污水源热泵为污水厂供热的应用研究

第27卷第17期中国给水排水Vol 27 No. 1720L1年9月CHINA WATER WASTEWATERSep 2011污水源热泵为污水厂供热的应用研究邳春英,刘康,郑杰,黄登跃,高文宝2,李育宏2(1.中天环能<天津>工程技术有限公司,天津300191;2.天津中水有限公司,天津300190)摘要:城市污水中蕴含着大量的低品位热能,近年来热泵技术的发展为提取这些低品位能源提供了直接条件。对天津纪庄子再生水厂的采暖系统进行了改造,改造目的主要是:改善原有采暖系统的供热效果;为二级处理出水应用于热泵采暖系统积累数据,以便于将来的大规模推广应用。此次改造采用高温型热泵机组替代原有的采暖锅炉,并对末端及机房设备加以部分调整。改造后采暖效果相比锅炉采暖明显得到改善。同时监测记录了全年的二级处理出水水温,为热泵系统在城市污水领域的应用提供了基础数据。关键词:二级处理出水;污水源热泵;采暖改造中图分类号:X703文献标识码:C文章编号:1000-4602(2011)17-0091-05Application Research of Sewage Source Heat Pump for Heating of WWTPPI Chun-ying, LIU Kang, ZHENG Jie, HUANG Deng-yue,GAO Wen-bao2LI Yu-hong1. Zhongtian Environment and Energy Tianjin> Technology Co. Ltd, Tianjin 300191, China;2. Tianjin Reclaimed Water Co. Lid, Tianyin 300190, ChinaAbstract Municipal sewage contains a lot of low quality thermal energy, the development of heatpump technology has facilitated the use of it in the past years. In order to improve the efficiency of exist-ing heating system, collect data for application of secondary effluent in heat pump system and apply thistechnology widely in the future, the heating system of Jizhuangzi Reclaimed Wastewater Treatment Plantin Tianjin was reconstructed. In this project, the original heating boiler is replaced by high-temperatureheat pump unit, and some terminal devices and air-handling units are changed. The heating efficiency isimproved significantly compared with boiler heating. Meanwhile, the temperature of the secondary effluent was monitored for a whole year, which provides foundational data for the application of heat pump sys-tem in municipal sewage fieldKey words: secondary effluent; sewage source heat pump: heating reconstruction纪庄子污水厂是天津市大型生活污水处理厂,管,接自纪庄子污水厂的供暖热网,接口处压力为由于工业污水量少,污水水质相对稳定,这就为其在0.3~04MPa。再生水厂总建筑面积为5448m2水源热泵方面的利用提供了良好前提。再生水厂是其中综合办公楼的面积为1178m2、厂房车间的面为污水厂二级出水做进一步处理的独立单位,工艺积为4329m2。由于再生水厂的处理工艺要求,为厂房的温度有各自的要求,原采暖系统热源是污水保证产水水量,在冬季对工艺厂房的温度有一定要厂燃气锅炉,热媒为70~95℃的热水,末端为4柱求,比如办公楼和值班室设计温度应为18℃,加氯铸铁813型散热器,采用上供下回式采暖系统。供和加药间、臭氧车间和CMF净水间温度为15℃,其热管道的埋深为0.8~1.0m,采用直埋式预制保温他工艺车间温度为12℃。因为再生水厂为采暖系·91·第27卷第17期中国给水排水www.watergasheat.com统的末端,部分工艺厂房的温度不能保证,为了改善经计算,水厂的总热负荷为500.5kW。根据表这部分厂房的采暖效果以及对二级出水低位热能应1可知纪庄子再生水厂除了综合楼门卫等个别建用的目的,拟采用污水厂二级出水作为热源的水源筑,大部分建筑属于空间较大的生产车间,这对于建热泵系统4取代原来的锅炉采暖形式。筑采暖是最不利的。因为在建筑内部,热空气很容1资料的搜集与整理易往上走,而需要热量的人员、设备基本都在地面1.1低温热源情况上。所以,高空间建筑即使设计了足够的采暖热量此项目成败与否的关键因素之一是污水这一低往往感觉不到很好的效果。温热源能否满足设计要求。二级出水水质:氯化物以CMF净水车间为例,原设计以70~95℃为(C)≤400mg/L;BOD3≤30mg/L;COD≤100供/回水参数设计的采暖系统,安装了380片铸铁mgLo水中悬浮物成分:5mm~2cm的塑料布,韧813型散热器。如果改为低温水源热泵供暖,供暖性极强;毛发;藻类悬浮物(纤维状丝)。从历年的参数为40~50℃的供回水温度,散热器需要增加水温数据可知,在最冷月份二级出水的最低温度也到110片,增加了720片。最终选择了高温水源保持在12℃以上。热泵,供暖参数可达到55~65℃,CMF车间的散热1.2原有热源情况及末端设备供热能力器数量需增加到650片。所以,考虑到低温水供暖原热源为污水厂热水锅炉,出水温度为70~95的特点及热负荷的计算原暖气系统不进行调整进℃,查阅2003年和204年的锅炉系统运行资料锅净水间的主管由原来的DN50调整为DN80,在炉房供给的热水到达中水厂的总控制阀门前的温度DN80主管上分出两根DN65水管增加8台制热量最高时达到65℃,工作压力在0.15-0.2MPa,这为16kW的高静压风机盘管进行强制送暖风,由于样的供暖条件,除供热区域中位置较高的部分房间气流的强制流动,可达到比增加散热器更好的效果。温度稍低外,其他区域基本能达到供热要求。其他车间建筑由于空间及工艺的要求,只相应原有建筑的装修格局和供暖设备已经定型,为增加散热器数量便可。4柱铸铁813型暖气片,各供热区域的参数及供热比较特殊的情况是综合楼的采暖系统,它是上要求见表1(室外温度取-9℃)。供下回的单管系统。经过计算建筑耗热量,再对比衰1纪庄于再生水厂的热负荷设计值单管系统各楼层散热器的散热量,在供暖参数为50Tab. 1 Heat load design value of Jizhuangzi Reclaimed65℃时,得出系统流量应为0.15m3/(h·片)。Wastewater Treatment Plant原来的管道设计也能满足流量要求,综合楼散热器建筑面釆暖面设计温采暖负增加散1比较如下:三楼需要散热器数量为12片,原散热器项目m积m度℃荷八W热器/片数量为15片;二楼需要散热器数量为12片,原散热混合反应池789130126器数量为15片;楼需要散热器数量为15片,原散膜车间768768151468台风盘热器数量为15片(16kW/台)综上可知,采用高温型水源热泵时,对综合楼基空压机/鼓风机房2952951228臭氧间175175122065本不需要改造;对部分车间,虽然原设计供暖负荷偏滤站7417411285大,原设计采暖热媒为70~95℃的热水,如果改为「加氯间242242152850-65℃的热水,则需要增加一定量的散热器。加药间233233152550从上述资料分析可知生活区送水泵房143|1431214①二级出水能达到直接进入热泵机组蒸发器工业区送水泵房1541541218主变电站的条件,但水中的悬浮物必须在进入热泵之前做过10分变电站1271018滤处理库房2601001210②污水二级出水的水温情况在冬季较稳定,综合楼173811781810是水源热泵系统很好的低温热源。门卫③现有建筑内的采暖方式不做大的调整,热总计5448426500.5源换成水源热泵后,要想达到原有的供热水平,首先92www.watergasheat.com邳春英,等:污水源热泵为污水厂供热的应用研究第27卷第17期供热的出水温度不能过低应基本维持在65℃的最污水合理阶梯形综合利用提供相关的数据和经验高出水温度;同时供热压力要有一定的提高以解决由此希望取得以下几个方面的试验数据:整个系统位置较高房间温度低的问题;有些高大厂房的供热的能耗情况数据(主要是电能);整个系统供出的热末端设备需要有一定的调整。能数据;设备运行、维护的成本数据;供热质量的效2技术方案的形成果分析。2.1热泵设备的选择②测点选取基于以上前提条件,选择清华同方高温型水源针对以上目的在工艺测点的检测方面拟取如下热泵机组,最高出水温度可达到70℃,同时蒸发器测点耗电电能的计量;采暖热水的供水温度供水和冷凝器全部为壳管式换热器。压力、回水温度、回水压力(供水流量)的监测;污水校核原有末端设备的供热能力(见表1)。侧的供水压力、供水温度、回水温度(供水流量)的系统总的供热负荷在500kW左右,考虑到设监测;若干典型的室内温度以及室外环境温度的监计温度为-9℃,则取09的负荷系数匹配热泵机测;热泵机组的运行状况、报警状态;循环水泵、污水组。选用HGHP220型机组2台,技术参数如下:制泵的运行状况。热量为218kW、功率为53kW;制冷量为180kW功自动控制率为43kW;制冷剂为R34a;能量调节范围为0~a.供/回水温度的控制50%~100%(分两次调节)。供/回水温度是保证供热质量的主要参数,也是2.2污水用水量计算影响系统运行成本的一个主要参数。供/回水温度根据G,=0.86(Q,-N)/△T,计算污水用量,其的自动控制主要由系统中的两台热泵机组完成。每中Q为水源中央空调系统主机制热量,kW;N为水台机组均有负责自动控制的可编程控制器(PLC),源中央空调主机电功率kW;△T,为水源水进出中通过PLC设定的供/回水温度,分别控制两台热泵央空调主机温差,℃C。按照温差为4℃计算得污水上的4台压缩机(每台热泵控制两台压缩机)的开用量为71m3/h,采用“大流量、小温差”的原则,选启顺序及开启数量,来达到平衡供/回水温度、节约择2台潜水排污泵,其流量为93.5m3/h、扬程为能源的目的。下面简单介绍一下两台热泵机组(分240kPa(24m)、功率为11kW,一用一备。别记为12“机组)的开启顺序及能量输出的控制。2.3热循环侧水量计算1°设定温度为X1-Y1℃、2设定温度为X2~Y2℃根据G=0.86Q/ΔT计算热泵冬季空调系统每台机组的能量调节为:0~50%~100%。每的循环水量,其中Q为水源中央空调系统主机制热台机组上有两台压缩机,主要是依靠调节机组的回量,kW;△T为冷冻水进、出中央空调主机温差,℃。水温度来调节压缩机的开启台数,机组控制温度为:按照温差为10℃计算得到热泵冬季空调系统循环(回水温度±Z)℃(这个值是可调的),每台机组的水量为375m3/h,因此选择3台循环泵,其流量为单个压缩机开启与否是根据回水温度每升高或降低216m3/h扬程为260kPa(26m)、功率为22kW,(Z/2)℃来调节的。二用一备。描述机组降载荷的过程如下:24过滤器的选择当回水温度升高到[X1+(Z/2)]℃时,·机组二级出水中含有的悬浮物要在进入机组前除的01号压缩机停止工作;当温度继续上升至(X1+去,那么选择合适的过滤器很关键。为了控制改造Z)℃时,02号压缩机停止工作成本,不选用全自动清洗过滤器,只有设计成备用过当回水温度升高到H2+(Z2)]℃时2机组滤器和管路才能解决在不停机情况下过滤器的清洗的01号压缩机停止工作;当温度继续升高至(X2+工作。Z)℃时,02号压缩机停止工作2.5仪表自动化控制方案描述机组升载荷的过程如下①数据采集当回水温度降到[X2-(Z/2)]℃时,2"机组的本工程在立项初期的宗旨是在保证供暖实现无02号压缩机开始工作;当温度继续下降至(x2-Z)人值守的同时,还要采集、整理出运行数据,为今后℃时,01号压缩机开始工作。93第27卷第17期中国给水排水www.watergasheat.com当回水温度降到[X1-(Z/2)]℃时,1机组的管温度计,则蒸发器和冷凝器进、出水温度在显示屏2号压缩机启动工作;当温度继续降至(X1-Z)℃上都有显示。同时记录1”、2“热泵机组二级出水进、时,01号压缩机启动工作,开始满负荷运行。出蒸发器的温度数据,由于流量分配的原因,热泵系b.供暖系统供/回水压力的控制统提取污水中的热量不同,即二级出水进、出蒸发器供暖系统的供/回水压力也是影响系统供热质的温度变化不同,选取典型年份(2006年冬季刚运量的一个主要参数。考虑到本项目的试验性及投资行和200年冬季的恶劣天气)1、2"热泵机组的温成本,供暖循环泵未采用变频的控制方式,由于采用度变化趋势进行说明。了定流量供水的方式,通过对回水压力的控制即可2006年冬季系统刚运行时12“热泵系统正常达到对供水压力的控制,所以本系统采用对回水压运行的温度参数达到设计要求,并优于设计参数力进行位式控制。(12/8℃),其中1“热泵系统的进、出水温差M1在4c.污水泵的控制℃左右,2“热泵系统的进、出水温差△2在3.2℃左污水泵在本系统中的地位很重要,所有污水热右。现场采用超声波流量计测得二级出水平均总流能的传输都是通过污水泵来实现的。它的运行平稳量为100m3/h,其中1热泵机组为40m3h、2热泵性决定了整个热泵系统的平稳性,同时考虑到潜水机组为60m3/h,则计算得到从二级出水中提取用排污泵的特性,为此选择了两台污水泵间歇运行的于供暖的低位热能为409kW,即该系统从污水中提方式,自动定时切换,定时的时间长短可根据实际水取低位热能的能力为409kW。质情况和潜水排污泵本身的性能现场合理设定在2009年冬季漫长而恶劣的条件下,二级出水d计量系统输出的热能进、出热泵蒸发器的平均温度分别为14、1℃,其中为了考察系统的合理性及经济性需要计量系1热泵系统的进出水温差△t1‘在3.8℃左右,2"热统的输出热能。热能的计量是通过间接方式实现泵系统的进出水温差Mt2在3.0℃左右。1“热泵的。首先采集系统的供水流量和供/回水的温度值,机组的流量为40m3/h、2“热泵机组的流量为60根据相应的理论公式计算出系统实际供出的能量m3/h,则计算得到从二级出水中提取用于供暖的低值位热能为386kW。可见,在2009年冬季的恶劣条e.计算系统从污水中提取的热能件下,二级出水温度仍能保持一个非常平稳的状态通过测定污水的供回水温度和流量,通过相应受自然环境温度变化的影响非常小,是非常理想的的理论公式来计量污水热能。热泵机组热源。④系统组成3.2循环热水温度变化系统由检测仪表、可编程控制器(PLC)、上位计监测结果表明,2006年-2007年冬季循环热水算机组成。检测仪表现场取样,通过数据线传给温度变化比较稳定,这说明建筑物散失的能量与污PC;PLC收集处理检测仪表的采样值;上位计算水源热泵系统所供给的热量基本达到平衡,即建筑机作为人机界面进行数据显示及对计算结果的分物内的温度和建筑物向外界的传热量建立了热平析衡。随着室外温度的变化,设定不同冷凝器回水温3热泵系统实际运行综合分析度,冷凝器的进、出水温度随之升高,其中1热泵机2006年-2007年和2009年2010年冬季运组冷凝器进出水温差Δ在10.8℃左右保持不行期间,笔者等对系统的供热工况即污水系统、热水变,2“热泵机组冷凝器进、出水温差M2在10.5℃循环系统以及室内温度在供热模式下的变化情况或左右保持不变,达到了设计要求和热泵机组本身的变化趋势做了全面的监控和记录,这些变化情况决性能要求;现场采用超声波流量计测得热循环水总定着供热系统运行的效果。流量为44m3/h,其中1热泵机组为20m3/h、2”热3.1二级出水温度变化泵机组为24m/h,则计算得热循环水提供的热量设计采用在污水进、出热泵机房的供、回管路上为543kW。设置温度传感器来监测二级出水进、出热泵的温度,由于现场条件的限制,热泵机组的输入功率没同时热泵机组蒸发器和冷凝器的进、出口装有玻璃有计量(没有单独计量热泵的功率),通过热平衡可www.watergasheat.com邳春英,等:污水源热泵为污水厂供热的应用研究第27卷第17期计算热泵机组的输入功率为134kW,即系统运行时领域将迎来很大的发展前景,而且在将来的供暖系热泵机组的输入功率为134kW。统中将扮演重要角色,本系统的成功应用为污水源2009年冬季,1·机组和2“机组冷凝器侧的温度热泵系统区域级利用积累了基础数据和经验将更基本上没有大的变化,只是电费的费用比2006年冬有利于污水源热泵系统的推广应用。污水源热泵系季稍有增加,约为10%,这是由于二级出水进、出热统的方案设计、设备配置和管路系统的处理要根据泵蒸发器的温度变化,导致热泵机组输入功率增加。实际情况充分考虑研究,这是污水源热泵系统成功综上可知,本项目污水源热泵的水源—二级与否的关键。处理出水在历年冬季的温度均保持在12.0~18.0℃范围内由于1”、2热泵机组的二级处理出水流量参考文献:分配不同,则二级出水进、出热泵蒸发器的温差分别[1]李亚峰,陈平.利用热泵技术回收城市污水中的热能为(3.5~4)、(3.0~3.5)℃,在极端负荷下依然能[J].可再生能源,2002,(6):23-24满足系统的使用要求,而且使用效果良好。热循环[2]马最良,姚杨,赵丽莹.污水源热泵系统的应用前景水进、出热泵冷凝器的温差保持在9~11℃之间,[].中国给水排水,2003,19(7):41-431°、2“热泵机组冷凝器进、出水温差分别在10.8、[3]王宏哲,尹军我国城市污水热能有效利用存在的差10.5℃左右。通过热平衡计算,得出系统运行时距与对策[门].中国环境管理,2001,(3):20-22COP值能达到42~3.2,说明污水源热泵具有极高[4]马最良刘永红.热泵站的现状及在我国应用的前景的节能优势。[].暖通空调1994,24(5):6-104结论二级处理出水在冬、夏季受季节影响极小,是理E-mai:tjzthn@163.com想的低温热源。污水源热泵系统的应用在节能环保收稿日期:2011-03-31·企业动态·Tuv-Mark印证英威腾 Goodrive300卓越品质日前,世界权威认证机构——德国 TUV SUD正式向深圳市英威腾电气股份有限公司 Goodrive300系列变频器颁发了CE认证证书,并准许其成为中国国内首个加贴 TUV-Mark标记的变频器产品,这标志着该系列变频器成功得到了欧洲市场的全面认可,获得了进军欧洲市场的通行证。德国TUⅤsUD为全球权威认证机构之一,凭借其严格公正的检验而广泛被世界各国所接受,其在工业技术领域具有很高的权威性。如要在产品上加贴TUV-Mark标记,不仅在产品测试中要符合其标准要求,而且在产品的研发、测试、生产等各个环节都必须对每个产品进行有效监控,符合德国 TUV SUD对产品质量的控制要求。 Goodrive300成为中国国内首个加贴 TUV-Mark标记的变频器产品,意味着该产品不仅在样品检测中通过了严格的检验,而且在生产的各个环节都严格遵守并符合 TUV SUD的要求,从样品到产品,英威腾保证提供给客户的每一台变频器都拥有最优的品质品质成就卓越,英威腾 Goodrive300变频器TUⅤ认证的顺利通过并加贴 TUV-Mark标记,展现了英威腾强大的技术实力和英威腾产品的优秀品质,为 Goodrive300变频器走出国门打下了坚实基础。(深圳市英威腾电气股份有限公司供稿)95