污水處理廠水源熱泵系統(tǒng)工程應(yīng)用與分析

李 海 新

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

污水處理廠水源熱泵系統(tǒng)工程應(yīng)用與分析

李 海 新

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

介紹了熱泵技術(shù)原理和污水源熱泵系統(tǒng)形式，針對鄭州某日處理量10萬m3/d的污水處理廠，設(shè)計(jì)了一種間接式污水源熱泵系統(tǒng)，對全廠綜合樓和員工宿舍提供冬季采暖和夏季空調(diào)的冷熱源，并對系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)結(jié)果選擇了機(jī)房主要設(shè)備。

水源熱泵，污水處理廠，空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)計(jì)算

0 引言

能源緊張與環(huán)境污染，是困擾世界的兩大難題，尋找可再生、無污染的替代能源是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重大課題。城市原生污水、二級出水和中水均具有水量大、水量較穩(wěn)定、溫度適宜、水溫在應(yīng)用季節(jié)相對穩(wěn)定等特點(diǎn)，可作為低溫?zé)嵩赐ㄟ^熱泵技術(shù)加以利用，正在受到越來越多的重視。合理開發(fā)利用污水熱能，能有效降低污水處理廠建筑物能耗、減少CO2的排放和空氣污染。

污水源熱泵系統(tǒng)利用污水，通過制冷循環(huán)，消耗少量電能，來提取污水中的熱能實(shí)現(xiàn)冬季采暖的效果，或向污水中排熱來實(shí)現(xiàn)夏季空調(diào)的效果，滿足污水處理廠建筑物采暖空調(diào)的需求，節(jié)能、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)效益顯著，契合國家經(jīng)濟(jì)與社會的可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略。

1 污水源熱泵技術(shù)

1.1 熱泵

根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，低溫?zé)嵩椿虻臀荒茉粗械牡推肺粺崮芸梢赞D(zhuǎn)換為高品位熱能，這一過程是通過熱泵技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，而這項(xiàng)技術(shù)的逆過程還可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的[1]。

如圖1所示，熱泵從11 ℃的低溫?zé)嵩粗刑崛崃浚囊欢ǖ母咂肺荒茉矗暂^高的溫度(如50 ℃)向末端熱用戶供熱。在這一過程中，雖然消耗了1份的高品位電能，但是可以供給末端熱用戶4份甚至更多的高位能源，因此，熱泵裝置是一種節(jié)能裝置。

1.2 污水源熱泵系統(tǒng)

污水源熱泵系統(tǒng)分為開式(直接式)與閉式(間接式)兩類，如圖2，圖3所示。區(qū)別就是有沒有中介水二次換熱系統(tǒng)，即進(jìn)入熱泵機(jī)組的載熱水體是閉式循環(huán)，為閉式污水源熱泵系統(tǒng)，反之則是開式污水源熱泵系統(tǒng)[2]。

開式系統(tǒng)對污水水質(zhì)有較高的要求，因?yàn)槲鬯?jīng)過防阻機(jī)后，直接進(jìn)入了熱泵機(jī)組，容易造成管路或設(shè)備的阻塞與腐蝕。

閉式系統(tǒng)比開式系統(tǒng)增加了一個污水—中介水換熱器，污水先與中介水換熱，而進(jìn)入熱泵機(jī)組的是中介水，因此對水源水水質(zhì)的處理要求大大降低。閉式系統(tǒng)已有不少工程實(shí)例，運(yùn)行狀況良好，所以本方案選擇閉式污水源熱泵系統(tǒng)。

閉式污水源熱泵系統(tǒng)由污水開式子系統(tǒng)、中介水閉式子系統(tǒng)和末端循環(huán)水子系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成。

2 工程項(xiàng)目概況

本方案涉及污水處理廠廠址在鄭州市，建設(shè)規(guī)模為10萬m3/d，污水源穩(wěn)定，水量充足。污水預(yù)處理采用曝氣沉砂池+初沉池工藝，污水二級處理采用多模式AAO工藝，污水深度處理采用高效沉淀池+高效纖維束濾池工藝。設(shè)計(jì)出水水質(zhì)達(dá)到了GB 18918—2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

采暖，空調(diào)冷熱源采用間接式污水源熱泵系統(tǒng)，為此在廠區(qū)綜合樓東側(cè)建設(shè)1座污水源熱泵間。冬季供回水溫度為50 ℃/45 ℃，夏季供回水溫度為12 ℃/7 ℃。水源水取自臨近的中間提升泵房，提取熱能后排入地溝。

3 技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 原始數(shù)據(jù)

1)冷、熱負(fù)荷。整個廠區(qū)需要冬季采暖、夏季空調(diào)的建筑物有綜合樓和員工宿舍，采暖和空調(diào)面積約4 320 m2。根據(jù)CJJ 34—2010城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范3.1.2的冷熱指標(biāo)推薦值[3]，結(jié)合鄭州當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況確定熱指標(biāo)83 W/m2、冷指標(biāo)90 W/m2。得出計(jì)算熱負(fù)荷360 kW，計(jì)算冷負(fù)荷380 kW。

2)污水水溫及水質(zhì)。a.冬季水溫：14 ℃左右；b.夏季水溫：20 ℃～27 ℃；c.污水水質(zhì)：pH≈7；d.設(shè)計(jì)污水溫差冬季3 ℃、夏季5 ℃。

3.2 技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

1)污水及中介水流量計(jì)算[4]：

其中，Gw為污水需求量,m3/h；Q為夏季制冷負(fù)荷(冬季制熱負(fù)荷),kW；COP為熱泵冬季制熱性能系數(shù),取4.3；EER為熱泵夏季制冷能效比,取4.6；Δt為污水換熱溫差,℃。

其中，Gx為循環(huán)水量，m3/h；Q為夏季制冷負(fù)荷(冬季制熱負(fù)荷)，kW；tg，th分別為供回水溫度，℃。

循環(huán)水泵揚(yáng)程計(jì)算：

H=H1+H2+H3=50+70+30=150kPa。

其中，H為循環(huán)水泵揚(yáng)程，kPa；H1為水源熱泵間內(nèi)部阻力損失，kPa；H2為熱網(wǎng)供回水干管阻力損失，kPa；H3為最不利用戶內(nèi)部系統(tǒng)阻力損失，kPa。

3)中介水流量計(jì)算[5]：

設(shè)計(jì)工況下污水—中介水換熱器熱量平衡方程：

其中，Qw，Qz分別為污水、中介水換熱量，kW；Gw，Gz分別為污水、中介水流量，m3/h；tw1，tw2分別為污水進(jìn)出水溫度，℃；tz1，tz2分別為中介水進(jìn)出水溫度，℃；1.163為換算系數(shù)，即1kcal/h=1.163J/s。

其中，Δtmax=MAX|(tw1-tz2)，(tz1-tw2)|；Δtmin=MIN|(tw1-tz2)，(tz1-tw2)|。

系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

4 水源熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備

根據(jù)以上計(jì)算，設(shè)計(jì)選擇水—水螺桿式水源熱泵機(jī)組一臺，污水—水殼管式換熱器一臺，污水循環(huán)水泵、中介水循環(huán)泵、末端循環(huán)泵各三臺。中介水采用高位膨脹水箱定壓，末端采用穩(wěn)壓膨脹器定壓。設(shè)備間內(nèi)設(shè)全自動軟水器一套，軟化水箱一個，補(bǔ)水泵兩臺，一用一備，分、集水器各一臺。設(shè)備間預(yù)計(jì)占地(21.1×9.6)m2。

5 結(jié)語

近年來，城市污水成為一種受人關(guān)注的低溫?zé)嵩矗捎谄渚哂小岸臎觥钡奶攸c(diǎn)，是水—水熱泵機(jī)組的理想低溫?zé)嵩矗且豁?xiàng)值得深度推廣的新技術(shù)。

鄭州某日處理量10萬m3/d的污水處理廠，設(shè)計(jì)一種間接式污水源熱泵系統(tǒng)，提供全廠綜合樓和員工宿舍冬季采暖和夏季空調(diào)的冷熱源。

設(shè)計(jì)冷負(fù)荷380 kW，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷360 kW；冬、夏季供回水溫度分別是45 ℃/40 ℃，12 ℃/7 ℃；設(shè)計(jì)污水流量在冬、夏季分別是79.19 m3/h，79.55 m3/h。

[1] 徐 偉.地源熱泵技術(shù)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2] 趙 軍，戴傳山.地源熱泵技術(shù)與建筑節(jié)能應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[3] CJJ 34—2010，城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 楊振靜.污水源熱泵的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性分析[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[5] 莊兆意.污水源熱泵系統(tǒng)的工況研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

Application and analysis of water-source heat pump system for sewage treatment plant

Li Haixin

(TianjinMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Tianjin300051,China)

To introduce the principle of heat pump technology and water-source heat pump system. For a sewage treatment plant in Zhengzhou city with the capacity of 105m3/d, a kind of indirect sewage source heat pump system has been designed, in order to provide cold and heat source for the comprehensive building and staff quarters, which need winter heating and summer air-conditioning. The main technical parameters of the system have been calculated. According to the results, the main equipment have been selected.

water-source heat pump， sewage treatment plant， air-condition system， design calculation

1009-6825(2015)30-0121-02

2015-08-17

李海新(1987- )，男，碩士，工程師

TU831

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