《中水水源热泵的应用与分析》

1中水水源热泵的应用及分析摘要：介绍水源热泵技术的概念和原理，结合本单位应用实例，分析中水水源热泵技术的主要特点及其效益，阐述该技术在污水处理行业推广应用的前景。主题词：中水水源热泵应用分析经济环境社会效益随着我国经济的迅猛发展和城市建设步伐的加快，节能降耗、循环经济、科学发展的理念逐渐引起污水行业的重视，中水的再生利用除了解决水资源紧缺的问题，还可以作为一个新型能源进行利用。污水处理厂的主要职能是处理生活污水和工业废水，经处理后的水叫中水。目前中水根据水质标准不同，可用于工业、农业、园林绿化、景观、或排入水体。中水可作为一种资源进行再利用。本文介绍的就是太原市排水管理处污水净化一厂利用中水稳定的水源、恒定的水温特点，采用水源热泵技术，通过热能转换解决厂区内工作和生产区域冬季采暖、夏季制冷问题的实例，在整个过程中，不消耗水量，只换取中水中的热能。通过四年多的实际应用，与其它采暖制冷方式比较，从社会效益、环境效益、经济效益方面进行分析，认为具有推广应用的价值。一、水源热泵技术的背景、概念和工作原理2近十几年来，随着可持续发展和公众环保意识的提高，对于取暖方式也开始有新的尝试和探讨，全球能源利用的结构都在转变，从选用原有的煤炭等能源取暖过渡到以石油、天然气及电等清洁替代能源。而替代能源虽然可以部分解决环境污染的问题，可是天然气和石油等都属于不可再生能源，部分电能也要靠消耗不可再生能源获得。从可持续发展的角度看，必须提高能源利用效率或者寻找可以再生的能源，而水源热泵就是比较理想的一种技术。因此，近二十多年来，尤其是近十年来，水源热泵空调系统在北美及中、北欧等国家取得了较快的发展，中国的水源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪有效的供热和供冷空调技术。水源热泵技术最早是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。水源热泵机组的工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中实现制冷,由于水源温度低，所以可以高效地吸收热量;而冬季，则从水源中提取热量，由水源热泵机组通过水作为载体提升温度后送到建筑物中采暖。通常水源热泵消耗1kW的电能，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。水源热泵的冷热源温度要求全年较为稳定，一般为10～325℃，其制冷、制热系数可达3.5～5.6，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50～60％。锅炉（电、燃料）供热只能将90%-98%的电能或70～90%的燃料内能转化为热能，供用户使用。与锅炉和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具有明显的优势。水源热泵应用比较普遍的是利用地下水、河流、湖泊或埋地热管来解决冷热源问题，中水水源热泵是近年兴起的。在太原地区利用河流、湖泊没有地理条件；利用地下水需要打井，打井深投资成本高，打井浅水源无法保证，而且回灌技术难度较大，如果实现不了回灌将造成水资源的浪费；埋地热管需要有足够的地面空间；利用中水的水源热泵，特别是污水处理厂周围及中水输送管线附近有着得天独厚的条件。二、中水水源热泵的特点中水水源热泵技术具有与利用地下水和埋地热管无法比拟的优势，一是水源稳定，水温恒定，完全满足水源热泵对冷热源的需求；二是中水通过水源热泵提取热能后，只是水温发生了变化，水质不会发生变化，还可以继续利用。所以中水是水源热泵比较理想的冷热源。(一)由于中水水源热泵技术利用中水作为空调机组的4制冷制热的源，所以其具有以下优点：1.属可再生能源利用技术中水水源热泵是利用中水作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。污水处理厂每天都会有大量中水产生。所以说，中水水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。2.高效节能中水水源热泵利用的中水水源温度(以太原地区为例)冬季为12～18℃，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季中水源温度为20～24℃，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率高。用户平均可以节约30～40％的供热制冷空调的运行费用。水源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵(空调机)相比，相当于减少30％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上。3.运行稳定可靠中水的温度一年四季相对稳定(以太原地区为例:全年12～24℃)，其波动的范围远远小于空气的变动(-18～38℃)，是水源热泵很好的冷热源。水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。4.环境效益显著中水水源热泵使用的是电能，电能本身为一种清洁能5源，与锅炉比较，没有运输煤的污染，没有堆放煤场的污染，没有废气的排出，没有烟尘，不产生垃圾。5.一机多用，应用范围广中水水源热泵系统冬天可以供暖、夏天可以制冷，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，中水水源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。中水水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑。6.自动运行水源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，运行人员少；使用寿命可达15年以上。(二)象任何事物一样，中水水源热泵也不是十全十美的，其应用也会受到制约，所以中水水源热泵受以下条件的限制:1.可利用的水源条件限制中水水源热泵理论上可以利用中水作为冷热源，但在实际应用当中，只有在污水处理厂周围或在中水输送管道附近的一定范围内才可使用中水水源热泵。如果中水输送距离远、管网铺设难度大，则建设投资过大，就不易使用。62.地理位置和中水水温的限制在寒冷的地区,中水温度也偏低,这样运行成本也很大。中水温度低于8℃,机组难于运行.3.一次性投资经济性的限制由于不同地区、不同用户,国家的能源政策、燃料价格的不同，以及利用中水水源的条件不同,一次性投资及运行费用也会有所不同。虽然总体来说，中水水源热泵的效率较高、运行费用较低,但与传统的空调制冷取暖方式相比，在不同地区不同需求的条件下，水源热泵的一次投资的经济性也会受到一定的限制。三、中水水源热泵项目情况介绍：太原市排水管理处污水净化一厂是目前山西省最大的污水处理厂，位于太原市城南地区，隶属于太原市城乡管理委员会。全厂占地面积230亩，主要承担太原市旧城区和城南地区工业废水和生活污水的处理任务，服务面积44.58平方公里，污水处理能力16万吨/日，是太原市水污染治理、实现城市污水资源化的重点单位。该厂原采用一台4吨燃煤热水锅炉仅解决冬季采暖问题，由于锅炉及供热系统老化，管网分布230亩厂区各个角落，且管道结垢严重，系统热效低，供热效果差，能源消耗大，每年消耗燃煤1500吨，锅炉没有脱硫设备，除尘效果很低对周边环境污染也很严重。7该厂应用水源热泵技术利用自身产生的中水对采暖制冷系统的改造项目在省市有关部门的大力支持下，于2007年9月开工，到2007年12月基本完工供暖，截止目前已运行了四个采暖期(11月1日～3月31日)一个制冷期(6月1日～8月31日)，从运行情况看其制热制冷效果良好，不仅解决了冬季采暖的问题，同时也解决了夏季制冷的问题，社会效益、环境效益、经济效益明显。该项目是对厂区生产厂房、办公楼、单身宿舍及部分租赁单位(共计51座建筑物)采暖制冷,服务建筑面积为21231.28平米，设计规划服务建筑面积为30000平米，预留服务建筑面积近10000平米。项目内容主要包括：主机房由原材料库改造而成，新建源水泵房一座，新建1000KVA变电站一座(从开闭所引一条10KV高压电缆)供主机房用电，从原2#变电所引一条低压电缆供源水泵房用电，室内外管网重新铺设，室外管网管沟部分用矿棉保温，直埋部分用发泡保温，室内管网用橡塑保温。购置相应设备材料及安装（主要设备材料详见下表），该项目总投资580万元。本项目的实施过程中，从主机房、源水泵房、用电负荷到室外管网已考虑了预留近10000平米的服务面积，因此估算中水水源热泵的建设投资成本为200～240元/平米。如果用电负荷能满足、服务范围集中，建设投资成本还可以相应降低。8主要设备材料表序号名称规格型号单位数量备注1板式换热器3200kW台13200kW,板片材料316L2源水循环泵200WL250-16-18.5台3G=250m3/h，H=15mH2O，N=15KW，r=1470转/分。3反冲洗过滤器DN300台24源水泵房电控柜GGD、GGJ台25水源热泵机组MWH150CB-BBU/AH台3额定供热量为534Kw，额定供冷量为487Kw，6中介水循环泵DFG200-315/4台1G=200m3/h、H=32mH2O；N=30KW，r=1470转/分DFG125-160/2台2G=160m3/h、H=32mH2O；N=22KW，r=2940转/分7末端水循环泵DFG200-400(I)C/4台1G=305m3/h、H=31mH2O，N=45KW，r=1470转/分DFG200-315/4台2G=182m3/h、H=28.8mH2O，N=22KW，r=1490转/分8数字定压装置YTSZ-8-40台1G=4～8t/h，P=0.2～0.5MPa9钠离子交换器FLAIK-5台1制水量G=5t/h10软化水箱钢制个1尺寸1700×1200×180011分水器钢制个1Φ450×160012集水器钢制个1Φ450×160013主机房电控柜GGD、GGJ台914镀锌钢管各种型号米7920915焊接钢管各种型号米167016碟阀各种型号个72软密封蝶阀17金属软接DN20个1138软密封蝶阀18过滤器DN20个1138软密封蝶阀19橡胶软接DN100或150个26软密封蝶阀20风机盘管各种型号台56921截止阀DN20个113822百叶送风口600*120或900*120个56923回风口700*150或930*150个56924温控器个56925UPVC管各种型号米250026自动排气阀DN20个19027过滤器DN20个113828箱式变压器1000KVA台129室外电缆高压3*95米400低压米235四、中水水源热泵技术及应用情况分析：（一）中水水源热泵系统介绍1．热泵机组及循环水泵选用大型水—水热泵螺杆机组，供水温度：冬季为50/45℃，夏季为7/12℃。按现状负荷选用型号为MWH150CB10（3台)，单台额定供热量为534kW，额定供冷量为487kW。制热压缩机单机输入功率为120Kw，单机制冷输入功率为87Kw，最大运行电流290A，热泵供热COP=4.45，供冷COP=5.597。三个循环系统均设置3台循环水泵，设计是2用1备，但实际运行当中，是1用2备。2．室外管网为便于热平衡调节，本设计将厂区主要分为东北、西北、东南、西南四个终端用户区域，水源热泵机房内设分集水器，分4条支线供各个区域，对各区供热、供冷量进行分区调节控制。管网采用枝状布置，闭式循环系统。管道布置尽量利用原有地沟敷设，新增管线采用无补偿直埋敷设方式。根据供热管网供热介质及压力和温度参数,供热管道及管材，管径≤DN100的采用镀锌钢管，管径＞DN100mm的采用焊接钢管，管道材质均采用Q235。管道防腐保温：室外管道地沟敷设的焊接钢管为红丹防锈漆防腐（镀锌管道不防腐），保温材料为岩棉管壳。直埋管道采用保温层、保护外壳结合成一体的预制保温钢管，保温材料为聚氨脂硬质泡沫塑料，外壳材料为高密度聚乙烯。管道阀门：管线管径＞DN40的阀门采用软密封蝶阀，管径≤DN40的阀门采用截止阀。11管道补偿器：从现场条件考虑，厂区腐蚀性物质多，设备工作条件差，本项目推荐尽量采用自然补偿方式。即方形补偿器、Z型补偿器、L型补偿器。前述补偿器不能满足时，采用橡胶软接头或钢制套筒补偿器，禁止采用不锈钢波纹管补偿器。3．室内管网建筑物内管网，空调水管采用Q235镀锌钢管。空调冷凝水管采用