污水源热泵空调系统在污水处理厂的应用

暖通空调HV&AC 2005 年第35卷第1期工程实例污水源热泵空调系统在污水处理厂的应用国中爱华(天津)市政环境工程有限公司周文忠*摘要该项目以二级出水作为污水源 热泵系统的热源/热汇。介绍了系统流程、水源侧系统、用户侧系统及系统的控制等。对该方案与电制冷加燃油锅炉方案的经济性进行了比较，结果显示该方案的初投资比后者低6%左右;运行费用夏季基本相当,冬季大约低67%。关键词污水源热泵 污水处理BOT 经 济性Application of sewage source heat pumpsystems to a sewage treatment plantBy Zhou Wenzhong*Abstract The project adopts the secondary effluent as the heat source/ sink of the heat pump system.Presents the system flow process, the systems in water source and user sides, and the system control.Compares this system with the electric refrigeration plus oi-fired boiler scheme in economics. The resultsshow that the initial cost of the project is less than the second scheme by 6% ; the operating expense is aboutequal in summer and is less by 67% in winter.Keywords sewage source heat pump, sewage treatment, build-operate-transfer( BOT), economics★InterChina Aihua Municipal & Environmental Engineering Co.，Ltd. ，Tianjin, China污水源热泵系统利用污水中的能量,以污水作的企业来投资、建设、运营维护等。特许权期限为热源/热汇,通过热泵机组将低品位水中难以直内,项目公司向用户收取费用,来抵偿投资和经接利用的能源提取出来，供冬季供暖夏季制冷使营成本,并获得合理回报,政府则拥有对项目的用。按照其使用的污水的处理状态可分为以未处监督权、调控权。特许期满,项目公司把基础设理过的污水作为热源/热汇和以二级出水或中水作施无偿移交给政府。为热源/热汇的污水源热泵系统。本项目中应用的本BOT项目运营期为20年,与- -般工程项目是以二级出水为热源/热汇的污水源热泵系统。不同,BOT项目更要综合考虑初投资和运行费用, .1工程概况既要节约初投资,又要考虑以后运行费用的节约。本工程为秦皇岛海港区污水处理厂,平均日处1.2水源情况理水量为12万t,污水处理达到二级排放标准。本本项目利用污水中的冷热能,采用二级出水(接工程采用国际上市政基础设施建设较常用的BOT触池水)的温差作为输人能供集中空调系统使用。( build-operate transfer)模式。二级出水量约为5 000 t/h,有足够的温差能供机组1.1 市政基础设施BOT模式简介BOT模式,即建设-运营-移交,是城市市政白周文忠,男,1973年3月生,工学硕士,工程师公用事业特许经营制度的一种典型形式。政府3000中国煤化工龙大厦北楼4层通过签订特许权协议,将应由政府投资经营的市政公用基础设施如城市供水、污水处理、集中供收稿日期一次修回:2003-10- 29.MHCNMHG热燃气、垃圾处理等设施,授予通过招投标选中二次修回:2004-11-25●84●工程实例暖通空调HV&AC 2005 年第35卷第1期提取利用。二级出水水质:悬浮物30 mg/L,5日生a)二级出水冬季温度较低，再经过一次换热化耗氧量30 mg/L,铬测定化学耗氧量60 mg/L,氨会使水温进一步降低,这样就有可能不满足水源热氮25 mg/L,总磷1 mg/L,冬季水温不低于10 C，泵机组的进水温度要求,而造成蒸发器冻结;其他季节可达25 C左右。b)经过对二级出水水质的分析,二级出水经.1.3 冷/热负荷过处理进人板式换热器是完全可以的。本工程中秦皇岛地区集中供暖期152天,供暖期室外设在潜水泵的四周(抽水区域)加设40目的过滤框架计温度---12C。厂内建筑物面积总计3038.78m',网,对悬浮物进行第一-次过滤,在进入机组前又进供热面积2 698. 42 m2 ,供冷面积1604. 23 m2。供行了60目过滤,这样完全能保证机组不受悬浮物热总负荷约为337.8 kW,供冷总负荷约为260. 6的影响,安全有效地运行。kW,具体负荷分布见表1。供冷主要集中在厂前区2.1制冷 机组选型的生活办公用房和生产区的部分值班操作室仪表配根据冷热负荷及工程需要,本工程选用3台半电间等有较高要求的地点,采用风机盘管系统。生封闭螺杆式水源热泵机组，单台额定制冷量为产性厂房车间只考虑散热器供暖,供暖温度按防冻141 kW,制热量为161 kW,电机功率为30.1 kW。温度(t=5 C)考虑。该机组采用高性能半封闭螺杆压缩机和不锈钢钎发1 污水处理厂冷热负荷焊板式换热器等优化设计,并采用模块化设计,机建筑面积供暖面积供冷面积热负荷冷负荷组体积小,结构紧凑,并可方便地增加容量。3台/m?/m2/kW /kW综合楼1085 1 0851085 173.9 175.6机组分为母机和子机，它们既可联动,又可独立运机械间、车395.28 112.3220转。机组能够实现远程监控,并具有多种保护措库.仓库32. 3132. 3132.31 11.7 7.1施;能够均衡3台机组的运行时间,保证运行时间传达室细格栅及旋14213512. 15相同,均衡磨损，延长寿命;并具有记忆功能,能记流沉砂池忆最近50次故障。加药间及氯141.84 141. 8412.762.2水 源侧系统污泥浓缩脱44769.12 40.23 11. 06水源水是影响水源热泵机组制冷制热性能的水机房鼓风机房28857. 625.92 9. 22主要因素,水源的水质不但影响换热效率,还影响空调站.123.75123. 752711.144. 32机组{等设备的使用寿命。变配电室383. 633.2333.2 29. 9953. 31总计3038.78 2698.42 1 604.23 337.79 260. 612.2.1 水源水泵2污水源热泵空调 系统根据系统要求,水源侧循环水量夏季约为利用二级出水为热源/热汇的污水源热泵系统60 m3 /h,冬季约为50 m*/h,二级出水水量完全能流程如图1所示。根据本工程实际情况,系统采用够满足要求。根据工程实际,本工程选择了2台清蒸发器.水潜水泵作为水源水泵,技术参数见表2。热/冷循环T5C2?压缩机表2水源水泵技术参数转向阀↑7C型号流量/扬程功率转速/电源自动自清洗过糖器|主电动机(m2/h)__ /m_/kW_ (r/min)r2512C|_SP46-4507.5 2900 3X380 V/50 Hz电子水处理冷凝器热/冷水空因为水源水泵置于接触池二级出水中,所以本_30C循环泵工程选择的是潜水泵;又因为二级出水水质较好，潜水泵七司集水器分水器所以本工程没有选用潜污泵,而是选择清水潜水接触池泵。但为了防止二级出水中较大的悬浮物进人并堵塞水源水泵的吸人口,在泵的吸人口周围设置團1以二级出水为热源/热汇的污水源热泵系流程图(制冷循环)40中国煤化工泵后面的管道上安的是二级出水直接进人水源热泵机组冷凝器,而不MHCNMHG水处理仪。是再经过换热器换热的形式。这主要是基于以下2.L.c口切口1月vu过vo低两点考虑:选用流量为100 m3 /h,过滤精度为0. 23 mm .暖通空调HV&AC 2005 年第35卷第1期工程实例●85●(60目),型号为ZG100-L的自动自清洗过滤器10.01~0.02MPa。正常运行时和反冲洗时所需的台。壳体为碳钢,过滤元件、轴、排污管、手动排污压力差别较大。故此在水源侧系统上设置了一个阀为不锈钢,壳体内外壁涂防水防锈漆,涂层厚度调压阀,以满足反冲洗时的压力要求。为0.4mm。工作原理如图2所示。3.3机组和其他设备根据负荷变化和循环水量的变化，机组和水泵等设备进行质调节和台数调节。设备可以单独操作也可以自动地按顺序打开或关闭。3.4中央控制室M在中央控制室对污水源热泵空调系统进行远程监测,实时反映各台机组的水源水进出口温度、P循环水进出口温度等的变化情况。机房内可实现无人值守,只要定期巡检即可。圈2自动 自清洗过滤器4技术经济分析工作原理示意图因为本工程完全按照市政公用设施BOT项自动自清洗过滤器具有自动反冲洗、连续供水目方式运作,所以工程投资方对工程的初投资和运等功能，还具有精度高、过滤面积大、可靠性高、运行费用更为关心。下面对本工程采用污水源热泵行安全等特点。系统和采用常规的电制冷冷水机组加燃油锅炉方2.2.3电子水处理仪选用DC- 25型电子水处理仪1台,置于自动案的初投资和运行费用进行技术经济比较。自清洗过滤器后,用于水源水的处理。本工程热泵4.1 初投资比较因为污水源热泵空调系统的用户侧系统与常系统的水源水为污水处理的二级出水,含有极少量规空调系统相同,所以仅比较机房部分的初投资,的污染物、藻类、细菌和酸碱离子残余,采用电子水见表4,5。处理仪能起到一定的防垢、除垢、杀菌灭藻和缓蚀表4污水源热泵空调 系统初投资(机房部分)作用。设备名称型号单位数量单价总价2.3 用户侧系统/万元用户侧系统同常规空调系统基本相同,设有水源热泵RHSBW140HM台3 i54机组冷/热水循环泵、集水器、分水器、定压补水装置及冷/热水循CR64-10.30.6空调末端设备。夏季供回水温度为7 C/12 C,冬环泵水源水泵SP46-40.5季为50 C/40 C.自动自清洗ZG100-13.6本工程选用了2台立式管道泵作为冷/热水循过滤器附属设备套16.3686.368环泵,具体参数见表3。材料费7. 98表3冷/热水循环泵参数安装调试费6.9型号流量/扬程功率转速/电源合计80.468_(m2/h)_ /m__ /kW_ (r/min)表5电制冷冷水机组加锅炉方案CR64-1。5023.55 5.5 二2900 3X 380 V/50 Hz初投资估算(机房部分)3系统控制1万元 /万元3.1 冷热水系统冷水机组KLSW - 040S通过水路上阀门的切换来实现污水源热泵系燃油锅炉DSJ30统冷热工况的转换,同一般的水源热泵机组冷热水冷水泵CR64-1.台20.310.62冷却水泵SP46-系统的控制方法相同,这里就不再详述。冷却塔中国煤化工53.2水源侧 系统.3686.368MHCNMHG8.5因为自动自清洗过滤器所需的反冲洗压力不7.5低于0.2 MPa,而其在正常运行时的压力损失只有-合计85. 108●86●工程实例暖通空调HV&AC 2005 年第35卷第1期4.2运行费用比较表7空调 系统运行费用比较元由于上面提到的原因,也仅对机房部分的运行污水源热泵方案冷水机组加锅炉方案一37 82437 968费用进行比较。因为空调系统的运行费用在很大冬季117 60023 820(电)+ 353 160(柴油)程度上反映在能量消耗上,所以本文对由于能量消=376 980耗而产生的运行费用进行比较。从上面的技术经济分析可以看出,采用污水源4.2.1空调 系统能量消耗比较(见表6)热泵空调系统的初投资比电制冷冷水机组加燃油表6空调 系统能量消耗比较锅炉方案大约低6%;夏季运行费用基本相当,冬污水源热泵方案/kW__冷 水机组加锅炉方案/kW季运行费用则节约大约67%，每年运行费用总体夏季水源热泵机组30.1X2 冷水机组30.0X2冷/热水循环泵7.5X1冷水泵7.5X1节约约60%。水源水泵5.5X1冷却水泵.当然,初投资和运行费用的节约还受到以下膨胀罐补水泵2.0X2膨胀罐补水泵2.0X2因素的影响，如设备的选择、电价和油价等。因自动自清洗过1.5X1电子水处理仪0.1X1为污水处理厂一般处于城市的边缘地区,周围建滤器电子水处理仪0.1X1筑物较少,目前该污水源热泵项目供热供冷的范合计78.879. 1围还仅限于厂区内的建筑物,项目规模较小,与冬季水源热泵机组39.7X2燃油锅炉0. 75X1(柴油32.7 kg/h)污水中含有的巨大能量相比还不成比例,大有潜5. 5X1可挖。当项目规模较大时,还需对其技术经济冷却水泵性进行具体分析。5结语采用污水源热泵空调系统既可实现夏季供冷，98.019. 85(柴油32.7 kg/h)又可实现冬季供热,而不用设置锅炉房和冷却塔,4.2.2运行费用比较减少了对环境的污染,并节省了设备的初投资和运在秦皇岛地区,夏季供冷大约120天,每天运行费用。污水处理厂有充足的水源，以污水(或二行约10 h;冬季供暖约150天,每天运行约20 h。级出水和中水)作为水源热泵的热源/热汇,可以充按每kWh电0.4元、每kg柴油3.6元计算运行费分利用污水中的低品位冷热能，既节能环保,又经用,结果见表7。济可行,值得在城市污水处理厂推广使用。公公的的公公公分公公(上接第119页)b)传热传质过程的驱动力在除湿器内部并不deicant film with air in crossflow. J of Heat Transfer,是均匀分布的，而是不可避免地在溶液与空气的进1996, 118(3) :634- 641口交界点存在最大值。4 AliA, Vafai K, Khaled A R A. Analysis of heat andc)叉流除湿过程的传质驱动势不能采用对数mass transfer between air and falling film in a cross flow平均湿差,而应采用积分平均湿差进行计算。configuration. International J of Heat and Mass参考文献Transfer, 2004, 47(4):743 - 7551Zografos A I, Petroff C. A liquid desiccant dehumidifier5 Dai Y J, Zhang H F. Numerical simulation andperformance model. In: ASHRAE Trans. 1991, 97theoretical analysis of heat and mass transfer in a cross(1).650 - 656flow liquid desiccant air dehumidifier packed with2 Park M, HowellJ R, Vliet G C, et al. Numerical andhoneycomb paper. Energy Conversion & Management,experimental results for coupled heat and mass- transfer2004, 45(9- 10):1343- 1356between a desiccant film and air in cross flow.6 Stevens D I. An effectiveness model of liquid- desiccantInternational J of Heat and Mass Transfer, 1994，37中国煤化工Solar Energy, 1989, 42(Suppl1): 395 - 402CNMHG3 Park M, HowellJ R, Vliet G C. Correlations for film 7 刘晓华 ,张岩，张伟荣,等落液除湿过程热质交换规律regeneration and air dehumidification for a falling分析.暖通空调，2005,35(1).110-114