直接式污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能與環(huán)保性能分析_圖文

1、文章編號:CAR267直接式污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能與環(huán)保性能分析錢劍峰1,2孫德興3季阿敏1鄭大宇1(1. 哈爾濱商業(yè)大學土木與制冷工程學院,哈爾濱150028; 2. 大連理工大學土木水利學院,大連 116024;3.哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院,哈爾濱 150090摘 要 利用城市污水作為水源熱泵的熱源或熱匯實現建筑物供熱空調時有直接式與間接式兩種形式。借鑒間接式系統(tǒng)的技術成果,對直接式系統(tǒng)的在線除垢技術等關鍵技術進行了介紹與探討。以傳統(tǒng)鍋爐房供熱和風冷機組為比較對象,對直接式系統(tǒng)的能源利用效率與環(huán)保效益進行評價分析。結果表明:直接系統(tǒng)的一次能源利用率比間接系統(tǒng)的大0.10.2左右;全年總節(jié)

2、煤量比間接系統(tǒng)大約多7%;直接系統(tǒng)污染物總削減量約比間接系統(tǒng)高8%左右。關鍵詞污水源熱泵系統(tǒng)直接式在線除垢節(jié)能環(huán)保ANALYSIS OF DIRECT SEWAGE SOURCE HEAT PUMP SYSTEM AND ITS CHARACTERISTICS ON ENERGY EFFICIENCY ANDENVIRONMENTAL PROTECTIONQian Jianfeng1,2 Sun Dexing3Ji Amin1 Zheng Dayu1( 1. School of Construction & Refrigeration Engineering, Harbin Unive

3、rsity of Commerce, Harbin 150028, China;2. School of Civil & Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;3. School of Municipal & Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin150090, ChinaAbstract there are two forms of the direct and the

4、indirect urban sewage source heat pump system when using the urban sewage as heat source or sink on heating or air conditioning in the buildings. On the basis of the indirect system technology, the key technologies on online scale removal method in the direct system are introduced and discussed. Tak

5、ing traditional boiler room heating and the forced-air cooling unit as the comparative objects, the appraisal analysis of the direct system is carried on energy efficiency and environmental protection. The results show that the primary energy ratio of direct system is bigger about 0.10.2, annual coa

6、l conservation is approximately bigger 7%, and amount of pollutants to be reduced is approximately higher about 8% than those of indirect system.Keywords Sewage source heat pump system Direct system Online scale removal method Energy saving Environmental protection1 引言利用城市污水、地表水等的水源熱泵系統(tǒng)實現建筑物供熱空調,對促進

7、建筑、能源和環(huán)境三者間的和諧發(fā)展具有深遠影響1, 2。城市污水源熱泵系統(tǒng)可分為直接式與間接式兩類。前者污水與制冷劑之間僅經換熱器壁面換熱;后者則存在中介媒質,從而傳熱熱阻增加,導致熱泵系統(tǒng)效率隨之下降。國外直接式污水源熱泵系統(tǒng)所用污水大部分為污基金項目:國家自然科學基金資助項目(50578048作者簡介:錢劍峰,(1980- ,男,博士,博士后水處理廠二級出水24,水質較好,對機組的要求并不高;而當采用原生污水(未經過水質處理為熱源時,直接式熱泵系統(tǒng)一般都采用濾網、格柵、自動篩濾器等過濾裝置對污水進行粗效處理,并經沉渣池去除污水中的雜物,并需對機組進行定期物理、化學清洗;同樣,若取用污水處理廠

8、一級出水,則也需經沉渣處理并對機組定期清洗。而當前我國以原生污水、一級出水作熱源的直接式污水源熱泵系統(tǒng)的實際工程還不多見,如文獻57所報道的均為間接式污水源熱泵系統(tǒng)。雖然對直接式系統(tǒng)研究很少,但在系統(tǒng)經濟、節(jié)能、環(huán)保性分析時,大部分研究者都未考慮污水換熱器等中間系統(tǒng)的影響,實際上兩者的污水資源利用成本差異較大,不僅受不同地區(qū)、用戶及國家能源政策等因素影響,而且其初投資及運行費用差距也較大。當前直接式系統(tǒng)的發(fā)展并不充分,原因在于:(1間接式系統(tǒng)污水不直接進機組且所需污水換熱器已研制成功并投入生產;而直接式系統(tǒng)的熱泵機組需特殊處理,雖然對此人們有很多設想和試驗,但目前尚未得到推廣。(2直接式系統(tǒng)形

9、式較間接式簡單,節(jié)省了污水換熱器,制熱系數與運行費用均優(yōu)于間接式系統(tǒng),但熱泵機組特殊處理增加了初投資,其定量計算當前還未見諸于文獻。下面將在借鑒間接式污水源熱泵系統(tǒng)的基礎上,總結直接式污水源熱泵系統(tǒng)的關鍵技術,提出一些新的設想,經節(jié)能與環(huán)保性能分析探討其應用可行性。2 直接式系統(tǒng)的可能除垢方法直接式污水源熱泵系統(tǒng)不設污水換熱器,故蒸發(fā)器或冷凝器必須有采取有效的防阻、除垢技術,才能保證系統(tǒng)的連續(xù)運行,其防阻技術可借鑒間接式系統(tǒng)中成熟的旋轉反沖洗技術,下面主要論述其 除垢技術。 a 北京某工程b哈爾濱某工程圖1 污水換熱器的軟垢狀況Fig.1 Soft dirty condition on sew

10、age heat exchanger目前在污水環(huán)境中證明其適用性的防垢換熱器除不銹鋼換熱器外,還有鈦或鈦合金換熱器、塑料換熱器等。鈦或鈦合金換熱器用于原生或者一級污水時,基本沒有腐蝕3,但其制造成本較高,因此其在污水源熱泵系統(tǒng)中使用時需綜合考慮其經濟性;塑料換熱器具有優(yōu)異的耐腐蝕性、抗老化期在十年以上、使用溫度范圍廣、不粘附、不結垢等優(yōu)點,是替代不銹鋼、鈦換熱器的理想設備8。但其傳熱系數低、機械性能受溫度影響,在使用時需核算其機械強度。另外,由于超親水性的納米材料能使污垢的附著力大幅度降低,經水沖洗,污垢能自動從材料表面剝離8,因此這也是一種有前途的防垢方法,但是目前鈉米材料換熱器還未見于文獻

11、,因此在污水源熱泵系統(tǒng)中的應用有待進一步研究。2.2 除垢技術城市污水含有大量的懸浮物,換熱設備很容易造成短時間堵塞,且換熱設備里會形成軟垢5,對設備的換熱性能產生影響,因此如何防止污物對設備與管路的阻塞及污染是其應用難點。目前在線除垢技術有:海綿膠球法、彈簧插入物法、旋轉螺旋線法、塑料紐帶法等9。但這些方法也難以適應污水的水質。為此筆者等經實驗和理論探索開發(fā)了如下專用于污水環(huán)境的在線除垢方法,其實用性還待今后進一步研究。(1螺旋刮削式除垢換熱器該換熱器由換熱管束、除垢部件、驅動裝置組成,通過齒輪傳動,帶動螺旋絞龍在管內轉動,將換熱管內壁上的污垢除去,除垢部件具有轉速低(25rpm、除垢部件與

12、污垢間切向力小、除垢部件及換熱面磨損小的優(yōu)勢,如圖2。凝固換熱管防凍液進口防凍液出口齒輪與軸承電機與減速裝置污水進口污水出口刮削式除垢部件圖2 螺旋刮削式換熱器示意圖Fig.2 Sketch of spiral scraping heat exchanger2拉環(huán)式除垢換熱器該換熱器的除垢機構主要由鏤空刮環(huán)、拉索、轉向輪、張緊輪(或張緊彈簧、主動輪、曲柄搖桿機構、電機組成,如圖3。 刮環(huán);2-1 鋼索;2-2 鏈條;3-1 轉向滑輪;3-2 轉向鏈輪;4 張緊鏈輪;5 主動鏈輪 圖3 拉環(huán)式除垢換熱器示意圖Fig.3 Sketch of pulling scraping heat exchan

13、ger(3高壓輪替沖洗除垢換熱器高壓輪替沖洗除垢換熱器采用高壓水將換熱管中的軟垢沖除。每次沖洗部分管束,隨著沖污水頭的旋轉,循環(huán)對換熱管進行沖洗,細部的示意圖如圖4所示。 1 換熱管束;2沖污注水頭;3 主軸出水口; 4 主軸;5 接頭;6 電機;7 高壓沖污水泵;8 封頭; 9 管板圖4 高壓輪替沖洗除垢換熱器示意圖 Fig.4 Sketch of strong flushing heat exchanger2.3 直接式系統(tǒng)的冬夏切換熱泵系統(tǒng)冬夏切換的方法有內切換和外切換(圖5兩種,內切換為在機組內部能過使用四通換向閥等方法進行切換,外切換為在機組外通過閥門的啟閉進行切換。污水源熱泵的切換

14、方法一般為內切換,使用內切換時直接式系統(tǒng)只要一側的換熱器為適合污水的特殊材質,對機組的要求較低,可節(jié)省系統(tǒng)的投資。目前市場上的四通換向閥無法滿足大、中型熱泵系統(tǒng)中大管徑的要求,且蒸發(fā)器、冷凝器一年只切換一次,因此可采用普通閥門來切換。542131 冷凝器;2壓縮機;3 蒸發(fā)器;4 膨脹閥;5 四通換向閥a 內切換系統(tǒng)3654211 冷凝器;2壓縮機;3 蒸發(fā)器;4 膨脹閥;5 污水取水設備;6熱用戶b 外切換系統(tǒng) 圖5 切換系統(tǒng)示意圖Fig.5 Sketch of the switching system3 系統(tǒng)節(jié)能性3.1一次能源利用率一次能源利用率反映了直接式污水源熱泵系統(tǒng)的一次能源利用效

15、果,也是考察設備全生命周期中對環(huán)境影響重要參數之一。冬季采暖工況下,污水源熱泵系統(tǒng)的一次能源利用率為:/(rr r f sf s Q E W = (1式中f一次能源發(fā)電效率,取35% ;s 電力輸送效率,取98%。夏季供冷時一次能源利用率:/(ll f sf s Q E W = (2全年一次能源利用率為系統(tǒng)全年向用戶提供的能量與所消耗的一次能源之比:全年一次能源利用率為系統(tǒng)全年向用戶提供的能量與所消耗的一次能源之比:0111LR L RR LL r l r R l Q Q Q Q E Q Q Q E E E Q E +=+ (4式中R Q 整個采暖期熱泵系統(tǒng)向用戶的供熱量,kJ ;L Q 整個

16、空調期熱泵系統(tǒng)向用戶的供冷量,kJ 。 一次能源利用率冬季污水進口溫度(夏季污水進口溫度(一次能源利用率圖6 一次能源利用率與污水水溫的關系Fig.6 Relationship between the primary energy ratio and the sewage temperature 用戶供水溫度(一次能源利用率用戶供水溫度(一次能源利用率圖7 一次能源利用率與用戶供水水溫的關系Fig. 7 Relationship between the primary energy ratio and user supply temperature一次能源利用率越大則相應系統(tǒng)越節(jié)能。圖67顯示

17、了一次能源利用率與污水水溫、用戶供水水溫的關系,圖中“z ”與“j ”分別表示直接式和間接式系統(tǒng),下同。由圖6可見,兩系統(tǒng)一次能源利用率均大于1,且直接系統(tǒng)一次能源利用率要比間接系統(tǒng)大0.10.2。由圖7可見,冬季用戶供水溫度對系統(tǒng)的全年一次能源利用率的影響較大,隨著用戶供水溫度的增加,兩種系統(tǒng)一次能源利用率都呈減小趨勢,但直接式系統(tǒng)優(yōu)勢明顯。3.2 全年節(jié)煤量在供熱工況下,將污水源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)鍋爐房采暖進行比較,以反映系統(tǒng)的節(jié)能效果。供暖期污水源熱泵節(jié)煤量為11(R b H e b e r Q M M M q = (4式中M b 鍋爐房采暖季總耗煤量,kJ ; M H 污水源熱泵采暖季耗能

18、折合的耗煤量,kJ ;q e 標煤的熱值,取29.31GJ/t ;b 鍋爐效率(包含儲煤損失、輸運損失等,取60%;e 電力輸入效率,取30%。夏季空調時,與風冷機組比較,空調期的節(jié)電量:311(3.610L a H a Q D D D =× (5式中a D 風冷機組夏季供冷耗電量,kJ ;H D 污水源熱泵系統(tǒng)夏季供冷耗電量,kJ ;a 風冷機組的制冷系數,取4。為了考察系統(tǒng)全年的節(jié)能量,將節(jié)電量轉換成節(jié)煤量,則全年總節(jié)煤量為1000e fD M M q =+ (6圖8顯示了以哈爾濱地區(qū)采暖(供冷面積為1萬平米的建筑為例,污水水溫對全年總節(jié)煤量的影響,由圖可以看出,此時采用直接系統(tǒng)

19、時全年總節(jié)煤量約比間接系統(tǒng)高7%。 總節(jié)煤量(噸污水進口溫度(夏季污水進口溫度(總節(jié)煤量(噸圖8 污水水溫對全年總節(jié)煤量的影響Fig. 8 Influence of the sewage temperature on annual coal conservation4系統(tǒng)環(huán)保性4.1 污染物排放削減量計算環(huán)保效益主要通過污染物排量的削減來表征。 直接式(或間接式污水源熱泵系統(tǒng)采暖期污染物排放削減量:,w i w im M R = (7式中,w im 整個采暖期第 種污染物的排放削減量,t ;i 依次分別代表CO 2、SO 2、NO x 和粉塵;,w iR 單位質量煤燃燒產生的第 種污染物質量,

20、t/ t 。以上單位質量煤燃燒產生的污染物質量原則上應按照標準煤的C 、S 、N 及灰分含量來計算,但標準煤只規(guī)定了煤的熱值,并不規(guī)定各種成分的含量,因此可根據國家規(guī)定的污染物排放定額來計算,如表1。表1 污染物的排放定額Table1 Estimation ration of the pollutants項目 CO 2 SO 2 NO X 粉塵標煤(t/t 2.75 0.03 0.004 0.02 電力(kg/kWh 1.126 0.0123 0.0016 0.082夏季環(huán)保效益: ,3600s i s i D R m =(8式中,s im 整個空調期第 種污染物排放削減量,t ;4.2 環(huán)保

21、效益分析,s iR 生產單位電能產生的第 種污染物質量,t/ kWh 。夏季空調期污染物排放削減量根據單位電量的污 染物排放定額來計算，如表 1。全年總的污染物排 590 580 570 560 550 540 530 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 放削減量為兩部分削減量之和。 CO2排放削減量（噸） CO2排放削減量（噸） z j 580 570 560 550 540 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 z j 污水進口溫度（） 夏季污水進口溫度（） a CO2 排放削減量 6.5 SO2排放削減量（噸） 6.4 6.3 6.2 6.1 6.0 5.9 5.8

22、 9.0 z j SO2排放削減量（噸） 6.4 6.3 6.2 6.1 6.0 5.9 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 z j 9.5 10.0 10.5 11.0 污水進口溫度（） 夏季污水進口溫度（） b SO2 排放削減量 0.86 Nox排放削減量（噸） 0.85 0.84 0.83 0.82 0.81 0.80 0.79 0.78 0.77 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 z j Nox排放削減量（噸） 0.85 0.84 0.83 0.82 0.81 0.80 0.79 0.78 16.0 16.5 17.0 17.5 z j 污水進口溫度（） 1

23、8.0 夏季污水進口溫度（） c NOx 排放削減量 4.3 4.2 4.1 4.0 3.9 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 粉塵排放削減量(噸 z j 粉塵排放削減量(噸 4.25 4.20 4.15 4.10 4.05 4.00 3.95 3.90 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 z j 污水進口溫度（） 夏季污水進口溫度（） d 粉塵排放削減量 圖 9 污染物排放削減量與污水水溫的關系 以哈爾濱地區(qū)采暖（供冷）面積為 1 萬平米的 建筑為例，直接系統(tǒng)與間接系統(tǒng)污染物排放削減量 計算、比較結果如圖 9。由圖可以看出，直接系統(tǒng) 的環(huán)保效益優(yōu)于間接系統(tǒng)，約減排

24、CO2 40 噸， SO22.5 噸，粉塵 0.5 噸，NOx0.080 噸，全年各種總 污染物排放削減量約比間接系統(tǒng)高 8%，即直接系 統(tǒng)對環(huán)境的污染更小。 系統(tǒng)高 8%左右。 參考文獻 1 2 3 4 5 結 論 當前在直接式污水源熱泵的研究上，大部分均 處于實驗室或模擬研究階段，大多忽略了污水水質 的惡劣性，回避了堵塞問題。本文在考察直接式污 水源熱泵所需采用特殊材質、特殊處理技術等問題 的基礎上，對其能源利用效率進行了量化分析，并 與間接式系統(tǒng)及傳統(tǒng)供熱空調方式進行比較，評價 了直接式系統(tǒng)的節(jié)能性和環(huán)保性這兩個熱泵系統(tǒng) 重要特性指標。 （1）以傳統(tǒng)鍋爐房供熱和風冷機組為比較對 象，計算污水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)煤量和節(jié)電量，并以 全年節(jié)煤量為節(jié)能性指標來評價污水源熱泵系統(tǒng) 的節(jié)能性。直接系統(tǒng)的全年總節(jié)煤量比間接系統(tǒng)大 約多 7%。受污水冷、熱源的影響，節(jié)煤量有一定 的變化值。 （2）對系統(tǒng)的環(huán)保效益評價主要以污染物的 排放削減量為指標，計算 CO2、SO2、NOx 和粉塵 的排放