污水源熱泵供熱的工程應用及其分析
曲雲霞1,楊勇1,李愛景1,劉文波1,王偉華2
(1.山東建築大學,山東濟南250101;2.中國石化齊魯有限公司供排水廠,山東淄博255411)
摘要:齊魯石化水廠原來利用熱電廠蒸汽換熱后製備低溫熱水對車間和辦公樓進行供熱,運行費用高。根據該廠有豐富的工業污水的特點,現設計採用污水源熱泵機組為車間及辦公樓提供熱。分析表明,一個採暖季即可節省運行費用約68萬元,而且使用效果良好。
關鍵詞:污水源熱泵;工業污水;供熱
0·前言
作為城市廢熱之一而排放的城市污水,由於具有穩定的水量和水溫,易於收集,污水中所貯存的熱能較高,可作為清潔能源在低溫區利用等一系列優點,正在受到越來越多的重視。特別是熱泵技術的不斷發展,使城市污水熱能利用系統日趨成熟。日本是較早利用污水中熱能的國家之一。日本不僅利用未處理過的污水作為熱源,而且也利用二級出水或中水作為熱源。東京大區污水管理局從1987年起啟動從污水中回收熱能的計劃,現在已有12個熱泵系統在運行,其中4個使用未處理污水作為熱源,其餘為使用二級出水或中水作熱源。回收的能量主要用於污水處理廠辦公建築的空調,也有作為區域供熱的熱源。瑞典斯德哥爾摩有40%的建築物採用熱泵技術供熱,其中10%是利用污水處理廠的出水作熱源。
在我國隨著人民生活水平的提高,在空調和熱水供應方面所消耗的能源顯著增加,節約能源已經成為21世紀的首要任務。因此,可再生能源的利用已經成為目前研究的熱點。污水源熱泵是利用污水處理廠中水或原生污水作為熱源進行製冷、制熱循環的一種空調裝置。它具有熱量輸出穩定、COP值高、換熱效果好、機組結構緊湊等優點,是實現污水資源化的有效途徑。目前,利用污水源熱泵系統為建築物供冷、供熱已有一些應用的實例。
1·污水源熱泵系統類型
污水源熱泵系統按照其使用的污水的處理狀態可分為以未處理過的污水作為熱源/熱匯的污水源熱泵系統和以二級出水或中水作為熱源/熱匯的污水源熱泵系統;根據污水與熱泵的熱交換部分是否直接進行熱交換,可分為間接利用系統和直接利用系統。從工況轉換方式上看,大體可分為兩種:一種是製冷劑流向的切換,即通過四通換向閥的換向來實現制熱工況和製冷工況的轉換;另一種是水切換式,即通過閥門改變水流方向來實現工況轉換。由於考慮到污水水質及污水中污物對熱泵機組的影響,目前國內多採用間接式污水源熱泵系統。本文中介紹的實例即為利用工業污水的間接式污水源熱泵系統。
2·工程概況
中國石化齊魯有限公司供排水廠(以下簡稱齊魯石化水廠)主要負責進行給水的處理和銷售,以及中國石化齊魯有限公司生產過程中污水的處理和排放。進入該廠的污水溫度為30~40℃,為了滿足污水處理工藝過程的要求,在處理過程中,要向污水中加入大量的地下水,以降低污水的溫度達到排放指標。
該廠主要由凈化車間、設備間、庫房和辦公樓組成,總建築面積約為9 000 m2。廠區內冬季供熱原採用蒸汽通過換熱器轉換為低溫熱水供暖,末端設備為暖氣片,冬季供暖面積約為5 500 m2。根據廠方提供的數據,該廠冬季採暖所耗費用約為85萬元,由於廠家認為費用太高,希望我們能夠根據該廠現有條件,對原有系統進行改造和設計,以降低運行費用。
3·冬季供熱方案設計
通過調查發現,該廠有優越的自然條件可以利用。首先有充沛的地下水資源,可利用的深井水流量在100 m3/h以上,地下水溫度為16～20℃;其次具有大量工業污水,污水溫度為30～40℃。這些有利條件很適合使用水源熱泵空調來為廠區供冷和供熱。經過與廠方協商,決定採用水源熱泵空調系統,具體方案如下。
冬季,直接利用生產污水作為辦公樓、設備間、庫房和凈化車間的吸熱源,向各房間供熱。為了節省設備費用,冬季設備間和凈化車間仍採用原有的散熱器供暖,只有辦公樓和車間的值班崗位增設了風機盤管作為房間的末端設備。夏季,利用地下水作為熱泵機組的放熱源,利用水源熱泵機組為辦公樓提供7～12℃的冷凍水。考慮到以後的發展,並根據空調負荷選用SGHP600A螺桿水源熱泵機組,機組額定工況下製冷量為522 kW,進出水溫度為7~12℃,制熱量為574 kW,進出水溫度為52~42℃。
採用該方案后,一方面,充分利用了污水中的熱量,節省了使用蒸汽採暖的費用,同時,使污水溫度降低,減少了污水處理過程中地下水的用量,可謂一舉兩得。
考慮到污水水質對熱泵機組的影響,本工程中採用間接式污水源熱泵系統,冬夏季工況採用水側切換方式,冬季供熱系統流程見圖1。
在該工程中,所利用的污水源主要是勻質池中的污水。由於污水中含有較高鹼性、氯根,及有機溶劑和懸浮物,因此污水對鐵、銅、普通不鏽鋼、部分種類的塑料都具有較強腐蝕性。最終選擇採用PEX管作為污水換熱器管材,換熱器內加入自來水作為循環介質,通過自來水吸取污水中熱量,然後與熱泵機組進行熱交換為用戶提供50℃左右熱水。在污水池中,污水換熱器的設計直接影響到機組的制熱量。考慮到勻質池的清淤問題,污水換熱器沿著池內壁均勻敷設,而且管與管之間相隔一定間距,以利於熱量的吸收和污水換熱器的清洗。由於管子緊靠池內壁敷設,使得換熱器的傳熱效果降低,因此傳熱面積應適當加大。本工程中採用φ32的PEX管近5 000 m,傳熱面積近500 m2。
該工程於2006年1月投入運行,運行結果表明,機組冬季供給用戶的熱水溫度在46℃左右,回水溫度為41℃左右。污水側污水換熱器內進口溫度為25℃左右,出口溫度為30℃左右。2006年1月22日,通過實測,辦公樓和值班崗室內實際溫度在20~22℃,庫房和車間溫度達到12℃以上(工藝要求達到10℃以上即可),結果表明,採用該方案后,室內空氣溫度完全達到用戶要求。
4·系統經濟性分析
4.1原有方案經濟性分析
採用原有方案時,根據廠方提供的數據,凈化車間冬季採暖蒸汽耗量約為2.4 t//h,當地蒸汽價格為124元/t,當地採暖期按120 d計算,故該廠冬季採暖費用約為：
2.4×24×120×124=857 088元
故該廠一年採暖運行費用約為86萬元。
4.2現有供熱方案經濟性分析
採用現有供熱方案后,冬季空調系統的運行費用主要為熱泵機組和水泵的電費。根據機組測試的數據表明,機組冬季實際供熱量約為600kW,機組滿負荷時電流為220A,計算得到機組實際輸入的電功率為123 kW,熱泵機組實際制熱係數高達4.8,水泵的功率為15 kW,按當地電價0.6元/kWh計算,因此冬季實際的耗電費用為(123+15)×24×120×0.6×0.75=178 848元由此可見,現有的供熱方案冬季運行費用約為18萬元,一年即可節省運行費用68萬元。
5·結論
該廠原來冬季利用熱電廠蒸汽通過換熱器轉換為低溫熱水進行採暖,每年運行費用高達86萬元。供熱系統經過改造以後,每年運行費用只有18萬元,即每年可節省68萬元,增加的初投資費用一年內即可收回。同時,經過一個採暖季的運行測試表明,供暖效果良好,完全達到用戶需求。另外,由於利用了污水中的熱量,減少了一次能源的消耗,對環境保護有重要的意義,值得大力推廣。
