天津市咸阳路再生水厂污水热泵技术的工程应用

1引言热泵是将低温位热能通过消耗部分高位能利用逆卡诺循环提升温度后成为可直接利用高温位热能的装置。利用热泵采暖可充分利用各种低品位能源，减少化石燃料消耗和大气污染。热泵系统按低位热源划分可分为空气热泵、水源热泵和地源热泵。常规水源热泵采用地下水为低位热源。地下水温度全年恒定在20℃左右，是热泵供热（冷）的理想热源。但是，如表1所示在当前水资源严重短缺、现有回灌技术不成熟条件下大规模推广使用地下水水源热泵会造成地下水资源的极大浪费和破坏。因此，开发利用非常规水源热泵就成为当前应用研究的热点。非常规水源热泵包括地热热泵、污水热泵、海水热泵等。本文重点介绍污水热泵在污水处理厂生产工艺用房及办公管理用房采暖空调热源配置中的作用。2污水热泵技术污水热泵采用城市生活污水或工业废水作为水源热泵的低位热源。由于受气温变化，冬季污水温度较低，平均水温只有10℃左右。如何利用低温热源是污水热泵的技术关键。此外，污水热泵应用中还需解决污水温度波动、水质复杂等技术问题。城市污水热泵系统的推广使用有三方面的意义：（1）与中水回用工程结合，可以实现污水综合利用效益最大化；（2）与污水处理厂结合，建立大型污水热泵站，可以实现集中供冷供热，减少化石燃料的消耗和环境污染；（3）与传统水源热泵相比，可以保护地下水资源免受过度开采。3工程简介咸阳路再生水厂位于天津市西青区咸阳路污水处理厂内，再生水厂规模为5万t/日（供水能力），供水范围近期主要包括杨柳青热电厂、华苑产业园区、规划的第三高教区、瑞景新苑居住区等（含城市绿化、道路清扫、观赏性景观环境用水等），到2010年增加中北镇工业园区、候台风景区、城建学院等用户。再生水非冬季主要回用于工业循环冷却水、城市杂用水（含城市绿化、道路清天津市咸阳路再生水厂污水热泵技术的工程应用李晨李建兴何舢（天津市市政工程设计研究院，天津300051）项目冬季夏季污水水温12～8℃28～24℃热泵出水温度55～50℃12～7℃COP/EER45污水流量400m3/h450m3/h提取污水热量1800kW-2100kW供热量/供冷量2400kW1800kW耗电量600kW360kW冷热负荷面积指标48W/m2（住宅）90W/m2（办公楼）供热/空调面积5万㎡2万㎡表1万t/日污水供热能力测算AnliFenxi◆案例分析53扫）及观赏性景观环境用水等；冬季由于没有绿化、道路冲洒和景观水体的补充，再生水只回用于电厂冷却水、冲厕，再生水量较夏季要小。本水源热泵工程为咸阳路再生水厂提供工艺采用用热及厂区办公楼空调。厂区冬季工艺采暖面积5000m2，厂区控制中心空调面积600m2。冬季热负荷450kW，夏季冷负荷120kW。由于工艺车间无夏季空调要求，导致冬夏负荷差别较大，故设计选用3台机组，冬季根据负荷情况进行台数调节，夏季轮换运行1台，机组根据负荷大小进行容量调节。水泵按1机对1泵设置，与机组运行台数相同。末端采用了风机盘管系统，厂区工艺车间采用落地明装机组，综合楼则采用卧式安装，并设置新风系统。设计过程中，针对污水水质较差，缺少水温数据等现实条件，协调业主组织多次现场测量，补充水质资料，调研北京等地污水热泵实际运行情况及污水水温基础数据，综合确定污水设计水温：冬季12℃，夏季24℃，冬季最不利工况按9℃设计，预留中介水添加乙二醇溶液装置条件，设置备用热源，从而保证工程的安全施工运营。鉴于设计当初，天津市无类似工程可以参照，国内也仅有北京密云及高碑店两家用户，通过实地走访，针对污水换热时的污堵情况较为严重的问题，本设计专门选用自动连续过滤除污器，如图1所示。在设计中通过适当加大污水量，减少污物粘着在换热表面以及污垢增长。鉴于污水来源广泛，氯离子含量较高且不稳定，综合考虑设计安全性，本设计采用中间换热器间接换热的热泵机组连接方式。中间换热器选用316L不锈钢换热器，如图2所示。考虑冬夏使用容量不同及节约造价等综合因素，中间换热器选用两台，冬季随机组负荷变化及开启台数，运行1台或两台，夏季轮换运行1台，停机时做换热面清污保养。为便于总结工程经验，设计当初考虑在污水侧、中介水侧、末端侧加装温度传感器，污水及末端侧预留热量表、流量计安装位置。厂区中央控制室负责远程数据采集记录。4运行测试本工程于2007年8月投入试运行，通过监测分析运行记录数据，热泵系统运行稳定，各种工况数据满足设计要求。污水温度与气温的关联性监测显示，波动性气温和较短时间的温度骤降对污水温度无明显影响；仅当气温连续2天以上降温，污水温度波动才较为明显。设计之初，由于污水基础水温数据较少，污水利用温降按2℃计算，根据近2年的运行记录，冬季污水最低温度为10℃（当时气温为-15℃）。因此，后续工程设计可适当加大利用温降，以进一步提高热能利用经济性。本工程热源采用污水热泵，如图3所示。污水来自相邻污水处理厂的二级出水，经监测，夏季污水水温22～24℃，冬季12～14℃，适宜作为水源热泵的低位热源。冬季，污水中富存有较多的生活及生产排热，与同图2污水换热器图1自动污水过滤器图3热泵机组案例分析◆AnliFenxi54期气温及河水水温相比，具有较高的温度，热泵运行效率较高。同时，污水热泵仅提取污水中的热能，污水水质不会发生变化，不会影响污水再生的后续利用。在再生水厂厂区设计中，工艺生产及生活办公均需要冷热源，传统采用市政热源或自建锅炉房的方式，常会遇到管网接入及环境污染等问题，且运行费用较高。本工程利用靠近污水处理厂的条件优势，实现了污水的综合化资源化利用。在设计过程中，考虑到污水来源较广、水质复杂的情况，设计采用自动除污过滤器、专用污水换热器、中介水换热等手段实现了污水热泵的安全运行。经过1年半的工程试运行测试，表明热泵系统运行正常，满足设计要求，辅助适当的自动控制方式实现了系统的节能运行。5经济分析对污水热泵采暖的经济性进行分析时，主要是能源价格的影响，以获得41860kJ热量所需的费用做一个综合比较，如图4、图5所示。我们可以得出用热泵机组：设热泵的COP为3.5，则耗电量为3.32kW，若电费平均价格为0.41元/kWh（天津地区），则电费为：3.32kW×0.41元/kWh=1.36元；用燃煤锅炉：煤大约能够产生70%的热量，燃料热值为20930kJ/kg，则所需的燃料为2.86kg。若煤价为0.30元/kg，则费用为：2.86kg×0.30元/kg=0.86元；用燃气锅炉：燃气大约产生75%的热量，燃料热值35162kJ/m3，则所需燃气量为1.59m3。若燃气价格为2.2元/m3，则其费用为：1.59m3×2.2元/m3=3.50元；用燃油锅炉：燃油大约能够产生80%的热量，燃料热值38511kJ/kg，所需的油量为1.36kg。若油价为3.0元/kg，则费用：1.36kg×3.0元/kg=4.08元。由此可见，用煤取暖是最便宜的，而用燃油是最贵的。热泵运行的经济性，除与COP大小有关外，与电价高低有直接的关系，与其他采暖方式相比还要视其他燃料的价格而定。污水热泵与水源热泵的经济性对比数据如表2所示。项目污水热泵水源热泵初期投资/（元/kW）机组822725换热器23080深井0450水泵1313合计10651267全年运行能耗/（W/kW）机组248245水泵6090合计308335全年运行成本/（元/kW·年）机组2221深井泵021循环泵1010折旧费5465大修费1214合计98131年计算费用元/kW168254表2污水热泵与水源热泵的比较注：年计算费用公式=（，i，n）+（，i，n），动态回收期n=20a（a代表年），利率i=6%。图4冷凝温度不变时COP随蒸发温度变化曲线图5蒸发温度不变时COP随冷凝温度变化曲线AnliFenxi◆案例分析556结语城市污水热泵是污水热能利用的主要发展方向，也是污水综合利用的主要手段。通过污水回用、污泥利用、排热回收实现污水资源社会效益、经济效益、环境效益最大化。目前，我国的经济发展水平与国外发达国家还有一定的差距，但随着经济发展和生活水平提高，我国城市人均能源消费量以及生活用水标准将大幅度提高，城市生活污水的排热量也将极大增加。污水热泵不仅可以提高污水资源化利用水平，而且可以节约宝贵的高品位能源。结合我国国情，在具体应用污水热泵时还应注意以下一些问题：（1）在技术上，根据污水水质情况开发高效率耐腐蚀的换热设备；根据污水水温确定热泵运行工况、供热出水温度和运行效率；（2）在规划上，合理规划城市排水和污水处理系统，确定合理的热泵接入方式，是采用集中热泵还是采用分散热泵；（3）在管理上，建立一套既能满足污水回用又能回收热能的调控系统，使系统处于最佳运行状态；确定合理收费标准，降低污水处理成本。[参考文献][1]李建兴，周文忠，池勇志.中水热泵技术及其在住宅采暖中的应用.中国给水排水，2004，20（4）：24～26[2]周文忠，李建兴，涂光备.污水热泵系统和污水热能利用前景分析.暖通空调，2004，34（8）：25～29[3]李建兴，涂光备，涂岱昕.城市污水热泵在住宅供热中的应用分析.流体机械，2004，32（6）：65～68[4]Li，J.X.，TuG.B.ComparisonofTwoHeatingSys-temsconcerningEnergyConsumptionandTher-malComfort.ISHTEE’20043rdInternationalSymposiumOnHeatTransferEnhancementAndEnergyConservation.Guangzhou，China，January，2004：12～15[5]ZhouW.Z.，Li，J.X.Sewageheatsourcepumpsys-tem’sapplicationexamplesandprospectanalysisinChina.InternationalRefrigerationandAirConditioningConferenceatPurdue，July，2004：12～15收稿日期：2009-07-08作者简介：李晨（1962-），男，工程师，主要研究方向：供热通风与调工程。案例分析◆AnliFenxi56