设置了除污器。

该厂采用了安装水一水热交换器的水源热泵系统,其工作原理如下:

1.冬季制热工况。污水由污水提升泵抽入壳管式换热器,在换热器内与中介水(软化水)进行热交换,冷却污水回流到市政污水管网,而加热的中介水进入蒸发器,由压缩机排出高温高压气态工质R22进入冷凝器,与内循环水(软化水)发生热交换,将内循环水加热,经分水器由管道输送到各个“风机盘管”实现供热,而经过冷凝器的R22工质在高压下变为液态或基本变为液态,液态R22工质通过节流阀等后压力下降,并进入蒸发器。在气化过程中,大量吸取中介水热能,而完全汽化后的工质又回到压缩机,这样不断循环,致使不断将污水中低品位热能转变为高品位热能。

2.夏季制冷工况。由压缩机排出高温高压气态R22工质通过管道进入冷凝器与中介水(软化水)发生热交换,中介水通过壳管式换热器与污水发生热交换,冷凝后R22工质变成液体进入节流阀,节流后的R22工质变成低温、低压气液混合体进入蒸发器,在蒸发器中R22工质完全蒸发为气体并吸收内循环水(软化水)中的热量。内循环水被冷却到7℃左右,通过分水器由管道送到每个房间的“风机盘管”实现送冷,汽化后的工质又再次进入压缩机,如此连续不断产生冷水,产生的热量则通过冷凝器不断被中介水和污水带走。图1为运行原理图。

二、设计参数

1.气象参数。根据实测污水水温资料分析,乌市最低水温为13.2℃,冬季水温变化范围在14.8℃-13.2℃,夏季水温变化范围在17.9℃-14.6℃,可以满足水源热泵提取4℃水温的要求。

2.温度参数。冬季,污水平均水温约14℃,经换热器换热后回水温度为lOoC。热泵冷凝水器出水作为供暖系统循环水,供回水温度为55℃-45℃;夏季,污水温度约为18℃,经换热器换热后回水温度为20℃,热泵蒸发器出水为制冷系统冷凝水,供回水温度为7℃~12℃。该系统冬夏两季工况的转换通过切换阀门来实现,热泵机组为厂区各类泵房及附属建筑物提供冬季低温采暖供热介质(65/50℃)。冬季采暖负荷505KW,还为综合办公楼、食堂提供冬、夏季空调介质,冬季热负荷235KW,供热介质( 32/37℃);夏季冷负荷286KW,制冷介质(12/7℃)。同时,为厂区浴室及办公楼提供热水,介质温度( 45℃),满足了设计要求。

三、技术应用分析

1.污水处理技术的选择。由于污水中含有固体悬浮物等,需要采用污水防阻过滤器对污水进行过滤处理,加之污水内微生物容易在热泵机组内壁结垢影响换热,污水容易引起热泵机组换热器腐蚀、污水渗漏等原因,故技术上对水质要求比较严格。本厂泵房对污水热量利用采用直接换热方式,这就要求解决好热泵系统阻塞、腐蚀、结垢以及污水渗漏等问题。因此,水源泵的运行管理起着重要作用。由此看出,保证热泵系统的进水水质是从污水中经济回收能量的关键。

2.热用户的问题。冬季热源泵提供的热水温度是45℃-50℃,能满足空调系统用户的要求。但对于厂区车间使用散热器的用户,设计温度为55℃-60℃,在冬季最冷的月份,则不能满足车间热用户的要求,造成车间气温偏低——针对这个情况,则采用燃气锅炉辅助供热的方式加以调节。

3.使用管理。在使用中,应该选用质量较好的阀门,反之则会直接影响到空调系统的安全运行。此外,在使用过程中,还应不断对机组系统调节至最佳工况,以降低能耗。

4.降低技术风险。为确保污水处理厂在污水取水以及设备停水检修期间冷热供应系统的可靠性,尤其在北方地区,应有备用的锅炉作为紧急状态下使用。

四、经济效益分析

污水源热泵是利用污水处理厂出水量大,水质稳定,常年温度在13至25摄氏度等特点,以污水作为热源进行制冷、制热循环的一种空调装置。污水源热泵具有热量输出稳定、COP值高、换热效果好、机组结构紧凑等优点,是实现污水资源化的有效途径。污水源热泵比燃煤锅炉环保,污染物的排放比空气源热泵减少40%以上,比电供热减少70%以上。它节省能源,比电锅炉加热节省2/3以上的电能,比燃煤锅炉节省1/2以上的燃料。由于污水源热泵的热源温度全年较为稳定,其制冷、制热系数比传统的空气源热泵高出40%左右,其运行费用仅为普通中央空调的30%—55%。因此,污水源热泵有着广阔的应用前景。

1.从设备投资方面看:在计增容费的情况下,污水热能利用系统最少,为地下水热泵系统的84.10%,为燃气+空冷空调系统的77.08%;在不计增容费的情况下,污水热能利用系统的设备投资为地下水水源热泵系统的81.32%,为燃气+空冷空调系统的227.08%。

2.从年运行费用上看:燃气+空冷空调系统的运行费用最高,地下水水源热泵系统次之,污水水源热泵系统为最低。3种供能方式的年运行成本以污水热能系统最低,仅为燃气+空冷空调系统的46.19%,为地下水热泵系统的72.50%。在投资有效期内(按20年考虑),综合比较3种方案的费用,污水水源热泵系统的总运行费用大约是地下水水源热泵系统的70%左右,是燃气+空冷空调系统运行费用的45%左右。由此可见,污水热能利用系统的经济性是相当显著的。

五、结论和建议

首先,污水处理厂使用污水源热泵技术,对节能降耗起着积极作用。其次,污水源热泵系统供暖方式为城市污水热能利用提供了新的思路。由于污水源热能利用是符合循环经济理念的新型方式,故应制定更加详细、可操作性强的、有利于污水源热泵系统实施的政策和措施,以推动该项技术的应用与发展。

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