污水源热泵系统污水水质与换热器材质的选择

第25卷第4期可再生能源Vol.25 No.42007年8月Renewable Energy ResourcesAug. 2007污水源热泵系统污水水质与换热器材质的选择曲云霞，李梅，杨勇，张秀德(山东建筑大学热能学院，山东济南250101)摘要:讨论了污水源热泵系统污水水质的分类,提出了采用中水的污水源热泵系统的水质标准及处理方法,分析了各种污水换热器的特点及适用条件。在非金属类材料中,从经济性能、传热性能等方面综合分析,建议采用HDPE管和PE-X管作为污水换热器管材。关键词:污水源热泵;水质标准;污水换热器; HDPE管中图分类号: Tk11; X703文献标志码: B文章编号: 1671-5292(2007)04 -0072-04Sewage quality standard for sewage source heat pump system andmaterial selection for sewage heat exchangerQU Yun- xia, LI Mei, YANG Yong, ZHANG Xiu-de(The School of Thermal Engineering, Shandong Jianzhu University , Jinan 250101, China)Abstract: The paper discusses the lassification of city sewage quality, proposes water qualitystandard of reclaimed water and sewage treatment applied to sewage source heat pump systems,analyses the characteristics and applying condition of varied sewage heat exchangers. Among vari-ous kind of nonmatallic pipe materials, comprehensive analysis shows that HDPE (high densitypolyethylene) and polyethylene Xcon joint (PE-X) pipe material are applicable for sewage heatexchanger in the view of economy and thermal conductivity of pipe material.Key words: sewage source heat pump; water quality standard; sewage heat exchanger; HDPE pipe0前言于污水的温度。经过处理后的城市污水的水温,常近年来随着国民生产的发展,城市污水排放年在一定的范围内变化，如济南市某污水处理厂量逐年增加。以山东省为例,2004年全省总污水经二级处理后的污水冬季水温在13~16C，夏季排放量为28亿t,其中生活污水总排放量为14.1水温在22~26 C。一般情况下,北方地区冬季污水亿t,工业污水排放量为13.9亿t。城市污水的处水温平均高出周围环境温度20C以上,夏季污水理量在某种程度上标志着城市污水热能的贮存水温要平均低于环境温度十几摄氏度。利用污水量",因为在城市污水中,生活中所消耗能源中有与环境的温差获取热能具有十分巨大的能量资源接近一半的能量通过各种途径被排放到城市污前景。水中心。从以上数据可以看出城市污水热能有巨利用污水源热泵系统对建筑物供冷或供热,大资源潜力。充分利用了城市污水中的废热，减少了对高位能城市污水的热能利用有多种方式，但最有效源的消耗,不仅节约了能源,而且减少了环境污染的利用方式就是利用污水热泵，即夏季将建筑物和水资源的消耗;此外由于污水源热泵机组工作内多余热量通过热泵机组释放到城市污水中,冬效率高,机房占地面积小,大大降低了运行费用和.季将城市污水的热量提取出来通过热泵机组释放初投资费用。因此污水作为可再生能源用于建筑到建筑物内。城市污水热能的资源潜力主要取决物的窄“认可，而且在国中国煤化工收稿日期: 2007-01-17。THCNMHG作者简介:曲云霞(1965-),女 ,工学博士,教授,主要研究方向为热泵机组仿真及应用技术研究。E-mail:qyxia@jne.cm.72.曲云霞,等污水源热泵系统污水水质与换热器材质的选择内的应用逐渐增多。污水源热泵系统虽然有许多的目的;冬季通过蒸发器吸取污水中热量,达到供优点,但由于污水的特殊性,容易造成热泵工作条热的目的。件恶劣，尤其是热泵中的换热器所处的工作条件在污水源热泵系统中，根据热泵机组换热器更为恶劣。当污水流经换热器时,由于污水成分很是否直接与污水接触，污水源热泵系统可分为直复杂,会造成换热器表面结垢、阻塞甚至是腐蚀的接式污水源热泵系统(图1)和间接式污水源热泵现象。由于这些现象的存在,使得换热器的传热效系统(图2)。直接式污水源热泵系统热泵机组内率降低,流体的流动阻力加大,降低换热器的使用的换热器与污水直接接触，虽然系统设备初投资寿命,有时甚至使换热器无法工作。由此可见,污低,但机组换热器极易腐蚀和堵塞,在国内还未见水的水质对系统特性影响较大。此外污水中各种应用。间接式污水源热泵系统通过污水换热器回有害成分对换热器材质的腐蚀影响也无现成资料收污水中的热能,污水不进人热泵机组,避免了污可循。这些都给污水换热器的研究造成很大困难。水对机组的腐蚀和堵塞,虽然投资增加,但系统设针对不同的污水水质,该采取什么系统形式,采取备运行可靠,该方式在国内应用较广。本文主要以什么材料及形式的换热器，使其在污水中仍具有间接式污水源热泵系统的污水换热器为研究对很好的传热性能，这些问题是污水源热泵系统设计的难点,也是本文研究的重点。来自空调用户去空调用户1污水的水质分类热泵机组根据所使用污水来源不同，污水可分为原生污水和来自污水处理厂的中水(也称再生水)。原生污水就是未经任何处理的城市污水，它广泛存污水泵在于城市的污水管道中。它的主要优点是污水温度比较接近于排放点的温度,所赋存的热能多,缺污水管道点是污水水量不稳定，水质中所包含的大尺度的污染物比较多,各种微生物及化学成分比较复杂,图1直接式污水源热泵系统Fig.1 The direct system of sewage source heat pump水质恶劣。城市原生污水经过城市排水管网输送到污水| 来自空调用户处理厂后，一般先经过简单的过滤和沉淀等物理处理,此时的出水称为--级出水。经过一级处理后的污水再经活性污泥法等深度处理后,进行集中排放,此时的污水称为二级出水。多数的污水处理污水换热器厂排放的污水均为二级出水。因此本文中所指的中水均指二级出水。如果对二级出水有某些特殊000000需求,可由污水回用用户单独进行处理。由于二级出水的微生物、杂质、化学成分等都得到净化,外图2间接式污水源热泵系统观已与清水差别不大。二级出的主要优点是水量Fig.2 The indirect system of sewage source heat pump大而且集中,与原生污水比较,其结垢和腐蚀的可城市原生污水成分复杂，杂质含量多,考虑到能性大大降低。二级出水缺点是污水温度下降,在.污水换热:器的腐蚀结垢等多方面的因素,以采用冬季正常情况下,下降1~2 C。在污水源热泵系统耐腐蚀、寿命长的塑料类污水换热器为佳。对于采中，由于主要利用的只是其温差5 C左右的显热用二级出水或再生水的污水源热泵系统，可根据热量,因此可取用的热能约减少10%~ 40%。出水水质来确定换热器的类型。2污水源热泵系统原理及类型3污中国煤化工污水源热泵的工作原理与水源热泵相同,即YHCNMHG污水中热量,经夏季通过换热器将热量释放到污水中，达到制冷过使用之后,将污水直接排放掉,因此可称作单循●73●可再生能源2007 ,25(4)环水系统。根据我国《污水回用规范》,不同用途的化成硝酸，使pH值从7.4~7.9降低到6.5甚至更再生水要求的水质指标也不一样。作为热泵系统低。对此,可以加入二氧化碳,通过提高重碳酸盐应用的污水，可以采用再生水用做冷却水的水质碱度而调节pH值。标准，其相应的标准如表1。阻垢剂(如铬酸盐、聚磷酸盐、锌离子和聚硅表1再生水用作冷 却用水的水质标准酸盐)能够减少冷却水的潜在腐蚀性。但是在排放Table 1 Water quality standard of reclaimed water之前,这些阻垢剂必须从水中去除。可以与阻垢剂as cooling water项目，直流冷却水循环冷却补 充水替换的化学方法是离子交换和反渗透，但是此方pH值6.0~9.06.5-9.0法费用较高而用处不广。SS/mg+L'80(3)抑制生物生长浊度/度用于冷却系统的回用水中如果有营养物质或BOD/mg.L1300有机物(生化需氧量BOD)就会造成能够形成污COD./mg.L+'50垢的生物生长。处理过程中减少BOD和营养物质铁/mg+L+).3锰/mgL:'0.2的量，能够降低回用水中微生物持续生长的可能氯化物/mg.L'250性。氯是最常用的控制微生物生长的除菌剂,其优总硬度(以CaCO,计/mg-L)850450点是价廉、易得和容易操作。氯也被用作消毒剂去总碱度(以CaCO,计/mg-L")00350除回用水中的潜在病原体。通常情况下,氯化和电氨氮/mg:L"10击处理已经足够。在这个过程中，经常使用氯气总磷(以P计)/mg.L'溶解性总固体mg:L+11000(以液氯形式购买)、次氯酸钠固体或液体,也常采游离余氯/mg.L*末端0.1-0.2末 端0.1~0.2用二氧化氯抑制生物生长。粪大肠菌群/个.L”2000(4)减少淤塞*铜材换热器循环水氨氮为1 mg/L。通过阻止颗粒性物质的形成和沉降能够控制在污水利用过程中，经常出现的水质问题是淤塞。化学絮凝和过滤作用用于磷的去除过程,可结垢、腐蚀、生物生长、淤塞和起泡,这些问题都是以减少导致淤塞的污染物质的量。另外,也可使用由回用水中的污染物引起。因此针对不同材质的化学分散剂。换热器，为了保证回用水的水质可以对二次出水4污水换热器的材质及选择进行深度处理,处理主要从以下几个方面考虑。污水换热器按其材质可分为金属换热器和非(1)控制结垢金属换热器。金属换热器按其结构可分为板式换对金属换热器,要避免污垢形成即硬度沉积,热器、淋激式换热器和壳管式换热器。非金属换热一般通过化学方法和物理沉淀作用能够对结垢进器则主要包括各种结构的塑料管换热器或铝塑复行成功处理。其中酸化方法或加入阻垢剂能控制合管换热器等。结垢，石灰软化经常被用作冷却系统回用水的处污水换热器存在的最主要的问题是腐蚀和堵理方法。塞问题，因此污水换热器的选材则主要从这几个(2)防止腐蚀方面来考虑。作为金属换热器最大的优点是传热冷却水系统中金属不应当被循环水腐蚀。如系数高,结构紧凑。但在污水源热泵系统中,污水果总溶解固体(TDS)的数值高就提高了水的电导换热器极易腐蚀和堵塞,而且不易清洗,因此只有性,这就造成了高的腐蚀性。市政处理的回用水中在采用污水处理厂二级出水，而且水质达到标准TDS的浓度通常是饮用水中的2~5倍,因而回用的前提下,才可以选用金属换热器。从经济、安全水的电导率和腐蚀性较高。溶解的气体和高氧化等多方面考虑,采用城市原生污水的换热器,不适状态下的金属离子也能造成腐蚀。合采用金属换热器。冷却水处于酸性状态下也容易形成腐蚀。据中国煤化工斗有铜及铜合金、美国得克萨斯州的Lubbock市的JonesStation电铝合YHCNMHG金具有导热性能厂报道,当循环冷却水中存在氨离子时,氨离子转好,成本低等特性,在常规的“空冷”型热泵中使用.74.曲云霞,等污水源热泵系统污水水质与换 热器材质的选择广泛，但污水中的电解质会对铝合金产生严重的MPa,工作温度范围为5~65C,是空调水系统的腐蚀作用。纯铜及铜合金材料具有导热性好,加.优选管材同。工、焊接性能好的特点。它对污水中的氯离子有一PE-RT管全称是铝塑复合管,它是以交联聚定的耐腐蚀性,但污水中的氨、氮离子对铜及铜合乙烯塑料材料作为管的内外层，中间芯层夹一焊金的腐蚀作用是不可忽视的。当污水中的氨离子接铝管，在铝管的内外表面涂覆胶粘剂与塑料层含量大于1mg/L时,它对铜的腐蚀作用是相当明粘接，通过复合共挤成型的具有5层结构的复合显的。钛管对氯化物、硫化物和氨都具有较好的耐管材。铝塑管具有塑料管的全部优点,同时由于中蚀性,可在高度污染的淡水和海水中使用但由于间夹人一层铝,其机械理化性能比塑料管更强。价格昂贵,焊接技术要求高而限制了其使用的范HDPE管为高密度聚乙烯管,以它的优秀的围。以1Gr18Ni9Ti为主的不锈钢材料是空调热交化学性能、韧性、耐磨性以及低廉的价格和安装换器常用的材料。此种材料对水中的氨离子有较费受到管道界的重视，它是仅次于聚氯乙烯,使强的耐腐蚀性，但如果水中有较多的氣离子则会用量占第二的塑料管道材料。HDPE管具有耐腐与溶解氧共同作用,破坏不锈钢材料的晶间结构,蚀、内壁光滑、流动阻力小、强度高、韧性好、重量.造成点蚀。轻等特点。各种塑料管材性能如表2。恰当选择换热器的型式可以大大减轻污垢的表2各种塑料管材的性能比较Table 2 The comparison of performance of影响。由于污水水质的特殊性,金属防腐的方法总plastic pipe materials有一定的局限性，因此我们可以换一个角度考虑项目PE-X管PE-RT管PP-R管HDPE管问题，采用耐腐蚀的非金属材料来代替金属材料密度/kg.m0.951.300.9090.94制造换热器。目前,国内已应用的污水源热泵系统导热系数/w(mk)+ 0.400.450.240.48均采用间接式系统，污水换热器以采用非金属类热膨胀系数1mm(mk)4 0.150.026 0.180.14沉浸式污水换热器居多。非金属材料则主要采用工作温度范围/心C-40-95 - 40-90 -15-80 . 40-60壁厚(达到同等要求)较薄较薄 较厚较薄塑料及各类复合塑料等。目前我国在空调冷热水、液压试验环应力MPa 3.5.4建筑给排水等系统中常用的非金属塑料类管材有(95 C,1 00h)多种,主要有PE-X管、PP-R管、PE-RT(铝塑复价格(相对值)元.0_.5_合)管、HDPE(高密度聚乙烯)管等。在选择非金属类污水换热器时，应根据污水PE -X是交联聚乙烯的缩写，它是将聚乙烯换热器的工作温度、工作压力、传热性能、经济性通过物理或者化学的方法进行交联,交联后聚乙能等多方面来考虑。以城市污水源系统来说,污水烯分子结构由线性转变为网状，从而其热强度、换热器的工作温度- -般在5~50 C,作为间接式污耐热老化性、耐腐蚀性能、抗蠕变性能都得到较水源热泵系统,它的工作压力并不高,多数塑料类大的提高,适合长期使用,可输送90 C以下的介管材均能满足要求。从表2中可以看出,PE-RT质,具有良好的物理机械性能,耐酸碱和其它化管、HDPE管和PE-X管的传热性能均优于PP-R学品性能优良。但是其热膨胀性较大,传热性能管，从经济性方面比较，其经济性排序为HDPE不如铝塑管。管、PE-X管、于PP-R管、PE-RT管。山东某污水PP-R是无规共聚聚丙烯的缩写，它是将聚处理厂采用PE-X管作为利用工业废水的污水换乙烯分子无规则地接人聚丙烯的分子链中，从而热器管材,经过1年的实践运行表明，系统经济性使其抗低温冲击、长期耐热耐压及抗低温环境应比较好,而且清洗方便心。力开裂等性能大大改善。PP-R 塑铝稳态复合管污水换热器的工作温度及原理与地表水热泵是一种内层为PP-R,外层包敷铝层及塑料保护系统中换热器相同。根据文献[5],国外地表水及层，各层间通过热熔胶粘接而成的五层结构的管土壤源热泵系统中采用的换热器管材有HDPE材。该管材既具有金属管的刚性,又有塑料管的抗管、PV中国煤化工:阳紫外线辐射腐蚀性,寿命长,热熔接不渗漏，特别具有塑料管能力差;YHCNMHG材强度高、耐酸所没有的防渗氧性能,它的最高工作压力高达1.6碱性强、使用寿命长,是推荐采用(下转第87页).●75●董文娟,等中德财政合作项目西部村落光伏电站运行情况及性能分析(1)中德财政合作项目新疆- -期的村落光伏居民迅速增长的用电需求之间的矛盾，明确村落电站运行稳定,各项设备工作正常，维护管理水平光伏电站的运行与维护的真实成本，这些都是急较高，电站供电可以满足边远地区居民的基本生待解决的问题。活用电需求。这一结果与该项目其它各省的村落光伏电站一致。参考文献:(2)村落光伏电站系统效率较低,线路损[1] H CABLER, G BOPP, F HAUGWIIZ,etal. PV vil-耗较大。新疆一期的村落光伏电站的系统效率lage power supply systems in China - results from atechnical monitoring campaign [A]. Proceedings of the最高为57.6%,最低为34.9%,多数电站系统.21st European photovoltaic solar energy conference效率约为50%左右。除去非正常值，线路损耗.[C].Dresden, Germany : WIP -Renewable Energies,最高为总用电量的26.4%,最低为14.1%。若2006.3052- 3056.提高电站管理水平,合理分配用户用电时间与[2] M WOLLNY, P MARK. Flexible Concept for Off-Grid用电功率,可以提高电站系统效率,降低线路Electricity Supply - Current Trend for Vllge Solar损耗。Power in Provinces of China [A] Proceedings of the(3)新疆边远地区村落居民的每日户均用电3rd European PV-hybrid and mini- grid conference量约为0.23~0.27 kWh/(户.d),最低水平为0.16[C]_Aix en Provence, France :OTT1,2006.912-914.kWh/(户.d),每日用电时间集中于晚饭前后的4[3] W KLINGHMMER, M SHENGHONG, K NORENBERG.First experiences with implementation of a Large -Scaleh。户均用电量数据稍高于云南一期和青海一期的program on PV hybrid vllage power plants in western村落光伏电站统计数据。China [A].Proceedings of the 15th International pho-(4)从现在掌握的情况来看,村落光伏电站建tovoltaic science and engineering conference [C]成运行后,所面临的最大问题是管理问题。如何有Shanghai,China:ShanghaiJiaotongUniversity,效防止和管理窃电情况，解决电站发电量有限与2005.746-749.***业**米*************米业******米业米****辛**米*****(上接第75页)的地表水热泵系统和土壤源热泵冷 却水的水质标准。如果再生水达到了相应的水系统换热器管材,也是美国目前完成的地源热泵质标准,可采用金属换热器,否则,可采用非金属系统中用的最广的换热器材料之一。铜管传热性类污水换热器;在非金属类换热器中,从价格、传能好,相同传热量的情况下，铜管换热器长度只热性能和寿命等方面综合分析，建议采用PE-X是塑料换热器的1/4~1/3,但铜管易结垢。而且结管和HDPE管作为污水换热器管材。垢后对换热器性能影响较大,因此不适合作为污水换热器材料。[1]尹军,韦新东.我国回收污水中热能的可行性分析[].根据以上分析表明，从经济性和传热性能来中国给水排水,2000, 16(3):28-30.考虑,污水换热器以采用HDPE管、PE-X管为推[2] 吴荣华,孙德兴,马驴兴.城市原生污水冷热源水参数荐管材。采用塑料类换热器间接换热的方式回收特性与应用方法评价[U]. 可再生能源,2005 ,23(5):污水的热能，一方面解决了管道和设备的腐蚀问39- -43.题;另一方面,由于管内外壁光滑,也缓解了结垢[3] 齐政新,陆亚俊.地板采暖常用塑料管性能比较及选用J]低温建筑技术,2002(1):65-67.问题,而且也易于清洗。[4] 曲云霞,杨勇,李爱景, 等.污水源热泵供热的工程应5结论用及分析J].可再生能源,2007 ,25(2): 103- 105.对于城市原生污水由于其成分复杂，杂质含[5] STEPHEN P,KAVANAUGH， KEVIN RAFERTY.量多,考虑到污水换热器的腐蚀、结垢等多方面的Ground source heat pumps design of geothermal因素,以采用耐腐蚀、寿命长、易清洗的塑料类污中国煤化工rional bilingIMJ,水换热器为佳;对于采用污水处理厂二级出水或figerating and Air再生水的污水源热泵系统，可以采用再生水用做YHCNMHG.87.