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      污水源熱泵節(jié)能分析與管路防腐

      2018-07-05 03:51:06大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院遼寧大連116023
      信息記錄材料 2018年8期
      關(guān)鍵詞:城市污水熱源源熱泵

      (大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院 遼寧 大連 116023)

      王昌盛,陳禹娜,王勝利,張志鵬,張 琨(通訊作者)

      1 引言

      城市污水主要以工業(yè)廢水、工業(yè)冷卻水和生活污水為主,是一種非常理想的低位冷熱源,以城市污水作為暖通空調(diào)用能的冷熱源具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在冬季,城市污水的溫度普遍高于空氣溫度,可用于北方的供暖,而在夏季,污水溫度又普遍低于空氣溫度,制冷效益顯著。其次,水具有很良好的傳熱特性,相對(duì)于空氣和土壤源而言,使用污水作為傳熱源顯然更行之有效。早在1987年,日本就已經(jīng)開(kāi)始計(jì)劃提取污水中的熱能,而到現(xiàn)在就已經(jīng)有12個(gè)污水熱泵系統(tǒng)在運(yùn)作,其中有四個(gè)是使用未經(jīng)處理過(guò)得污水作為熱源,其余為二級(jí)出水的作為熱源。在我國(guó),水環(huán)境治理方面,2016年鎮(zhèn)污水處理率已超90%,縣城污水處理率超過(guò)85%。這些污水中儲(chǔ)藏巨大的低位熱能,將這些污水收集和合理的使用將當(dāng)務(wù)之急[1]。

      2 污水源熱泵的工作原理

      污熱泵系統(tǒng)是一種綜合利用低位能源通過(guò)使用少量的電能獲得大量的能源的節(jié)能技術(shù)。以城市污水作為冬季的冷源、夏季的熱源,通過(guò)壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器共同作用完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行[2]。由于冬季水的溫度相比于周圍空氣要高很多,而在夏季水的溫度要低于周圍空氣,故在消耗等量的電能,使用污水熱泵系統(tǒng)顯然會(huì)獲得更大量的能量。其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

      圖1 污水源熱泵工作原理圖

      3 熱泵運(yùn)行節(jié)能分析

      本次實(shí)驗(yàn)以岳陽(yáng)市某工程為例:

      總建筑面積204530m2,地上建筑面積為135350m2,其中包括酒店、公寓、商業(yè)、辦公等。其中冬季供暖時(shí)間約為90天,運(yùn)行時(shí)間為每天20小時(shí),采暖室外計(jì)算溫度為-3℃,負(fù)荷系數(shù)設(shè)為0.6;夏季制冷時(shí)約為150天,每天運(yùn)行時(shí)間為每天20小時(shí),空調(diào)室外計(jì)算溫度為35.4℃,負(fù)荷系數(shù)設(shè)為0.6,年平均氣溫17.5℃,最高溫度為39.6℃,最低溫度為-3.4℃。本次設(shè)計(jì)同時(shí)滿足冬季供暖和夏季制冷需求,經(jīng)計(jì)算最大空調(diào)冷負(fù)荷約為10212kW,最大空調(diào)熱負(fù)荷約為6125kW。表1是不同方案節(jié)能對(duì)比。

      表1 不同機(jī)組能耗對(duì)比

      3.1 冬季供暖能耗分析

      由上表分析得,冬季污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)約的能源為-1540kW,經(jīng)計(jì)算需多消耗電能3.33×106kW·h(1.49×1010kJ),全年累計(jì)多消耗電能 2.93×106kW·h(1.314×1010kJ);消耗天然氣682m3/h,全年采暖時(shí)間累計(jì)消耗天然氣0.737×106m3。電價(jià)按照1元/度,多消耗電費(fèi)166.32萬(wàn)元,天然氣3元/m3,節(jié)約燃?xì)赓M(fèi)234.366萬(wàn)元。則冬季總計(jì)節(jié)約234.366-166.32=68.046萬(wàn)元。

      3.2 夏季制冷能耗分析

      由表1可知,使用污水源熱泵系統(tǒng)可節(jié)約電功率212kW,則累計(jì)節(jié)約電能 3.81×105kW·h (1.814×109kJ);節(jié)約水量20m3/h,共計(jì)節(jié)約水量約3.6×104t。按水價(jià)3.4元/噸計(jì)算,則節(jié)約電費(fèi)約37.8萬(wàn)元,節(jié)約水費(fèi)12.24萬(wàn)元,總計(jì)37.8+12.24=50.04萬(wàn)元。

      綜合上述分析,全年運(yùn)行可節(jié)約68.046+50.04=118.086萬(wàn)元。

      4 腐蝕和堵塞問(wèn)題

      污水源熱泵雖然可以性能系數(shù)COP很高,有很好的應(yīng)用前景,但城市污水中含有大量污雜物,系統(tǒng)的腐蝕和堵塞直接影響到傳熱系數(shù)和COP,因此污水源熱泵系統(tǒng)的腐蝕和堵塞問(wèn)題對(duì)于系統(tǒng)的正常和高效運(yùn)行至關(guān)重要[3]。

      4.1 污水在最初提取的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)很多的大型雜質(zhì),在管道中累計(jì)造成管路堵塞或者其他事件,進(jìn)而影響整個(gè)工廠的運(yùn)行。為了減少此類事件的發(fā)生,在污水提取的提取口可以安裝一個(gè)小型的過(guò)濾網(wǎng),在污水收集口進(jìn)行一次初過(guò)濾,將大型雜質(zhì)攔截在污水口,這樣只需要定期清理污水口便可以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

      4.2 污水管材的選取是整個(gè)污水提取中十分重要的環(huán)節(jié),同時(shí)也是工程中花費(fèi)相對(duì)較大的一部分。污水管的選取需要符合以下幾點(diǎn):

      (1)污水管必須要有足夠的強(qiáng)度,能夠承受來(lái)自外部的壓力和內(nèi)部水壓的作用。

      (2)污水管需要有足夠的耐腐蝕性,同時(shí)也需要能夠抵抗污水中雜質(zhì)的沖刷。

      (3)污水管的內(nèi)表面需要足夠光滑,以減少對(duì)污水水流的阻力。

      (4)出于對(duì)工程成本的考慮,管材的選取要盡可能的節(jié)約。

      4.3 由于污水中的污染物具有較強(qiáng)的腐蝕性,易在管道中造成堵塞,故本方案采用離心式換熱器。利用水流離心力的作用,形成較大的湍流,使得相鄰污水流層間作不規(guī)則運(yùn)動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱交換的作用。該型換熱器具有初投資小、換熱效率高、占地面積小等優(yōu)勢(shì)。

      5 結(jié)語(yǔ)

      污水源熱泵系統(tǒng)具有傳熱效率高,運(yùn)行效果好,環(huán)境友好性強(qiáng)等有點(diǎn),可對(duì)建筑物冬季供熱和夏季供冷。該系統(tǒng)極大程度節(jié)約了煤炭石油天然氣等化石能源的使用,減少了污染物的排放并緩解了溫室效應(yīng)。

      本文通過(guò)一個(gè)岳陽(yáng)市的工程實(shí)例,相比常規(guī)能源系統(tǒng),使用污水源熱泵系統(tǒng)夏季制冷期150天可節(jié)約電能400.05kWh,節(jié)約水量374.4t,冬季采暖期90天節(jié)約天然氣78.122m3。全年綜合節(jié)約能源費(fèi)用118.086萬(wàn)元。

      通過(guò)水處理和優(yōu)化換熱器材質(zhì),可明顯的預(yù)防和清除系統(tǒng)中的垢類,從而保證換熱效果和系統(tǒng)性能。

      [1]尹朝輝,劉芳,王志明,張群力.污水處理廠典型節(jié)能技術(shù)分析[J].建筑科學(xué),2016:12-16.

      [2]周志平,李念平.污水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的節(jié)能減排分析[J].建筑節(jié)能,2012,40(6):46-49.

      [3]趙文秀,姬長(zhǎng)發(fā),李麗霞.污水源熱泵的防除污技術(shù)分析[J].制冷與空調(diào),2008,5:31-33.

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