污水源热泵供热的工程应用及其分析

污水源热泵供热的工程应用及其分析
                       曲云霞1,杨勇1,李爱景1,刘文波1,王伟华2
    (1.山东建筑大学,山东济南250101;2.中国石化齐鲁有限公司供排水厂,山东淄博255411)
    摘要:齐鲁石化水厂原来利用热电厂蒸汽换热后制备低温热水对车间和办公楼进行供热,运行费用高。根据该厂有丰富的工业污水的特点,现设计采用污水源热泵机组为车间及办公楼提供热。分析表明,一个采暖季即可节省运行费用约68万元,而且使用效果良好。
    关键词:污水源热泵;工业污水;供热
    中图分类号:TK11+5;TE08;X703文献标志码:B文章编号:1671-5292(2007)02-0103-03
    0·前言
    作为城市废热之一而排放的城市污水,由于具有稳定的水量和水温,易于收集,污水中所贮存的热能较高,可作为清洁能源在低温区利用等一系列优点,正在受到越来越多的重视。特别是热泵技术的不断发展,使城市污水热能利用系统日趋成熟。日本是较早利用污水中热能的国家之一。日本不仅利用未处理过的污水作为热源,而且也利用二级出水或中水作为热源。东京大区污水管理局从1987年起启动从污水中回收热能的计划,现在已有12个热泵系统在运行,其中4个使用未处理污水作为热源,其余为使用二级出水或中水作热源。回收的能量主要用于污水处理厂办公建筑的空调,也有作为区域供热的热源。瑞典斯德哥尔摩有40%的建筑物采用热泵技术供热,其中10%是利用污水处理厂的出水作热源。
    在我国随着人民生活水平的提高,在空调和热水供应方面所消耗的能源显著增加,节约能源已经成为21世纪的首要任务。因此,可再生能源的利用已经成为目前研究的热点。污水源热泵是利用污水处理厂中水或原生污水作为热源进行制冷、制热循环的一种空调装置。它具有热量输出稳定、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。目前,利用污水源热泵系统为建筑物供冷、供热已有一些应用的实例。
    1·污水源热泵系统类型
    污水源热泵系统按照其使用的污水的处理状态可分为以未处理过的污水作为热源/热汇的污水源热泵系统和以二级出水或中水作为热源/热汇的污水源热泵系统;根据污水与热泵的热交换部分是否直接进行热交换,可分为间接利用系统和直接利用系统。从工况转换方式上看,大体可分为两种:一种是制冷剂流向的切换,即通过四通换向阀的换向来实现制热工况和制冷工况的转换;另一种是水切换式,即通过阀门改变水流方向来实现工况转换。由于考虑到污水水质及污水中污物对热泵机组的影响,目前国内多采用间接式污水源热泵系统。本文中介绍的实例即为利用工业污水的间接式污水源热泵系统。
    2·工程概况
    中国石化齐鲁有限公司供排水厂(以下简称齐鲁石化水厂)主要负责进行给水的处理和销售,以及中国石化齐鲁有限公司生产过程中污水的处理和排放。进入该厂的污水温度为30~40℃,为了满足污水处理工艺过程的要求,在处理过程中,要向污水中加入大量的地下水,以降低污水的温度达到排放指标。
    该厂主要由净化车间、设备间、库房和办公楼组成,总建筑面积约为9 000 m2。厂区内冬季供热原采用蒸汽通过换热器转换为低温热水供暖,末端设备为暖气片,冬季供暖面积约为5 500 m2。根据厂方提供的数据,该厂冬季采暖所耗费用约为85万元,由于厂家认为费用太高,希望我们能够根据该厂现有条件,对原有系统进行改造和设计,以降低运行费用。
    3·冬季供热方案设计
    通过调查发现,该厂有优越的自然条件可以利用。首先有充沛的地下水资源,可利用的深井水流量在100 m3/h以上,地下水温度为16～20℃;其次具有大量工业污水,污水温度为30～40℃。这些有利条件很适合使用水源热泵空调来为厂区供冷和供热。经过与厂方协商,决定采用水源热泵空调系统,具体方案如下。
    冬季,直接利用生产污水作为办公楼、设备间、库房和净化车间的吸热源,向各房间供热。为了节省设备费用,冬季设备间和净化车间仍采用原有的散热器供暖,只有办公楼和车间的值班岗位增设了风机盘管作为房间的末端设备。夏季,利用地下水作为热泵机组的放热源,利用水源热泵机组为办公楼提供7～12℃的冷冻水。考虑到以后的发展,并根据空调负荷选用SGHP600A螺杆水源热泵机组,机组额定工况下制冷量为522 kW,进出水温度为7~12℃,制热量为574 kW,进出水温度为52~42℃。
    采用该方案后,一方面,充分利用了污水中的热量,节省了使用蒸汽采暖的费用,同时,使污水温度降低,减少了污水处理过程中地下水的用量,可谓一举两得。
    考虑到污水水质对热泵机组的影响,本工程中采用间接式污水源热泵系统,冬夏季工况采用水侧切换方式,冬季供热系统流程见图1。
         
    在该工程中,所利用的污水源主要是匀质池中的污水。由于污水中含有较高碱性、氯根,及有机溶剂和悬浮物,因此污水对铁、铜、普通不锈钢、部分种类的塑料都具有较强腐蚀性。最终选择采用PEX管作为污水换热器管材,换热器内加入自来水作为循环介质,通过自来水吸取污水中热量,然后与热泵机组进行热交换为用户提供50℃左右热水。在污水池中,污水换热器的设计直接影响到机组的制热量。考虑到匀质池的清淤问题,污水换热器沿着池内壁均匀敷设,而且管与管之间相隔一定间距,以利于热量的吸收和污水换热器的清洗。由于管子紧靠池内壁敷设,使得换热器的传热效果降低,因此传热面积应适当加大。本工程中采用φ32的PEX管近5 000 m,传热面积近500 m2。
    该工程于2006年1月投入运行,运行结果表明,机组冬季供给用户的热水温度在46℃左右,回水温度为41℃左右。污水侧污水换热器内进口温度为25℃左右,出口温度为30℃左右。2006年1月22日,通过实测,办公楼和值班岗室内实际温度在20~22℃,库房和车间温度达到12℃以上(工艺要求达到10℃以上即可),结果表明,采用该方案后,室内空气温度完全达到用户要求。
    4·系统经济性分析
    4.1原有方案经济性分析
    采用原有方案时,根据厂方提供的数据,净化车间冬季采暖蒸汽耗量约为2.4 t//h,当地蒸汽价格为124元/t,当地采暖期按120 d计算,故该厂冬季采暖费用约为：
    2.4×24×120×124=857 088元
    故该厂一年采暖运行费用约为86万元。
    4.2现有供热方案经济性分析
    采用现有供热方案后,冬季空调系统的运行费用主要为热泵机组和水泵的电费。根据机组测试的数据表明,机组冬季实际供热量约为600kW,机组满负荷时电流为220A,计算得到机组实际输入的电功率为123 kW,热泵机组实际制热系数高达4.8,水泵的功率为15 kW,按当地电价0.6元/kWh计算,因此冬季实际的耗电费用为(123+15)×24×120×0.6×0.75=178 848元由此可见,现有的供热方案冬季运行费用约为18万元,一年即可节省运行费用68万元。
    5·结论
    该厂原来冬季利用热电厂蒸汽通过换热器转换为低温热水进行采暖,每年运行费用高达86万元。供热系统经过改造以后,每年运行费用只有18万元,即每年可节省68万元,增加的初投资费用一年内即可收回。同时,经过一个采暖季的运行测试表明,供暖效果良好,完全达到用户需求。另外,由于利用了污水中的热量,减少了一次能源的消耗,对环境保护有重要的意义,值得大力推广。
    参考文献:
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