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直接式污水源热泵系统在奥运村换热站中的应用 李瑞霞 李文伟 尤 晶 北京市地质勘察技术院 摘要：结合奥运村换热站的应用实例,介绍了直接式污水源热泵系统的系统设计流程,指 出直接式污水源热泵系统在应用中需要针对过滤系统、热泵机组和自清洗系统进行专门的设 计。分析结果表明直接式污水源热泵系统技术、经济可行,具有明显的节能减排作用。 关键词：污水源热泵 换热站 自清洗系统 热泵技术是解决建筑供暖系统节能问题的重 要技术之一,被称为21世纪的“绿色空调技术”。 城市污水中蕴含大量的可利用的废热资源,污水源热泵系统是有效利用污水废热资源的一种合理而又可行的系统方式。直接式污水源热泵系统以城市污水为载体,通过消耗部分电能做功,冬季将蕴藏于污水中的大量低位热能回收利用,提升能量品位后,为建筑供暖;夏季把室内的热量取出,释放到水中,以达到制冷的目的。 1 工程概况 1.1 工程介绍 奥运村再生水热泵冷热源项目的换热站位于森林公园西北侧、清河南岸附近,是该项目再生水处理、换热并将热能输送至奥运村的核心建筑,图 1为其外观图。换热站内有过滤器、换热器、水泵等重要设备和供电、自控系统及管理人员用房等。总建筑面积1 250 m2,建筑高度6 m,总供暖、供冷面积约为1 147 m2。 1.2 冷、热负荷 图1奥运村换热站外观图 本项目换热站为独栋建筑,周围没有任何遮 挡,同时该建筑不是按照节能建筑规范要求建设的 节能建筑,夏季冷负荷指标取150 W/m2,冬季热 负荷指标取100 W/m2。总冷负荷为172 kW;总 热负荷为115 kW。 1.3 水源条件 奥运村换热站内设有一3 000 m3的污水蓄水 池作为奥运村再生水热泵冷热源工程的水源,污水 来源为清河污水处理厂的二级排水,本项目自污水 蓄水池内取水作为直接式污水源热泵系统的冷热 源。平时水质较好,接近二级水水质;雨季或雪季 会有部分雨雪水及未处理的污水混入,水质较差, 略差于三级水水质。表1给出了北京地区二级水 和三级水水质的标准。 对本项目水源取样测量,其中Cl-的质量浓度 为137.25 mg/L,SO2-4的质量浓度为154.89 mg/L。 通过实地测试,该水源冬季最低温度不低于 12.5℃,夏季最高温度不高于26℃,是良好的热 泵冷热源。 本项目规模较小,水源水量充足,完全可以满 足项目水量的要求。 2 系统设计 2.1 污水源热泵系统原理简介 污水源热泵系统是水源热泵的一种工程应用方式,冬季通过输入少量的电能做功,从污水中提取热量,并将热量转移到供暖循环水中实现供暖; 夏季通过热泵系统将房间内的热量转移到污水中, 实现供冷。具有清洁环保、高效节能等优点。根据污水是否进入热泵机组换热器,可以将污 水源热泵系统分为直接式和间接式两种。 直接式污水源热泵系统没有间接换热带来的 热量损失,水源利用温差大,系统效率高。污水进入热泵机组前需配置自清洗过滤系统。由于污水的腐蚀、结垢特性,热泵机组蒸发器、冷凝器均需进行专门的防腐、防垢、防堵塞设计并需配置专门的自清洗系统。 间接式污水源热泵系统通过换热器间接提取污水中的热量,换热器需要根据污水水质进行相应的防腐、防垢、防堵塞设计,污水进入换热器前需配置相应的自清洗过滤系统,采用板式换热器的间接式污水源热泵系统对自清洗过滤系统的要求更高。间接式污水源热泵系统的热泵机组选型简单,热泵机组的效率、项目投资更容易控制。 2.2 系统方案设计 本项目采用直接式污水源热泵系统。污水进入热泵机组前设置自清洗过滤器对污水进行过滤处理;配置在线自清洗装置对热泵机组换热器定时进行在线自清洗,从而保证机组的换热效率。系统原理图如图2所示。 2.3 污水需求量 冬季,热泵从污水中提取热量,污水可用温差 按5℃(12.5℃/7.5℃)计算,设计工况下热泵的 性能系数COP取4,计算得污水需求量为14.8 m3/h。 夏季,热泵向污水中排放热量,污水可用温差按 5℃(26℃/31℃)计算,设计工况下热泵的性能系数COP取5,计算得污水需求量为35.5 m3/h。根据夏季污水需求量研究项目取水量为35.5 m3/h。 2.4 系统参数设计 室外温度随时间的波动情况见图3,相对供热负荷与室外温度的变化关系曲线见图4。 本项目系统末端采用风机盘管,为提高热泵机 组的效率,夏季冷水设计供/回水温度为7℃/12 ℃;冬季热水设计供/回水温度为45℃/40℃。 因常规风机盘管额定供热工况的供/回水温度为60℃/50℃,因此本项目在选择风机盘管时需 针对系统热水设计供/回水温度进行风机盘管的校 核选型,以满足系统要求。 2.5 主要设备配置 1)过滤器 为保障后端热泵机组换热器的换热性能,针对 污水水质情况,在本项目中设置了两级过滤装置。一级为毛发集结器,主要用于过滤污水中的毛发及 粗大颗粒污杂物;二级过滤器采用精度为500μm 的自清洗过滤器。 2)热泵机组 选择1台满液式热泵机组,换热管材为镍铜合金,进行防腐设计。 3)自清洗系统 因污水经过滤后直接进入热泵机组换热器,长期运行换热器内必然会结垢,导致换热量下降,为保证机组的换热效率,需定期对热泵机组换热器进行清洗。常用的物理清洗法及化学药剂清洗法均需停机清洗,不仅费时费力,且长期清洗对机组换热器有一定的磨损或腐蚀,影响换热器使用寿命胶球在线自清洗系统无需停机即可对机组换热器 进行即时清洗,保证了换热器的换热效率。在本项 目中选择了胶球在线自清洗系统进行机组换热器内换热管的在线自清洗。 4)其他主要设备(见表2) 3 工程完成情况 本工程已投入运行两个供暖季,一个制冷季。 笔者对选用的设备、热泵机组的运行状况进行了系统、详细的监测,结果表明系统运行状况良好。 4 能源费用测算 每年供冷季(5月15日~9月15日)和供暖季 (11月15日~3月15日)均按120天计算,电费取 0.5元/(kWh),计算得单位面积供暖费用为12.4 元/(m2·a),供冷费用为14.1元/(m2·a),总费 用为26.5元/(m2·a)。 5 节能、减排效益分析 直接式污水源热泵系统在环境保护、节能减排上效益突出。冬季北京的大气环境污染物主要是燃煤排放的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及粉尘等,采用污水源热泵供暖、供冷,以少量清洁的电能消耗,带来3~5倍的清洁热能,没有就地污染,有利于大气环境保护。 据测算,与燃煤供暖相比,该系统每年节约的能源折合为燃煤约18 t,减排CO24. 25 t, CO 0.03 t,SO2,NOx0.83 t,粉尘0.20 t。夏季制冷无需冷却塔,避免了噪声、飘水、视觉 污染以及“热岛”效应等问题,每个供冷季节水约 350 t。实现了空调制冷“零”排放、无污染。可见,直接式污水源热泵系统是一种新型的绿 色环保的能源利用方式。 6 结语 城市污水温度夏季比环境温度低,冬季比环境 温度高,是良好的热泵冷热源。采用直接式污水源热泵系统为建筑供暖、供冷需根据污水水质设计过滤系统、热泵机组和自清洗系统。本文通过项目实例说明,直接式污水源热泵空调系统技术、经济可行,具有明显的节能减排作用。
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