污水热泵在城市生活小区的应用

第26卷第5期中国给水排水Vol. 26 No. 52010年3月CHINA WATER & WASTEWATERMar. 2010污水热泵在城市生活小区的应用林真国'，张素云”，付祥钊",白雪莲'(1.重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400045; 2.后勤工程学院营房管理与环境工程系，重庆400042)摘要从就近利用小区污水冷热能的角度出发,对重庆市主城区某居住小区生活污水的温度和流量进行了测试分析,提出了小区污水热泵系统应用于建筑空调、供暖和卫生热水供应的综合节能系统模式;调研了小区生化池内污水温度分布,分析了小区污水逐时流量及逐月流量的变化，讨论了小区污水所能提供的冷量与建筑实际需要冷负荷的匹配关系,提出了生活小区污水热泵系统与常规冷热供应系统的复合式冷热供应方案。关键词:建筑节能; 污水源热泵; 污水温度; 污水流量; 应用模式中图分类号: X703文献标识码:文章编号: 1000 -4602( 2010)05 -0088 -05Application of Sewage-source Heat Pump in Urban Residential AreaLIN Zhen-guo'，ZHANG Su-yun'，FU Xiang-zhao'，BAI Xue-lian'(1. Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University,Chongqing 400045, China ; 2. Department of Barracks Management and EnvironmentalEngineering, Logistical Engineering University, Chongqing 400042, China )Abstract: The temperature and flow of domestic sewage from a residential area in Chongqing Citywere tested and analyzed for the nearest utilization of cold and hot energies from the sewage. An energysaving mode of sewage-source heat pump system applied for building air-conditioning, heating and sanita-ry hot-water supply was put forward. The sewage temperature distribution in the biochemical tank in theresidential area was investigated. The variation of hourly and monthly flow rates of the sewage was ana-lyzed. The matching relationship between cold energy provided by the sewage and the cooling load neededfor the buildings in the residential area were discussed. A combined cooling and heat supply scheme byusing sewage-source heat pump and traditional cooling and heat supply system to farthest utilizing the sew-age energy was proposed. .Key words: building energy saving; sewage-source heat pump; sewage temperature; sewageflow; application mode城市污水具有冬暖夏凉的特性!1.2),是热泵技新能源开发的前沿课题，对“节能减排"具有重要意术理想的低温热源和热汇。利用热泵技术回收城市义,具有广阔的发展前景和巨大的开发利用潜污水中蕴藏的冷热能已成为污水资源化利用和建筑力3-5]中国煤化工基金项目:重庆市建委科技项目(城科字2008第30号);国家科技 支撑计MHCNM HG重庆市科技攻关计划项目( CSTS2008AB7110).88●www. watergasheat. com林真国,等:污水热泵在城市生活小区的应用第26卷第5期对城市污水冷热能的应用研究从20世纪80年1.2水温特性代就开始了,国内外已经有很多对该领域的研究报笔者对生化池内污水温度进行了长期监测,测道,但所报道的污水源热泵系统绝大多数设在城市点如图2所示,温度传感器采用铜-康铜热电耦,测污水处理厂,或者在城市污水主干管,很少将污水源试数据通过智能温度巡检仪自动记录。考虑到冬季热泵系统设在城市居住小区的生化池0.7]。将污水的污水温度分布规律与夏季相似,仅取夏季典型日源热泵系统设在城市居住小区或者单栋建筑的生化的生化池污水测试温度进行说明。池附近,能够快捷地利用污水冷热能,便于将回收的污水热能就地实现利用8。此外,在污水从小区排、污水.污水出后到污水处理厂的过程中,污水还可以与地下土流人壤进行换热,减小因污水热泵系统运行带来的污水106多1021081i09温度变化,可以实现污水热能的多级利用。11|110114| 1031生活小区 污水特性113161121.1污水 生化池流程wwww. wwwwww. wwwwww wwwwww生活小区污水成分复杂,其水质直接影响污水池B热泵系统的性能。原水中的悬浮物、油脂、残渣、硫图2污水生化池 温度测点分布化氢、活性细菌等都容易造成设备的堵塞、腐蚀、结Fig.2 Temperature sensor distribution in biochemical tank垢和换热性能的降低,这也是近年来污水换热设备测试发现各池内沿竖直方向污水存在明显的集中研发需解决的关键问题。目前仍有较多的生活温度梯度,因为池内污水流速小,容易形成温度分小区污水首先排人到小区生化池做初步处理后再排层,且沿深度方向的水温逐渐降低。测得池A、B、人市政污水管网,笔者所调研的生活小区污水排放C、D的8月份最高温度分别为28.2.29.5.28.9、方式即是如此。图1显示了该小区污水生化池的平29.6 C,最低温度分别为25.4.26. 1.25. 9、26.1面布置。C。温度梯度以池A最大,平均温度梯度为-2.543000mm,3000mm,3000mm3000mmC/m,池B、C、D的平均温度梯度分别为- 1.25、-0.50、-2.25 C/m。温度梯度的差异反映了各池沉淀厌氧发酵 厌氧发酵沉淀污水内污水的对流强弱,可为生化池内污水换热器的设卡日置提供有益的参考。由于进人生化池污水流量的动态变化,池内水池池C温全天表现出一-定的波动性,图3是各池内污水平均温度的动态变化曲线,波动范围为2.8~3.6 C,日1 调研小区污水生化池平面各池内污水温度从A到D逐渐升高,污水从进口到Fig. 1 Plan of biochemical tank原水在池A中沉淀,大部分的固体残渣均积聚出口温度升高约2C,这是因为发酵产生热量所致。在池A中,体积较小的固体残渣随污水流入池B和池C中发酵分解,然后进人池D再次沉淀，最后排28t人市政污水管网。现场调研发现,池A中几乎看不照到污水，上层全部是漂浮的固体残渣层(厚度约为25400 mm);池B、池C中漂浮较少的固体残渣,以污24水为主,池C相对池B则固体残渣更少;池D中的污水比池B、池C更显得清澈,表面几乎无固体残渣测试时刻存在。池D中的污水除了酸碱度指标外,其水质已中国煤化工规律基本满足换热设备的要求,污水热泵系统可从池DFig.3 HourlyCemical tank中直接或间接提取冷热能。将A、B、CCN M H G室外的日平.89●第26卷第5期中国给水排水www. watergasheat. com均气温进行对比,结果如图4所示。可知,污水温度变化幅度明显比逐时变化幅度小,7月一10月的污全年的波动明显小于室外气温的,污水温度相对稳水排量相对较大,1月一3月的污水排量现对较小。定。由于气温日变化大,其日平均温度与污水日平可见,该污水流量特征对采用污水源热泵系统的夏均温度的差异小于各测试时刻二者的瞬时差值。如季制冷有利,而对冬季供暖则不利。果按照热泵系统开启运行的时间进行比较,污水作3 500为低温热源相对空气来说,其冬暖夏凉的特性将更。30002 2500加明显。百2000常150032员100024-500-23456789101112警1月份一日平均水温W图6生活小区污水排量逐 月变化-日平均气温Fig. 6 Monthly discharge volume of sewage巴巴巴巴巴巴巴巴巴巴巴田2生活小区污水冷热能利用四四四四四四四四2.1污水可利用冷热能0m寸n口r∞°ε三≌i期国内外所报道的污水热泵系统采用的污水换热温度多为5 C,夏季污水经热泵后温度升高约5 C,图4生化池 内污水平均温度逐月变化冬季则降低约5C,这样的温度变化对污水处理工Fig.4 Monthly temperature of sewage in biochemical tank艺的影响较小，对菌类活性的影响可以忽略。结合1.3 流量特性通常认为污水流量可按照给水量的90%计算。国内外大多数污水热泵机组的性能参数,制冷工况笔者所调研的小区,6层以上住户的生活给水均采下机组的性能系数可取为5.0,供热工况下机组的用二次加压方式,二次水箱设置在32层屋顶，流量性能系数可取为4.0,则夏季和冬季污水可利用的采用超声波流量计在二次水箱给水出口测试得到。冷热量分别为:Q.=K,C. G、.△T(1)图5是该小区冬季(2007年1月8日)的给水流量QR=K.C . Gj. OT(2)时变化情况。可知污水流量的时变化较大,峰值分式中QQn-分别为污水可利用的冷量和热别出现在12时、18时、0时以及9时,15时一16时、量,kW3时一4时、10时一11时则是排水量的低谷。G、Gj-分别为夏季和冬季的污水流量,m'/h-夏季冷量修正系数,为0.222K.-冬 季热量修正系数,为0. 347C一污水 比热容,取水的比热容为4.187kJ/(kg. K)AT一污水换热前 、后的温差,可取5 C由于污水流量的逐时波动性,污水可利用冷热时刻能同样也具有时间峰谷特性。建筑冷热负荷的需求图5生活小区 污水排量的时变化规律随着室外气象参数的变化是逐时变化的,但污水可Fig. 5 Hourly discharge volume of sewage利用冷热能的峰谷特性与建筑实际冷热负荷需求的生活小区污水排量短期内基本稳定,但气候的逐时变化特性并不一定吻合DI调研的小区为例,变化会造成居民用水量的变化,调研小区全年污水按式(1)计算的中国煤化工小区建筑冷排量的逐月变化情况见图6。可知,污水排量逐月负荷需求匹配MHCNM HG. 90.www. watergasheat. com林真国,等:污水热泵在城市生活小区的应用第26卷第5期800系统。从物业配套用房面积及使用功能分析可知，口建筑冷负荷700■污水可利用冷量小区污水生化池内的可利用冷热量能够满足物业配套用房的冷热负荷需求。在污水排量较大的小区,首500尚可利用部分污水冷热量为小区配套的会所、超市面400痃.300提供空调及生活热水的冷热量。归200生活小区污水热泵应用系统见图8。在该系统10中,污水热泵机组冷热源侧(污水侧)和负荷侧(空调设备及卫生热水侧)各形成一个独立的闭式环时刻路,分别设置膨胀水箱1和膨胀水箱2对系统进行定压和容纳管路中水容积的变化,同时也可对系统图7 污水可利用冷量与建筑冷负荷的对比Fig. 7 Comparison between sewage cooling capacity and进行排气。building cooling load，抛管换热器污水所能提供的冷量仅为建筑实际所需冷负荷的2. 0% ~5. 0% ,污水最大可利用冷量出现在晚上9 :00,而建筑最大冷负荷出现在下午4:00,二者在时间上存在滞后。在数量上生活小区污水所能提供床蔡A空调末端的冷量只能满足少部分用户的供冷供热需求,这是-接自来水补水因为所调研的小区规模较小(总建筑面积为32 000m2),常住人口数量少,污水排量相对较小。因此，生活小区污水热泵系统在实际应用中需要结合常规的能源方式,构建复合式的冷热供应系统,以解决生图8 生活小区污水热泵应用系统活小区污水可利用冷热能和生活小区建筑冷热负荷Fig.8 Sewage source heat pump system applied in需求在时间和数量上不匹配的矛盾,采取自动切换urban residential area的方式提高能源综合利用效率。夏季正常制冷工况下,阀门V1、V2打开,V3、2.2污水热泵应 用模式V4、V5均关闭。水泵A推动高温的冷却水从污水生活小区污水冷热能通常采用热泵方式加以利热泵机组出口1流出，串联流经污水生化池内的各用。由于受小区生化池水质的限制,其不适宜直接抛管换热器,温度降低后由点2循环进人污水热泵进人热泵机组或者换热器设备,利用过滤器对污水机组,从而将冷凝热释放给生化池内的污水,由于污进行处理需要一定的占地且容易产生臭气,因此采水的流动性,该冷凝热最终排向市政污水管网;而在用抛管换热器的方式对污水冷热能加以间接利用是负荷侧冷冻回水则在水泵B的推动下自点3进入最好的选择,将换热器设置在生化池内与污水进行污水热泵机组,被机组吸热降温后冷冻供水从点4换热。换热器材质可选用目前常用的PE塑料管,流出供给各空调末端设备。制冷过程由于污水生化根据热泵机组流量管径通常选用DN20~DN32。池内温度较室外空气温度低,污水热泵机组冷凝温分析表明,生活小区污水可利用冷热能占小区度较常规的风冷和冷却塔系统可低5~10 C。根据建筑总冷热负荷的2.0%~5.0%,显然不能将生化蒸汽压缩式制冷循环效率的分析,冷凝温度每降低池内的污水冷热能大量地应用到小区居住建筑内，1 C,机组制冷效率可提高3%左右。因此,污水热但应用到小区配套的物业建筑内却具有较好的可行泵机组夏季制冷工况可实现15% ~ 30%能效的提性。根据物业管理的相关条例，居住小区物业配套高,进而实现节能。用房面积一般为小区总建筑面积的0.3%~0.5%，当污水可利用冷量不足以提供制冷系统冷却需包括物业管理办公室、业主委员会办公室、保安监控求时,污水热泵机织冷却k进口水沮2处温度升高,中国煤化工室及宿舍等配套设施。该部分用房需要设置空调制超过机组设定THCNMH(阀门V1、V2冷及采暖系统,对配套宿舍还需设置卫生热水供应及V5,同时打CNMHP热泵制冷系.91●第26卷第5期中国给水排水www. watergasheat. com统切换到常规的冷却塔制冷系统，进而实现该系统生活小区污水热泵系统在实际应用中需要结合常规对建筑冷负荷的更大适应性。但需要适当增加冷却的能源方式,构建复合式的冷热供应系统,以解决污塔备用系统的投资。水可利用冷热能和建筑冷热负荷需求在时间和数量冬季供热情况下,各水环路的流动过程与夏季上不匹配的矛盾,提高能源综合利用效率,使生活小相同,污水热泵机组可自动实现制冷剂环路的换向，区污水热泵系统满足节能和可靠性的双重要求。制热工况下水泵A推动水从污水生化池内吸热,而水泵B所在的负荷侧可得到40~45C的高温热参考文献:水。由于污水温度的冬暖夏凉特性,污水热泵机组[1]吕鉴,冯彦刚.城市污水低位热能回收利用的研究在冬季制热工况下仍然可以获得较高的能效。[J].工业用水与废水,2002 ,33(1):10-12.除此以外,通过回收制冷过程的冷凝热或者运[2] 林真国,张素云,伍培.重庆市城市污水冷热资源利用行单独的制热循环,污水热泵机组同时还可以提供的可行性探讨[J].科学咨询,2009 ,(5):13.50~60 C的卫生热水。水泵C的运行受卫生热水[3]李亚峰,陈平.利用热泵技术回收城市污水中的热能箱内温度传感器的控制,同时连锁污水热泵机组运[J].可再生能源,2002,(6):23 -24.行;温度低于设定值(如50 C)的热水从点5进人4]尹军, 王宏哲,韦新东.未处理城市污水热能回收方式机组,吸收冷凝热后温度升高,从点6流出机组,自综述[J].中国资源综合利用,2003,( 10) :20 -26.点8进入水箱,维持水箱内温度范围恒定;水泵D5]马最良,姚杨,赵丽莹.污水源热泵系统的应用前景[J].中国给水排水,2003 ,19(7):41 -43.推动卫生热水向各淋浴末端供水,回水循环流回热6] Funamizu N,Lida M, Sakakura T,et al. 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