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污水源熱泵工程設(shè)計與應(yīng)用

  某污水處理廠污水源熱泵工程位于滄州市迎賓大道以西,經(jīng)一路與渤海路交口西南角的位置,小流津河?xùn)|岸。一期工程的廠區(qū)綜合樓、污泥脫水間、加藥間、配電室值班等室內(nèi)需要供暖,供暖面積3000余平米。原設(shè)計采用市政熱源,通過廠區(qū)新建換熱站為廠區(qū)提供熱媒。一次網(wǎng)供回水溫度為105/55℃,二次網(wǎng)供/回水溫度70/45℃。

  污水處理廠的一期設(shè)計規(guī)模為6萬噸/天;二期設(shè)計規(guī)模也為6萬噸/天。二期工程建成后,運西污水處理廠的整體日處理規(guī)模可達(dá)到12萬噸/天。在一期工程建設(shè)運營中,發(fā)現(xiàn)污水排放的水質(zhì)比較好,污水量比較穩(wěn)定,冬季污水平均水溫在13℃左右,夏季污水平均水溫在20℃左右。按照保守的日處理污水量3萬噸/天計算,從排放的污水中提取3℃的溫差,冬季污水可提供4300kW的熱量,該熱量可供10平米小區(qū)冬季供暖使用。如果未來二期建成后,按照12萬噸/天排放量計算,污水的低位熱量至少可供30萬平米小區(qū)供暖使用,能產(chǎn)生極為可觀的經(jīng)濟效益。

  正是基于這一點考慮,結(jié)合廠區(qū)自身的供暖要求進行了調(diào)整,采用污水源熱泵系統(tǒng)進行供暖,同時,還考慮使用該系統(tǒng)解決廠區(qū)夏季空調(diào)的需求。

  目前,市場上污水源熱泵設(shè)備已比較成型,設(shè)備冷凝側(cè)可提供50℃熱水,蒸發(fā)側(cè)最低可出5℃的冷水。因此,該工程的設(shè)計關(guān)鍵點在于污水側(cè)換熱器設(shè)計計算。污水換熱器可以分為兩種設(shè)計思路:

  (1)把換熱器放在換熱機房里,污水池內(nèi)設(shè)潛水泵將污水送入機房換熱器,換熱完畢后再排入污水池。該方案優(yōu)點是比較好布局,施工簡單。缺點是增加了潛水泵的功耗,同時,污水換熱管線里始終流動的是污水,易腐蝕管路。進換熱器入口需要設(shè)置快速除污器,需要定期進行除污清洗,增加了售后維護工作。

  (2)制作專門的污水源換熱器,將污水源換熱器直接放入污水池中,利用污水自身的水流進行換熱。這樣減少了一次水泵的循環(huán)功耗,提高了節(jié)能效果。另外,與熱泵機組進行換熱的循環(huán)水系統(tǒng)采用軟化水,既保證了水質(zhì)干凈清潔,又避免了管路的堵塞和腐蝕。

  運西污水現(xiàn)場實際情況是污水經(jīng)過處理后,通過一段污水排放池后,排入市政污水管道。這段排放池長40多米,寬2米,內(nèi)設(shè)紫外線消毒渠、巴氏計量槽,該裝置對污水排放流道有一定要求,如圖示??紤]這種特殊要求,將專門的污水源換熱器設(shè)置在污水進入排放池的前面,充分利用污水自身流速進行換熱(如圖1)。

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  一、方案設(shè)計依據(jù)

  污水處理廠日處理污水量為60000噸/天,考慮尖峰和低谷的因素,按平均小時排水量1250m3/h計算,以此水量進行換熱器選型計算依據(jù)。污水源熱泵機組夏季冷凝器設(shè)計溫度為45/40℃,冬季蒸發(fā)器設(shè)計溫度為9/6℃,污水進行換熱器時,冬季參數(shù)較為不利,因此,以冬季工況進行選型計算。

  室外氣象參數(shù):供暖室外計算溫度-7.1℃;冬季通風(fēng)室外計算溫度-3℃;夏季空調(diào)室外計算干球溫度34.3℃;夏季空調(diào)室外計算濕球溫度26.7℃;夏季通風(fēng)室外計算溫度30.1℃;

  室內(nèi)設(shè)計溫度:

  冬季:辦公、值班等生活房屋室內(nèi)采暖設(shè)計溫度為tn=20℃;有人巡視而不久留的房間,室內(nèi)采暖設(shè)計溫度為tn=12℃。

  夏季:辦公、值班等生活房屋空調(diào)設(shè)計溫度:26℃;

  按照目前采暖總面積,根據(jù)《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施——暖通空調(diào)》及《民用建筑空調(diào)設(shè)計規(guī)范要求》,考慮外管網(wǎng)熱量損失,冬季熱負(fù)荷需170kW,夏季制冷量165kW。設(shè)計計算過程如下:

  在污水池設(shè)置換熱器:污水池深1.5米,寬2米,將該換熱器直接放置在污水排放池中,污水池溫度11℃;熱泵機組蒸發(fā)器出水進該換熱器溫度為6℃,出該換熱器為9℃;換熱量為200kW,材質(zhì)為不銹鋼。

  機組選用兩臺污水源熱泵機組,單臺制熱量175kW,耗電功率36kW;蒸發(fā)器供回水溫度:6/9℃,循環(huán)水量50m3/h,冷凝器進出水溫度50/45℃,循環(huán)水量20m3/h;

  室內(nèi)熱水循環(huán)泵設(shè)置2臺,一用一備,循環(huán)水量40m3/h,揚程32m;污水源側(cè)循環(huán)泵設(shè)置2臺,一用一備,循環(huán)水量60m3/h,揚程30m。

  二、換熱器熱力計算

  (1)原始數(shù)據(jù)。

  熱泵機組冷凍水進口溫度t1′=6℃;出口溫度t1〞=9℃;

  污水側(cè)冷水流量G1=1250000kg/h;污水冷卻流入溫度t2′=11℃;污水冷卻流入出溫度t2〞=10℃。

  (2)計算溫度及物性參數(shù):

  污水冷卻水的定性溫度t2=(t1′+t1〞)/2=(10+11)/2=10.5℃;

  冷卻水的密度查物性表得ρ2=992.9kg/m3;

  冷卻水的比熱查物性表得Cp2=4.174kJ/kg.℃;

  熱泵機組冷凍水的定性溫度;

  冷凍水的密度查物性表得ρ1=976kg/m3;

  冷凍水的比熱查物性表得Cp1=4.192kJ/kg.℃

  (3)傳熱量與水熱流量

  取定換熱器熱效率為η=0.98;

  污水側(cè)可提供的熱量:

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  完全可以滿足所需要提取的熱量。

  污水換熱器二次側(cè)換熱量:

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  逆流平均溫差:

  根據(jù)浸沒在液體中的盤管總傳熱系數(shù)大致值,W/(m2•℃)如表1。

  初定傳熱系數(shù)K0=1000W/m2•℃;

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  選用φ16×1.5無縫鋼管作換熱管;管子外徑d0=0.016m;管子長度取為l=6m;管子總數(shù):

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  三、換熱器的設(shè)計制作

  根據(jù)污水連續(xù)運行無堵塞換熱技術(shù)的要求,換熱器制作需要采用特殊設(shè)計,換熱管需要采用不銹鋼材質(zhì)的高效換熱管,管徑相對于普通機組加大25%和璧厚加大20%,保證設(shè)備的運行效率和使用壽命。為避免換熱器與污水流通截面被污水內(nèi)藻類雜質(zhì)堵塞的可能,同時,便于以后清洗換熱管時,操作簡單方便,應(yīng)當(dāng)合理調(diào)整換熱管間的距離,保證長期使用的可靠性。因此,單根換熱管的長度取為6m,直徑Ф16mm,厚度δ=1.5mm;(如圖2)。

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  U形管的尺寸

 ?、賃形管彎管段的彎曲半徑

  U形管彎管段的彎曲半徑R(見圖3)應(yīng)不小于兩倍的換熱管外徑,常用換熱管的最小彎曲半徑Rmin可按GB151-1999表11選取,取Rmin=40mm??紤]污水側(cè)有時會有藻類雜質(zhì)流通,防止U形管間距過小影響污水流通,取換熱管的彎曲半徑R=76mm。

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  四、換熱管間距

  換熱管的中心距宜不小于1.25倍的換熱管外徑,根據(jù)GB151-1999要求,考慮污水流通性,取換熱管中心距為S=32mm(見圖4)。

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  污水側(cè)換熱器完成后,整體工程的安裝布局按照如下原理圖進行了布局和施工,考慮該系統(tǒng)需要解決辦公樓夏季制冷需要,因此,在辦公區(qū)室內(nèi)增加了風(fēng)機盤管系統(tǒng),這樣可滿足辦公樓冬夏季使用(見圖5)。

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  五、運行情況分析

  目前機組蒸發(fā)器側(cè)水溫14℃,冷凝器側(cè)水溫49℃,機組50%負(fù)荷運行,運行狀況良好。

  污水源熱泵年運行費用:

  主要機組設(shè)備冬季平均投運功率:43kW;年平均運行時間:12小時/天;120天/年;

  電耗:43kW×12小時/天×120天/年×0.8元/kW.h=4.9萬元;

  采用污水源熱泵系統(tǒng)進行供暖和空調(diào)使用,具有以下優(yōu)勢:

  (1)緩解能源消耗,利用城市污水作為熱源對建筑進行采暖,可以直接減少其他短缺能源的消耗。

  (2)保護環(huán)境,污水源熱泵供暖系統(tǒng)是利用低溫污水作為熱源無燃燒、無排渣、無排煙等過程,從環(huán)保方面看,熱泵運行對環(huán)境是零污染。

  (3)經(jīng)濟效益顯著,如電價按民用電價計算,出水溫度在50度以下,與集中供熱相比可節(jié)省運行費用30%左右。

  (4)社會效益顯著,可替代傳統(tǒng)的供熱鍋爐,避免建設(shè)新的集中供熱鍋爐房,對節(jié)約資源、提高能源利用、減少污染物排放,改善城市環(huán)境、提高居民生活質(zhì)量。

  六、結(jié)語

  結(jié)語本次污水源熱泵是利用污水出水量大、水質(zhì)穩(wěn)定、溫度適宜等特點,以污水作為熱源進行制冷、制熱循環(huán)的一種空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有熱量輸出穩(wěn)定、COP值高、換熱效果好、機組結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點,是實現(xiàn)污水資源化的有效途徑。污水源熱泵比燃煤鍋爐環(huán)保,污染物的排放比空氣源熱泵減少50%,比電供熱減少75%。它節(jié)省能源,比燃煤鍋爐節(jié)省1/2以上的燃料。由于污水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定,其制冷、制熱系數(shù)比傳統(tǒng)的空氣源熱泵高出40%左右,其運行費用僅為普通中央空調(diào)的50%~60%。因此,該項目的實施,有著很高的經(jīng)濟效益。( >

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