污水源热泵技术及其应用

实用技术RENEWABLE ENENG) No 5 2006(129 Issue in A/p污水源热泵技术及其应用李洪,曲云霞(山东建筑大学热能工程学院,山东济南250101)摘要:介绍了污水源热泵的特点。通过对空气源热泵、地源热泵和污水源热泵等不同采暖系统的经济性和环保效果分析显示,污水源热泵系统的初投资为地源热泵的70%左右。综合考虑初投资和运行费用等因素,污水源热泵系统的经济效果和环保效果最为显著。关键词:污水源热泵;节能;环保中图分类号:TEO8文献标志码:B文章编号:1671-5292(2006)05-0090-03Technology and application on sewage-source heat pumpsLI Hong, QU Yun-xiaShandong University of Architecture and Engineering, Jinan 250101, China)Abstract: The paper introduces the features of sewage-source heat pumps and sewage dischargeamount in china. There are a few examples about the sewage-source heat pump with the buildingsheating in Shandong University of Architecture and Engineering as example, the author analyzes thesystem economics with different types of heating, such as air-source heat pumps, ground-source heatpumps and sewage-source heat pumps and so on. The results show that advantages of sewage-sourceheat pump systems are remarkable in energy-saving, economic and environment protectionKey words: sewage-source heat pump; economics; environment protection0引言我国的污水源热泵应用目前还刚刚起步。北城市污水中所赋存的热能是一种可回收和利京高碑店污水处理厂、北京北小河污水处理厂、河用的清洁能源,弃之为废,用之为宝。因此,在对城北秦皇岛污水处理厂和哈尔滨马家沟截流渠污水市污水进行处理的同时利用其中的热能,是城市项目等分别在这方面进行了有益的尝试,且运行污水资源化利用的有效途径。效果良好。但目前应用的供热供冷面积较小,与污污水处理厂的岀水量大,水质稳定,常年温度水中含有的巨大能量相比不成比例,污水源热能在13-25℃,污水源热泵是以污水作为热源进行利用是大有潜力的2。制冷、制热循环的一种空调裝置。污水源热泵具有本文以山东建筑大学某教学楼为例,分别采热量输岀稳定,COP值高,换热效果好,杋组结构用空气源热泵、地源热泵和污水源热泵3种不同紧凑等优点。的供暖方式,充分验证污水源热泵系统的经济性1污水源热泵技术的应用和环保特性。对于城市污水中低位能源的开发利用,前苏联方案一采用污水水源热泵系统。本方案可以和北欧等区域供热较发达的国家对此方面的研究比充分利用学校的中水系统,利用中水管线将水输较活跃。由于能源危机及环境问题的日益突岀,美送到用户处,采用半集中式系统进行供热该系统国、日本、德国等发达国家都纷纷投入大量的财力和工程建设期短,运行稳定,工作性能较好,操作简人力进行此项研究,并取得了一定的发展。单,无须设专人管理。但是该技术目前在我国还未收稿日期:2005-11-14。可再生能源2006.5(总第129期)实用技术成熟。在冬季循环中,换热器1作为冷凝器,工方案二采用燃气/空气源热泵系统。本方案系作系统中的循环工质经压缩机压缩后,变成高统简单,初投资较低,其主要缺点是在夏季高温和温高压的热蒸气,流经换热器1与循环水进行冬季寒冷天气时,热泵的效率大大降低。系统制热热交换,放出热量为用户提供热水供热;同时量随室外空气温度降低而减少,这与建筑热负荷热蒸气冷凝成为液态工质,经膨胀阀的降压节需求趋势正好相反。此外,在供热工况下空气源热流转变为低温低压的液态工质,经换热器2与泵的蒸发器上会结霜,需要定期除霜中水进行热交换;工质吸收污水中的热量后温方案三采用地源热泵系统。该系统大大提高度升高,蒸发为低温低压的气态工质,被吸入了一次能源的利用率,具有高效节能的优点③。迄压缩机进行压缩。至此,工质进行下一个工作今为止,制约该系统在我国应用的主要障碍是地循环。通过这样的循环过程,工作系统可以将下埋管的初投资较高,政府、建筑设计人员和公众污水中的低位热能转化为可以直接利用的高对这一技术还缺乏了解。品位热能。该工程空调面积约1000m2,在各方案的比在夏季循环中,利用四通阀和单向阀的换较过程中,取济南市的暑期为φod,供热期为向作用,循环工质在工作系统中的流向恰好与120d冬季相反,故换热器2作为冷凝器,换热器1作1.1各方案的耗能情况为蒸发器。工质经过类似冬季的循环过程后,吸耗能是指系统为设计负荷提供能量时所消耗收室内的热量,然后释放到污水中,从而达到制的外界能量(如电能、天然气等)。该工程中,各方冷的目的。案的耗能情况以平均单位负荷耗能量为计量单方案二采用上海某厂家生产的SA-30CDH位,计算公式为型双机风冷热泵机组,其制冷性能系数为2.56,供热性能系数为2.96。q(Q+Qa)/W方案三采用竖井埋管和水/水热泵机组系统,式中:q—单位负荷耗能量,kJ丿kW埋管总长为1600m。夏季制冷耗能量,kJ;各方案耗能情况统计如下表1所示。Q—冬季供热耗能量,kJ;表13种方案的耗能情况表W——年累积工作负荷量,kW。方案类别方案一中,与污水直接接触的换热器采用沉能源种类污水源热燃气和空地源热浸式换热器,另一换热器则采用常用的壳管式换泵系统气源热泵泵系统热器,其工作原理如图1所示。年耗能量/×10kJ36847360.1041985热泵机组31283循环水泵314579.83换热鉴1天然气耗量/m3h10.1411.2各种系统主要设备的初投资初投资是指技术方案中各部分设备的初压缩机丫四迫阂投资之和,主要包括:土建费、设备购置费、安装费及其它费用等。以单位负荷能力的投资量计算M田实用技术RENEWABLE ENENG) No 5 2006(129 Issue in A/p树立新能源安全观确保合理能源价格国家主席胡锦涛在俄罗斯圣彼得堡举行的八国全,我们应该树立和落实互利合作、多元发展、协同集团同发展中国家领导人对话会议上,就全球能源保障的新能源安全观。一是要加强能源开发利用的安全问题着重作了阐述。互利合作。确保稳定的可持续的国际能源供应及合胡锦涛强调,全球能源安全关系各国的经济命理的国际能源价格。二是要形成先进能源技术的研脉和民生大计,对维护世界和平稳定、促进各国共发推广体系。探讨建立清洁、安全、经济、可靠的世同发展至关重要。每个国家都有充分利用能源资源界未来能源供应体系。三是要维护能源安全稳定的促进自身发展的权利,绝大多数国家都不可能离开良好政治环境。共同维护产油地区的稳定保国际合作而获得能源安全保障。为保障全球能源安际能源通道安全(摘自人民网各系统主要设备初投资量见表2减少CO2的排放量13%,减少NO、排放量13%。表23种方案的初投资比较2结论初投资费用/元·kW①驱动能源的消耗方面,燃气和空气源热泵设备名称污水源热燃气和空地源热系统耗能最少,污水源热泵系统与地源热泵系统气源热泵泵系统则较高,但考虑其综合经济效益,当功率低于250竖井费用热泵系统91333993443262kW时,电动热泵比燃气热泵的效益好。竖井及土壤热交换器1028.57②假定电力增容费、燃气增容费不计算在换热器256.82系统初投资内,污水源热泵的初投资为循环水泵1183.81元八kW,燃气和空气源热泵的最少,仅电力增容费2593625936为522.2元八W,而地源热泵系统的最多,达到天然气增容费1349.99合计不计增容费1183.811640.93元八kW。由此可见,地源热泵系统的初522.201640.93计入增容费1443.11872.191900投资是燃气和空气源热泵系统的3倍多,而污水源热泵系统的初投资仅为地源热泵系统的1.3运行费用比较70%左右。根据日本某公司对不同供冷(供热)方式的经③如果将两项增容费计入初投资,污水源热济分析结果,污水源热泵系统与传统的制冷加锅泵系统为144.17元W,是3种方案中最低的,炉系统相比,可节约40%的运行费用,比空气源仅为另外两种方案的76%左右。热泵系统节约30%2本文综合考虑初投资、运行费用等因素,可以根据北京高碑店污水处理厂的污水源热泵系看岀,污水源热泵系统方案的经济效果、环保特性统试验工程测得的数据,与燃气和空气源热泵系最为显著,其次是地源热泵系统方案而燃气和空统、地下水水源热泵系统相比污水源热泵系统的气源系统方案的总费用最高运行费用最少,在投资有效期(取20a)内,污水源热泵系统的总运行费用大约是地下水水源热泵参考文献系统的70%左右,是燃气和空气源热泵系统运行1冯刚城市污水资源化的研究北京:北京工业大费用的45%左右。学.2001据有关资料显示,污水源热泵系统与地源热建兴,光备污水源热系统和污水冷热泵系统的运行费用都仅为普通中央空调系统的3徐伟地源热泵工程技术指南M北京:中国建筑工业50%-60%叫。出版社,20011.4排入环境的CO2和NO量41王荣光,沈天行,可再生能源利用与建筑节能M北据文献⑤5介绍,与传统空调方式相比,污水源京:机械工业出版社.2004热泵集中空调系统,可减少CO2的排放量40%~151蒋能照空调用热泵技术及应用M北京:机械工业出