城市污水源热泵设计与应用

城市污水源热泵系统的设计一、课题研究的背景、目的和意义1.1我国城市污水排放及处理现状1.2城市污水的特点1.3污水源热泵的特点及研究的意义1.4污水源热泵的经济性分析1.1我国城市污水排放及处理现状到2004年底，全国661个城市建有污水处理厂708座，处理能力为4912万立方米/日；北京市，每天约产生300万吨的污水，到2008年，城市污水的处理率将达到90%以上，日处理污水量达270万m3；可供暖面积将达到2280万m2，供冷面积将达到1100万m2，生活热水供应量将达到7.4万m3/d。表12008年前北京各污水处理厂建设计划与潜能计算结果1.2城市污水的特点冬暖夏凉全年水温变化小和受气候影响小污水排热量稳定来源充足，接入方便1.3污水源热泵的特点及研究的意义环保效益显著高效节能运行稳定可靠一机多用，应用范围广污水源热泵工作原理冬季：Q2＝Q1+Q3Q2≥4Q3夏季：Q1＝Q2+Q3Q2≥5Q31.4污水源热泵的经济性分析1.4污水源热泵的经济性分析初投资：158.5元/m2（水源热泵机房）；运行费用：夏季，18.4元/m2冬季，18.9元/m2；节省地源热泵中打井等费用，有效利用低位热能资源；污水源热泵的运行效率较高、费用较低，具有环保节能的重要意义。二、国内外现状分析国外污水热泵系统的应用20世纪80年代初在瑞典、挪威等北欧国家建造的一些以污水为低温热源的大型热泵站相继投入运行；瑞典斯德哥尔摩有40%的建筑物采用热泵技术供热，其中10%是利用污水处理厂的出水；挪威奥斯陆，第一台污水热泵机组已在1983年投入使用。对于约10人的住宅，采用热泵技术回收家庭生活污水余热可节能达50%，对于10人以上的住宅可节能达60%。国内污水热泵系统的应用哈尔滨马家沟河畔的一处600m2西餐酒吧利用污水作为热量来源来供暖制冷；1999年北京工业大学在高碑店污水处理厂建设污水源热泵供3000m2办公楼采暖空调；2004年，密云污水处理厂的2000m2办公楼，用上了“污水空调”；2005年哈尔滨工业大学新源热能科技有限责任公司成立，“城市原生污水源热泵空调”；国家也出台了相应的污水利用政策污水源热泵污水源热泵系统的原理是夏季将建筑物中的热量转移到污水源中，冬季将污水中的热量提取供房间采暖。三、污水源热泵系统的原理及设计污水源热泵系统节能原理系统制热时：说明性能系数COP随冷源温度T0的升高而增大，随T0的降低而减小。说明性能系数COP随热源温度T的升高而减小，随T的降低而增大。0TTTCOP2000()COPTTTT≥0200()TCOPTTT≤　污水源热泵系统流程图污水源热泵系统的设计及研究污水源的条件水量充足，水温适度，水质适宜，供水稳定过滤器河道取水口及排水口布置图取水管线图蓄水池平面及立面图污水泵房流程图热泵机房设备平面布置图污水源热泵系统设计中应注意的问题能源的综合利用率来评价方案的可行性，得出最优方案，使得工程造价最低，运行费用也最低。污水源热泵工程施工中首先要实地测试污水的水质，水温及水量，由此确定方案中其他设备的配套使用。污水利用时，污染、腐蚀、结垢都是不可避免的问题，但是如何将此负面影响降低到最小限度就是方案设计的重点。污水利用不能对环境造成影响或二次污染，因此在污水的取排水施工过程中应该注意管道输送的密闭性，而且管材的选择也要防腐性强，并定期检查。本项目为北京市某污水源热泵采暖空调工程，位于北京市亦庄高新开发区。项目濒临市区凉水河，河内常年流有温度波动较小的污水，污水资源是热泵机组非常适合的热源和冷源，充分利用污水资源，不仅节约大量的能源，保护环境，而且可以展示污水这一特殊可再生能源的热泵利用技术。四、实际工程系统设计简介供热供冷系统方案污水提取工艺流程1、河道取水——管道输送——沉滤池——高效过滤处理——循环水泵——高效换热器——管道输送——排入河道2、河道取水——管道输送——沉滤池——高效过滤处理——循环水泵——高效换热器——反冲过滤器——排入化粪池污水用量设计计算夏季污水利用温差为10℃，污水水量为631m3/h；冬季污水利用温差为5℃，污水水量为670m3/h；因此污水设计量为680m3/h污水输送管道直径污水取水采用虹吸管，管径为：425mm排水泵站出水管管径为：320mm运行模式项目机组热源冷源冬季采暖热泵机组二次水—夏季空调热泵机组—二次水冷水机组—二次水冬季生活热水热泵机组二次水—过度季生活热水电锅炉——夏季生活热水热泵机组冷却水—设备选型项目热（冷）负荷（kW）设备容量（kW）机组开启台数供暖458550283台热泵机组生活热水530冬季热泵机组530过度季节电锅炉530夏季热泵机组冷却水空调61451261×3＋2450×1＝62333台热泵机组1台冷水机组热泵机组：法国CIAT的LWP4200产品3台，冷水机组：美国麦克维尔公司的WSC126LBH产品1台。热交换器无锡红旗压力容器制造有限公司浮头管壳式换热器6万m2写字楼初投资及运行费用分析初投资的估算：272元/m2；不包括暖通系统末端设备的投资及安装费用。年运行费用估算：50.10元/m2。污水测温实验研究污水温度测试的必要性水源是应用水源热泵的前提。水源热泵系统运行时对水源的要求为：水量充足，水温适度，水质适宜，供水稳定。污水源的水温、水量和水质对污水源热泵系统的运行更起着至关重要的作用。污水测温实验工具污水测温实验研究结果分析与比较高碑店污水处理厂2000－2001年冬季二级出水的水温变化图污水测温实验研究2005.12.272005.12.312006.01.062006.01.102006.01.14-10-50510温度/℃时间污水温度室外温度2006.8.12006.8.152006.8.192006.8.252006.8.302426283032343638温度/℃时间污水温度室外温度污水暴露空气中流动，温度的变化率大约为0.5～1.0℃/公里河道中的污水仍然是水源热泵很好的热源/热汇！污水换热器设计要求首先，满足工艺要求，尽量减少热量损失。其次，要求具有一定的强度，便于安装和维护。第三，污水换热器更重要的是要防腐蚀性能好，抗垢，清洗方便，处理量大。管壳式换热器的选择浮头式换热器的特点：整个管束可从壳体中抽出，便于清洗和检修，采用不锈钢材质，防腐蚀性能好。五、污水换热器的选择换热器工程计算公式：管壳式换热器中的换热过程：管内污水——管内壁黏泥——管内壁——管外壁——二次水传热系数的计算：结果：故本工程选取设计平均传热系数650～750W/(m2·℃)，计算换热面积为933～1077m2。mmQkAt1212111mwqkhh换热器的传热计算km——整个传热面上的平均传热系数；A——传热面积；△tm——两种流体之间的平均温差。mmQkAt过滤器的分析开放式过滤器密闭式过滤器