污水源與地下水源復(fù)合熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

1、暖通空調(diào)HV&AC2007年第37卷第7期工程實(shí)例113污水源與地下水源復(fù)合熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析山東建筑大學(xué)曲云霞煙臺(tái)和立空調(diào)裝飾有限公司胡加升中國(guó)石化齊魯有限公司供排水廠王偉華摘要針對(duì)中國(guó)石化齊魯有限公司供排水廠的水源特點(diǎn),對(duì)原有的空調(diào)及供暖系統(tǒng)進(jìn)行了改造。,吸熱源。測(cè)試結(jié)果表明,增加的設(shè)關(guān)鍵詞供冷供熱DesignandanalysisofsewageandgroundwatersourcecombinedheatpumpairconditioningsystemsByQuYunxia,HuJiashengandWangWeihuaAbstractAccordingtothecha

2、racteristicofwatersourceinChinaPetrochemicalQiluLimitedCompanySupplyingandDischargingWaterFactory,reformstheoriginalairconditioningandheatingsystem.Groundwaterisusedasthecoolingwatersourceofheatpumpunitsinsummer;agreatdealofproductionsewageisusedasextractedheatsinkforunitsinwinter.Testingresultsshow

3、thatindoorairtemperaturesatisfiesthedesigncriteria,theincreasedequipmentcostscanbereclaimedwithintwoyearsalthoughthereisanincreaseinairconditioningarea.Keywordssewagesourceheatpump,groundwater,combinedheatpump,cooling,heatingShandongJianzhuUniversity,Jinan,China30引言以未處理過(guò)的污水作為熱源/熱匯的系統(tǒng)和以二級(jí)出水或中水作為熱源/熱匯

4、的系統(tǒng);根據(jù)污水與熱泵是否直接進(jìn)行換熱,可分為間接利用系統(tǒng)和直接利用系統(tǒng);從工況轉(zhuǎn)換方式上看,大體可分為兩種:一種是制冷劑流向的切換,即通過(guò)四通換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)制熱和制冷工況的轉(zhuǎn)換,另一種是水切換式,即通過(guò)閥門(mén)改變水流方向來(lái)實(shí)現(xiàn)工況轉(zhuǎn)換。由于考慮到污水水質(zhì)及污水中污物對(duì)熱泵機(jī)組的影響,目前國(guó)內(nèi)多采用間接式污水源熱泵系統(tǒng)。2工程概況隨著人民生活水平的提高,在空調(diào)和熱水供應(yīng)方面所消耗的能源顯著增加,而這種能源對(duì)溫度的要求通常是在5060的中低溫區(qū)域。如果通過(guò)利用城市污水熱能來(lái)滿足這部分能源需求,將節(jié)省高品位能源,提高能源的綜合利用率。采用污水熱能利用系統(tǒng),不僅可以減少煤炭等能源的使用,而且相應(yīng)地降低了

5、CO2,NOx,SOx,粉塵等污染物的產(chǎn)生量,減少了大氣污染,保護(hù)了環(huán)境。在夏季用污水作為冷源,被冷卻物的熱量不直接排放到空氣中,可減輕城市高溫?zé)釐u現(xiàn)象的形成。同時(shí)利用城市污水熱能,減輕了城市污水對(duì)水源和生態(tài)環(huán)境的熱污染。因此,合理有效地利用城市污水熱能,對(duì)減輕大氣污染和保護(hù)環(huán)境具有重大的積極作用。1污水源熱泵系統(tǒng)的類(lèi)型中國(guó)石化齊魯有限公司供排水廠(簡(jiǎn)稱(chēng)齊魯石化水廠)曲云霞,女,1965年4月生,博士研究生,教授250101濟(jì)南市臨港開(kāi)發(fā)區(qū)風(fēng)鳴路山東建筑大學(xué)熱能學(xué)院3污水源熱泵系統(tǒng)按照其使用的污水的處理狀態(tài)可分為(0531)86367186E2mail:qyxia收稿日期:2006-08-09

6、修回日期:2006-10-282007年第37卷第7期114工程實(shí)例暖通空調(diào)HV&AC主要負(fù)責(zé)處理“引黃濟(jì)青”工程中淄博段黃河給水的處理和銷(xiāo)售,以及中國(guó)石化齊魯有限公司生產(chǎn)過(guò)程中污水的處理和排放。進(jìn)入該廠的污水溫度為3040,為了滿足污水處理工藝過(guò)程的要求,在處理過(guò)程中要向污水中加入大量的地下水,以降低污水的溫度達(dá)到排放指標(biāo)。該廠主要由凈化車(chē)間、設(shè)備間、庫(kù)房和辦公樓組成,總建筑面積約為9000m2。凈化車(chē)間全年需要保持一定的溫度,原有設(shè)計(jì)方案為:冬季采用蒸汽通過(guò)換熱器換熱為低溫?zé)崴┡?末端設(shè)備為散熱器;夏季采用150臺(tái)分體空調(diào)維持室內(nèi)溫度。辦公樓和設(shè)備間冬季均采用散熱器熱水供暖,夏季

7、無(wú)空調(diào)設(shè)施。因此原有夏季空調(diào)面積大約為3000m2,冬季供暖面積約為5500m2。圖1空調(diào)系統(tǒng)流程源側(cè)(污水側(cè)),、循環(huán)水泵2、閥門(mén),回到污水換熱器中。3根據(jù)廠方提供的數(shù)據(jù),該廠冬季供暖費(fèi)用為85萬(wàn)元,夏季空調(diào)電費(fèi)為48萬(wàn)元,廠家覺(jué)得費(fèi)用太高,據(jù)該廠現(xiàn)有條件,用。3空調(diào)方案設(shè)計(jì)3.1全年空調(diào)方案本工程中利用的主要是均質(zhì)池中的污水。由于污水的堿性高且含有較多氯根、有機(jī)溶劑和懸浮物,因此污水對(duì)鐵、銅、普通不銹鋼、部分種類(lèi)的塑料都具有較強(qiáng)腐蝕性。最終選擇PEX管作為污水換熱器管材,換熱器內(nèi)加入自來(lái)水作為循環(huán)介質(zhì),通過(guò)自來(lái)水吸取污水中熱量,然后與熱泵機(jī)組進(jìn)行換熱為用戶(hù)提供50左右熱水。在污水池中,污水

8、換熱器的設(shè)計(jì)直接影響到機(jī)組的制熱量?？紤]到均質(zhì)池的清淤問(wèn)題,污水換熱器沿池四周內(nèi)壁環(huán)形均勻敷設(shè),且固定于池內(nèi)壁垂直面上。本工程中由于池內(nèi)壁敷設(shè)面積足夠大,因此管間距比較大,管間垂直間距為300mm。由于污水池體積大,池內(nèi)污水流速很小,因此污水換熱器污水側(cè)的傳熱可近似看作自然對(duì)流傳熱,管內(nèi)水側(cè)傳熱為強(qiáng)迫對(duì)流換熱,其傳熱過(guò)程與散熱器近似。經(jīng)過(guò)計(jì)算與測(cè)試得到,在測(cè)試條件下單位管長(zhǎng)的傳熱量約為100150W/m,由于管子緊靠池內(nèi)壁敷設(shè),使得換熱器的傳熱效果變差,同時(shí)考慮到污水換熱器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后內(nèi)側(cè)結(jié)垢、外側(cè)管壁懸浮物積聚對(duì)傳熱的影響,因此傳熱面積應(yīng)適當(dāng)加大。本工程中采用 32的PEX管近5000m,傳

9、熱面積約500m2。污水換熱器傳熱性能與污水側(cè)懸浮物的積聚厚度有很大關(guān)系,因此污水換熱器應(yīng)定期清洗。在本工程中,由于均質(zhì)池需要定期清淤,所以污水換熱器的清洗可以與均質(zhì)池的清淤同時(shí)進(jìn)行,利用高壓水對(duì)污水換熱器外側(cè)直接沖洗即可。由于PEX管固定于池內(nèi)壁,清洗比較簡(jiǎn)單。3.4地下水供冷方案3通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn),該廠有優(yōu)越的自然條件可以利用,首先有充足的地下水資源,可利用的深井水流量在100m/h以上,地下水溫度為1620;其次具有大量工業(yè)污水,污水溫度為3040。這些有利條件很適合使用水源熱泵空調(diào)來(lái)為廠區(qū)供冷和供熱。經(jīng)過(guò)與廠方協(xié)商,決定采用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。冬季,直接利用生產(chǎn)污水作為熱源向辦公樓、設(shè)備間、

10、庫(kù)房和凈化車(chē)間供熱。為了節(jié)省設(shè)備費(fèi)用,冬季設(shè)備間和凈化車(chē)間仍采用原有的散熱器供暖,只有辦公樓和車(chē)間的值班崗位增設(shè)了風(fēng)機(jī)盤(pán)管。夏季,熱泵機(jī)組向地下水放熱,為辦公樓提供7/12的冷水?？照{(diào)總冷負(fù)荷約為450kW,熱負(fù)荷為500kW。考慮到今后的發(fā)展,選用SGHP600A螺桿水源熱泵機(jī)組,機(jī)組額定工況下制冷量為522kW,進(jìn)出水溫度為7/12;制熱量為574kW,進(jìn)出水溫度為52/42。該方案充分利用了污水中的熱量,節(jié)省了使用蒸汽供暖的費(fèi)用,同時(shí),使污水溫度降低,減少了污水處理過(guò)程中地下水的用量。3.2污水源供暖方案考慮到污水水質(zhì)對(duì)熱泵機(jī)組的影響,本工程采用間接式污水源熱泵系統(tǒng),冬、夏季工況采用水側(cè)

11、切換方式,系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。冬季供暖時(shí),利用敷設(shè)在均質(zhì)池中的污水換熱器將污水中熱量通過(guò)熱泵機(jī)組傳遞給空調(diào)用戶(hù)。在用戶(hù)側(cè),冬季來(lái)自空調(diào)用戶(hù)的回水經(jīng)過(guò)集水器、閥門(mén)V4、循環(huán)水泵1、閥門(mén)V5、熱泵機(jī)組冷凝器、閥門(mén)V2到分由于該廠污水溫度較高,夏季溫度在35左右,因此采用污水作為冷卻水不經(jīng)濟(jì)。而該地區(qū)豐富的地下水(約16)資源是很好的冷卻水源,而且該廠已有的地下水器,然后去空調(diào)用戶(hù),此時(shí),閥門(mén)V1,V3,V7,V8關(guān)閉,閥門(mén)V2,V4,V5,V6,V11開(kāi)啟,循環(huán)水泵1工作,其中閥門(mén)V6,V11分別控制用戶(hù)系統(tǒng)和污水系統(tǒng)的定壓補(bǔ)水;在熱水井水量充沛,管道連接方便。因此,夏季利用深井水作為熱泵機(jī)組的冷卻水

12、,將用戶(hù)側(cè)的熱量通過(guò)機(jī)組釋放到深井水中,同時(shí)制備冷水為用戶(hù)提供冷量。井水中因含暖通空調(diào)HV&AC2007年第37卷第7期工程實(shí)例115有泥砂且硬度較高,需經(jīng)過(guò)處理才能進(jìn)入機(jī)組。本工程中采用螺旋除砂器去除泥砂,用電子水處理器防止結(jié)垢,由于原地下水系統(tǒng)已有潛水泵,故在本系統(tǒng)中地下水系統(tǒng)的水泵不再畫(huà)出。夏季空調(diào)流程如下:用戶(hù)側(cè),夏季來(lái)自空調(diào)用戶(hù)的回水經(jīng)過(guò)集水器、閥門(mén)V4、循環(huán)水泵1、閥門(mén)V8、熱泵機(jī)組蒸發(fā)器、閥門(mén)V1,到分水器然后去空調(diào)用戶(hù),此時(shí),閥門(mén)V1,V3,V4,V6,V7,V8開(kāi)啟,閥門(mén)V2,V5,V9,V10,V11關(guān)為熱泵機(jī)組和水泵的電費(fèi)。根據(jù)機(jī)組測(cè)試的數(shù)據(jù)表明,機(jī)組冬季實(shí)際供熱

13、量約為600kW,機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)電流為220A,計(jì)算得到機(jī)組實(shí)際輸入的電功率為123kW,熱泵機(jī)組實(shí)際制熱系數(shù)高達(dá)4.8,水泵的功率為15kW,因此冬季實(shí)際的耗電量為(123kW+15kW)×24h/d×120d×0.6元/(kWh)×0.75=178848元。由于運(yùn)行時(shí)間較短,缺乏夏季運(yùn)行數(shù)據(jù),因此在比較經(jīng)濟(jì)性時(shí),只能依據(jù)理論計(jì)算。當(dāng)?shù)氐叵滤疁囟葹?6,根),通過(guò)理?yè)?jù)地下水溫度和用戶(hù)側(cè)的額定工況(7/12閉,循環(huán)水泵1工作,循環(huán)水泵2關(guān)閉;在放熱側(cè)(地下水側(cè)),接自廠區(qū)地下水管網(wǎng)的地下水一路接到集水器上作為空調(diào)水系統(tǒng)的定壓補(bǔ)水,另一路經(jīng)過(guò)除砂器、電子水處

14、理器、閥門(mén)V7、熱泵機(jī)組冷凝器、閥門(mén)V3,最后排出。3.5使用情況調(diào)查論計(jì)算得到熱泵機(jī)組夏季功率為105kW,假定水泵功率不變,則夏季耗電量為(105kW+15kW)×24h/d×90d×0.6元/(kWh)=155520元,但,33萬(wàn)元。因此一年80余萬(wàn)元?，F(xiàn)有空調(diào)方案中增設(shè)了熱泵機(jī)組、水泵、污水換熱器和風(fēng)機(jī)盤(pán)管等,設(shè)備投資增加,實(shí)際工程投資約為119萬(wàn)元,由此可見(jiàn),增加的設(shè)備投資在兩年內(nèi)即可收回。5結(jié)論該工程于2006年1月投入運(yùn)行,運(yùn)行結(jié)果表明,冬季供給用戶(hù)的熱水溫度在46左右。,度為30左右。200622,辦公樓和值班崗位室內(nèi)實(shí)際溫度在2022之間,庫(kù)房和

15、車(chē)間溫度達(dá)到12以上(工藝要求達(dá)到10以上即可),結(jié)果表明,采用該方案后,室內(nèi)溫度完全達(dá)到用戶(hù)要求。由于夏季運(yùn)行時(shí),沒(méi)有進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,沒(méi)有詳細(xì)的數(shù)據(jù)。不過(guò)據(jù)使用單位介紹,夏季實(shí)際空調(diào)面積約為5500m2,熱泵機(jī)組出水溫度維持在7左右,空調(diào)效果很好,室該廠原來(lái)冬季利用熱電廠蒸汽通過(guò)換熱器轉(zhuǎn)換為低溫?zé)崴M(jìn)行供暖,夏季采用分體空調(diào)為車(chē)間降溫,每年運(yùn)行費(fèi)用高達(dá)115萬(wàn)元?？照{(diào)供暖系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改造以后,空調(diào)面積比原來(lái)增加了近2000m2,工程投資約為119萬(wàn)元,但運(yùn)行費(fèi)用每年只有33萬(wàn)元,即每年可節(jié)省80萬(wàn)元,增加的費(fèi)用兩年內(nèi)即可收回。同時(shí),經(jīng)過(guò)一個(gè)供暖季的運(yùn)行測(cè)試表明,供暖效果良好,完全達(dá)到用戶(hù)需求。另外

16、,由于利用了污水中的熱量,減少了一次能源的消耗,對(duì)環(huán)境保護(hù)有重要的意義,值得大力推廣。參考文獻(xiàn):1蔣能照.空調(diào)用熱泵技術(shù)及應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版內(nèi)溫度在2426之間。4系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析4.1原有方案采用原有方案時(shí),根據(jù)廠方提供的數(shù)據(jù),凈化車(chē)間冬季供暖蒸汽耗量約為2.4t/h,當(dāng)?shù)卣羝麅r(jià)格為124元/t,供暖期按120d計(jì)算,故該廠冬季供暖費(fèi)用約為2.4t/h×24h/d×120d×124元/t=857088元。凈化車(chē)間夏季共有150臺(tái)分體空調(diào),每臺(tái)的額定功率為1.5kW,假定夏季空社,19972高月芬.水源熱泵系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用J.供熱制調(diào)運(yùn)行時(shí)間為90d,當(dāng)?shù)仉妰r(jià)按0.6元/(kWh)計(jì),則夏季消耗電費(fèi)為1.5kW/臺(tái)×150臺(tái)×24h/d×90d×0.6元/(kWh)=291600元。故該廠凈化車(chē)間全年供暖及空調(diào)運(yùn)冷,2003(4):17-193呂鍵.城市污水低位熱能回收利用的研究J.工業(yè)用水與廢行費(fèi)用約為115萬(wàn)元。4.2現(xiàn)有空調(diào)方案水,2002,33(1):10-124周文忠.污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在污水處理廠的應(yīng)用J.暖通采用現(xiàn)有空調(diào)方案后,冬季空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用主要征訂通知空調(diào),2005,35(1):83-85中國(guó)勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)建筑環(huán)境與設(shè)備專(zhuān)業(yè)委員會(huì)大會(huì)文集征訂通知為配合