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  • 基于城市污水源热泵研究问题
  • [2013-08-02]
  • 基于城市污水的水源热泵系统若干问题初探

    罗迎宾      梁路军      季柳金

    摘要  文章就国家可持续发展能源战略背景下,地源热泵技术在建筑节能领域的推广与应用做了简单介绍。同时,城市再生水(污水)由于具有较高的热值利用价值,因此,在地源热泵系统中仍具有较高意义。文章基于两种城市污水源热泵的设计利用中的关键问题,探讨污水源热泵的可操作性、节能性和环保性。

    关键词  水源热泵;城市污水;再生水

     

    Abstract  The article on the national energy strategy for sustainable development context, ground-source heat pump technology in the field of promotion of energy-saving construction and application of a brief introduction. At the same time, urban regeneration water (sewage) because of the high caloric value of value, therefore, ground-source heat pump system still has high significance. Two articles on the use of urban wastewater, sewage explore the feasibility source heat pump, energy saving and environmental protection .

    Key Words  ground-source heat pump;Urban Sewage;Reclaimed Water

     

     

    建筑节能概念

           建筑节能,是指民用建筑在规划、设计、建造和使用过程中,通过采用新型的节能电力电气设备和新型墙体材料,执行建筑节能标准,加强建筑物用能设备的运行管理,合理设计建筑围护结构的热工性能,提高采暖、制冷、照明、通风、给排水和通道等电力电气设备系统的运行效率,以及利用可再生能源,在保证建筑物使用功能和室内热环境质量的前提下,降低建筑能源消耗,合理、有效地利用能源的活动。据建设部统计,建筑的能耗(包括建造能耗、生活能耗、采暖空调等)约占全社会总能耗的30%,其中最主要的是采暖和空调,占到20%。 而这“30%”还仅仅是建筑物在建造和使用过程中消耗的能源比例,如果再加上建材生产过程中耗掉的能源(占全社会总能耗的16.7%),和建筑相关的能耗将占到社会总能耗的46.7%。中国建筑能耗总量正呈逐年上升趋势,在能源总消费量中所占的比例从上世纪70年代未的10%已上升到近年的接近30%,因此,建筑节能对于能源的节约利用意义十分重大。

    污水源热泵系统介绍

           地表浅层(可称之为地表能)像一个巨大的太阳能集热器,收集了47%的太阳能,比人类每年利用能量的500倍还多。这种近乎无限、不受地域、资源限制的热能,是人类可以利用的清洁可再生能源。并且地表能不像太阳能受气候的影响,也不像深层地热能受资源和地质结构的限制。地源热泵系统(Ground-Source Heat Pump,简称GSHP)是随全球能源危机和环境问题出现,逐渐兴起的一项节能环保技术。地源热泵系统是以地表能为热源,通过输入少量的高品位能源(如电能),实现低品位热能向高品位热能转移的热泵系统。地源热泵系统冬季供暖时,把地表中的热量“取”出来,供给室内采暖,同时向地表蓄存冷量,以备夏用;夏季制冷时,把室内热量取出来,释放到地表中,向地表蓄存热量,以备冬用,因此说地源热泵系统是可再生能源利用技术。地源热泵系统不存在对大气排热、排冷的热污染和排烟、排尘、排水等污染,是真正的绿色能源(Green Energy)。

           污水源热泵系统是指以城市污水(再生水)为低温热源,由水源热泵机组、污水热能采集系统、室内系统和控制系统组成的供热空调系统。图1为典型的开式污水源热泵系统基本组成示意图。其中:①污水处理池;②污水源侧循环泵;③水源热泵机组;④负荷侧循环泵;⑤风机盘管系统;⑥高位膨胀水箱;⑦污水防阻机;⑧电子水处理仪器。

    图1 开式污水源热泵系统

           图2为典型的闭式污水源热泵系统基本组成示意图。其中:①污水处理池;②污水源侧循环泵;③水源热泵机组;④负荷侧循环泵;⑤风机盘管系统;⑥高位膨胀水箱;⑦闭式换热管网系统。

    图2 闭式污水源热泵系统

     

    开式污水源热泵系统水质问题

           水源水的水质直接影响水源热泵机组的使用寿命和运行效率。对水源水水质的基本要求是:清澈、水质稳定、不腐蚀、不滋生微生物或生物、不结垢等。通过对水质的考察以确定水源水是否可以直接进入或进行何种处理方法后水源热泵机组,或者通过采用专用换热器进行中间换热。主要水质指标考核如下:

           ①、含固化物量和混浊度。水源水往往含有固体垃圾、有机物和胶体悬浮物等杂质,使水变浑浊。水源水含固体颗粒过高,会对机组、管道等造成磨损,加快钢材的腐蚀速度,严重影响机组使用寿命。混浊度高会在系统中形成沉积,阻塞管道,影响正常运行。

           ②、PH值。水的pH值小于7时,呈酸性,反之呈碱性。水源水的pH值过高或者过低,都会造成对机组换热器的腐蚀,严重影响到机组的使用寿命。另外,水源水的pH值过高很容易产生水垢,影响机组的换热效果。所以进入机组的水源水的PH值要控制在一个合适范围。

           ③、Ca2+、Mg2+。水中Ca2+、Mg2+总量称为总硬度。硬度大,水中钙、镁离子易在换热面上析出沉积,形成水垢,严重影响换热效率,影响水源热泵机组的运行。

           ④、Fe2+。水源水中Fe2+以胶体形式存在,Fe2+易在换热面上凝聚沉积,促使碳酸钙析出结晶,加剧水垢形成。而且,Fe2+遇到氧气发生氧化反应,生成Fe3+,在碱性条件下转化为絮状物氢氧化铁沉积而阻塞管道,影响机组正常运行。

           ⑤、Cl、CO2、SO24。水中Cl、CO2具有腐蚀性,溶解氧的存在加大了对金属管道的腐蚀破坏作用。Cl腐蚀表现形式主要是破坏金属表面的钝化膜,进而向金属晶格里面渗透,引起金属表面性质的变化。CO2溶解在水中,加速氧化及对高强度低合金钢的腐蚀。SO24主要对水泥起腐蚀作用。

           ⑥、H2S。氢硫酸能使银、铜等金属制品表面发黑。氢硫酸对碳钢、低合金钢具有很强的应力腐蚀趋向,容易使管道变脆甚至破裂。另外,氢硫酸还能与许多金属离子作用,例如Ca2+、Mg2+,可生成不溶于水或酸的硫化物沉淀,附在换热表面,严重影响换热效果。

           ⑦、硅酸。硅酸与盐离子相遇后容易在水源水系统循环中形成硅酸盐不溶物沉淀结垢;另外,特别是硅酸能与镁离子结合形成粘度较大、颗粒较细的硅酸镁粘泥,黏附在换热设备的表面,严重影响机组的换热效果。

           ⑧、游离氯。当水中游离氯量过多会引起水中的异臭味,俗称“氯臭”,特别是氯刺激的气味使得水的品质大打折扣;同时容易滋生菌、藻微生物,会造成水流不畅和管道侵蚀。

           ⑨、油污。水中混有的油污容易粘附于换热设备的传热面上,降低换热面的传热效率,同时也较容易产生垢下腐蚀。

           总而言之,水源水质只有符合下表1时,才可以直接进入水源热泵机组:

    表1 进入机组的水源水质参考标准

    序号

    项目名称

    单位

    允许值

    1

    含砂量

    <1/200000

    2

    混浊度

    mg/L

    <10

    3

    pH值

    6.5~8.5

    4

    Ca2+、Mg2+含量

    mg/L

    <200

    5

    Fe2+含量

    mg/L

    <0.5

    6

    Cl含量

    mg/L

    <100

    7

    SO24含量

    mg/L

    <200

    8

    H2S含量

    mg/L

    <0.5

    9

    硅酸含量

    mg/L

    <175

    10

    游离氯含量

    mg/L

    0.5~1.0

    11

    矿化度

    mg/L

    <350

    12

    油污含量

    mg/L

    <5

     

           目前,用于城市污水(可再生水)中的最常用的水处理装置是原生污水防阻机,主要运行原理为:通过循环水泵1吸取污水,滤面3自身旋转,在任意时刻都有部分滤面A位于过滤的工作区,另一部分滤面C位于水利反冲区。在旋转一周的时间内,每一个滤孔都有部分时间在过滤的工作区行使过滤功能,另一部分在反冲洗区被反洗,以恢复过滤功能。污水经由过滤后(B区域),通过循环水泵5去换热设备6无堵塞换热,换热后的污水回到污水防阻机的反冲区对过滤面实施反冲,并将反冲掉的污杂物D全部带走并排回污水干渠中。具体结构原理图见图3。

    图3 原生污水防阻机工作原理

     

    闭式污水源热泵系统换热指标问题

           相比较形式污水源热泵系统的除垢以及防阻等要求,闭式污水源热泵系统的换热器设计与制作本身相对比较容易,关键在于对于对水温水质的精确勘测和管路系统的设计。目前,国内外应用较多设计采用固定抛管模式。

    图4 典型固定抛管式地表水热泵系统原理图

           换热盘管固定在污水处理池侧壁或底部,管内循环介质(可充注25%的乙二醇溶液)通过不断的循环,夏季将室内的热量排放至污水中;冬季从污水中提取能量以供室内采暖。通过项目工程经验,在经过污水的长距离输送后,由于热能的损失,实测污水池中污水温度夏季约23℃,冬季约9℃,可以满足热泵机组的正常使用。但需要考虑的是污水中的腐蚀性对换热盘管的侵蚀和破坏。如果选用国外某品牌金属内增强聚乙烯(PE100)螺旋波纹管,将会具有较长的使用寿命和换热效能。

    图5 固定抛管式污水源热泵现场

            通过污水换热热响应实验【3】-【7】,关于污水中的盘管换热指标,可参考如下的数据:

    盘管方式

    管径

    盘管长度(米/kW)

    制冷

    供暖

    螺旋固定

    ¢25×2.3

    22~35

    18~30

    ¢32×3.0

    20~32

    16~28

    ¢40×3.0

    18~31

    15~27 

    总结

           1. 污水源热泵由于利用具有天然的冷/热资源的城市污水,因此,合理利用该系统,必定会创造出较高的经济性价值和环保价值。

           2. 由于城市污水(再生水)的水质问题比传统的水冷热泵、甚至土壤源热泵系统均差,所以,在设计和利用该系统时,务必做到现场的详尽水质勘查和综合评估。

           3.  城市污水处理一般远离需要集中供冷/热区域,因此,如何降低管道的热损失和冷损失,克服管网系统的沿程摩阻,将是摆在每个研究工作者面前的问题。


     

    参考文献:

        【1】吴元纬.中国的热泵技术和应用[J]    第五届国际热泵技术能源会议论文集

        【2】地下建筑暖通空调设计手册编写组,地下建筑暖通空调设计手册,中国建筑工业出版社,1983年7月第一版

        【3】贺平,孙刚, 供热工程[M],北京:中国建筑工业出版社,1999


     

        【4】康宁,曾森,付祥钊。长江流域住宅采暖降温方案分析,住宅科技1998年第2期

        【5】章熙民等,传热学第三版,中国建筑工业出版社,1993年6月

        【6】田胜元,萧曰嵘。实验设计与数据处理,中国建筑工业出版社,1988年11月。

        【7】张洪济,热传导,高等教育出版社,1992年10月

     

    作者简介:

    * 罗迎宾,男,江苏泰州人,1981年出生,工学硕士,注册地源热泵设计师,

    南京天加空调设备有限公司研发中心,研发/系统工程师,电子邮箱:pusi-vip@163.com;手机:13814000313


     

    梁路军,男,南京天加空调设备有限公司,技术总监

    季柳金,女,工学硕士,江苏省建筑科学研究院有限公司,节能工程师

    联系人地址:南京市迈皋桥华电工业园内 天加公司研发中心  罗迎宾(收)     210028

     

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