污水熱泵在城市生活小區的應用

第26卷第5期中國給水排水Vol. 26 No. 52010年3月CHINA WATER & WASTEWATERMar. 2010污水熱泵在城市生活小區的應用.林真國'，張素云”，付祥釗'， 白雪蓮 '(1.重慶大學(xué)城市建設與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400045; 2.后勤工程學(xué)院營(yíng)房管理與環(huán)境工程系，重慶400042)摘要:從就近利用小區污水冷熱能的角度出發(fā),對重慶市主城區某居住小區生活污水的溫度和流量進(jìn)行了測試分析,提出了小區污水熱泵系統應用于建筑空調、供暖和衛生熱水供應的綜合節能系統模式;調研了小區生化池內污水溫度分布,分析了小區污水逐時(shí)流量及逐月流量的變化,討論了小區污水所能提供的冷量與建筑實(shí)際需要冷負荷的匹配關(guān)系,提出了生活小區污水熱泵系統與常規冷熱供應系統的復合式冷熱供應方案。關(guān)鍵詞:建筑節能; 污水源熱泵; 污水溫度; 污水流量; 應用模式中圖分類(lèi)號: X703文獻標識碼: C文章編號: 1000 - 4602(2010)05 -0088 -05Application of Sewage-source Heat Pump in Urban Residential AreaLIN Zhen-guo'，ZHANG Su-yun2，FU Xiang-zhao'，BAI Xue-lian'(1. Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University,Chongqing 400045, China; 2. Department of Barracks Management and EnvironmentalEngineering ，Logistical Engineering Univrsity, Chongqing 400042, China)Abstract: The temperature and flow of domestic sewage from a residential area in Chongqing Citytested and analyzed for the nearest utilization of cold and hot energies from the sewage. An energysaving mode of sewage-source heat pump system applied for building air-conditioning，heating and sanita-ry hot-water supply was put forward. The sewage temperature distribution in the biochemical tank in theresidential area was investigated. The variation of hourly and monthly flow rates of the sewage was ana-lyzed. The matching relationship between cold energy provided by the sewage and the cooling load neededfor the buildings in the residential area were discussed.A combined cooling and heat supply scheme byusing sewage-source heat pump and traditional cooling and heat supply system to farthest utilizing the sew-age energy was proposed.Key words: building energy saving; sewage-source heat pump; sewage temperature; sewageflow; application mode城市污水具有冬暖夏涼的特性!21 ,是熱泵技新能源開(kāi)發(fā)的前沿課題，對“節能減排"具有重要意術(shù)理想的低溫熱源和熱匯。利用熱泵技術(shù)回收城市義,具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的開(kāi)發(fā)利用潛污水中蘊藏的冷熱能已成為污水資源化利用和建筑力3-5]基金項目:重慶市建委科技項目(城科字2008第30號);國家科技支撐計劃項目(2007BAB21B02 -3);重慶市科技攻關(guān)計劃項目(CSTS2008AB7110).88.www. watergasheat. com林真國,等:污水熱泵在城市生活小區的應用第26卷第5期對城市污水冷熱能的應用研究從20世紀80年1.2水溫特性代就開(kāi)始了,國內外已經(jīng)有很多對該領(lǐng)域的研究報筆者對生化池內污水溫度進(jìn)行了長(cháng)期監測，測道，但所報道的污水源熱泵系統絕大多數設在城市點(diǎn)如圖2所示,溫度傳感器采用銅-康銅熱電耦,測污水處理廠(chǎng)， 或者在城市污水主干管,很少將污水源試數據通過(guò)智能溫度巡檢儀自動(dòng)記錄?？紤]到冬季熱泵系統設在城市居住小區的生化池0.7]。將污水的污水溫度分布規律與夏季相似，僅取夏季典型日源熱泵系統設在城市居住小區或者單棟建筑的生化的生化池污水測試溫度進(jìn)行說(shuō)明。池附近,能夠快捷地利用污水冷熱能,便于將回收的熟電耦污水熱能就地實(shí)現利用8]。此外,在污水從小區排t污水出后到污水處理廠(chǎng)的過(guò)程中,污水還可以與地下土“流人壤進(jìn)行換熱，減小因污水熱泵系統運行帶來(lái)的污水106多102108|109溫度變化,可以實(shí)現污水熱能的多級利用。| 1101141生活小區污水特性107|1131161121.1污水生 化池流程wwwwyl kwwwww. wwwwwww wwwwww池C池A生活小區污水成分復雜,其水質(zhì)直接影響污水點(diǎn)熱泵系統的性能。原水中的懸浮物、油脂、殘渣、硫圖2污水生化池 溫度測點(diǎn)分布化氫、活性細菌等都容易造成設備的堵塞、腐蝕、結Fig.2 Temperature sensor distibution in biochemical tank垢和換熱性能的降低,這也是近年來(lái)污水換熱設備測試發(fā)現各池內沿豎直方向污水存在明顯的集中研發(fā)需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前仍有較多的生活溫度梯度,因為池內污水流速小，容易形成溫度分小區污水首先排人到小區生化池做初步處理后再排層,且沿深度方向的水溫逐漸降低。測得池A、B、人市政污水管網(wǎng),筆者所調研的生活小區污水排放C、D的8月份最高溫度分別為28. 2.29.5.28.9、方式即是如此。圖1顯示了該小區污水生化池的平29.6 C,最低溫度分別為25.4、26. 1.25.9、26. 1面布置。C。溫度梯度以池A最大，平均溫度梯度為-2.54C/m,池B、C、D的平均溫度梯度分別為- 1.25、-0.50、-2.25 C/m。溫度梯度的差異反映了各池沉淀厭氧發(fā)醇 厭氧發(fā)酵沉淀污水內污水的對流強弱，可為生化池內污水換熱器的設引流出置提供有益的參考。由于進(jìn)入生化池污水流量的動(dòng)態(tài)變化,池內水池D池B溫全天表現出一-定的波動(dòng)性,圖3是各池內污水平均溫度的動(dòng)態(tài)變化曲線(xiàn),波動(dòng)范圍為2.8~3.6 °C，圖1調研小區污水生化池平面各池內污水溫度從A到D逐漸升高,污水從進(jìn)口到Fig. 1 Plan of biochemical tank原水在池A中沉淀,大部分的固體殘渣均積聚出口溫度升高約2 C ,這是因為發(fā)酵產(chǎn)生熱量所致。在池A中，體積較小的固體殘渣隨污水流入池B和30池C中發(fā)酵分解,然后進(jìn)入池D再次沉淀,最后排入市政污水管網(wǎng)?，F場(chǎng)調研發(fā)現,池A中幾乎看不酒27-到污水，上層全部是漂浮的固體殘渣層(厚度約為E 26毋池B士池C25400mm);池B、池C中漂浮較少的固體殘渣,以污54O池D水為主，池C相對池B則固體殘渣更少;池D中的污水比池B、池C更顯得清澈,表面幾乎無(wú)固體殘渣測試時(shí)刻存在。池D中的污水除了酸堿度指標外,其水質(zhì)已圖3生化池內污水平均溫度的時(shí)變化規律基本滿(mǎn)足換熱設備的要求,污水熱泵系統可從池DFig.3 Hourly temperature of sewage in biochemical tank中直接或間接提取冷熱能。將A、B C、D各池內的平均溫度與室外的日平. 89..第26卷第5期中國給水排水www. watergasheat. com均氣溫進(jìn)行對比,結果如圖4所示?？芍?污水溫度變化幅度明顯比逐時(shí)變化幅度小,7月一10月的污.全年的波動(dòng)明顯小于室外氣溫的,污水溫度相對穩水排量相對較大,1月一3月的污水排量現對較小。定。由于氣溫日變化大,其日平均溫度與污水日平可見(jiàn),該污水流量特征對采用污水源熱泵系統的夏均溫度的差異小于各測試時(shí)刻二者的瞬時(shí)差值。如季制冷有利，而對冬季供暖則不利。果按照熱泵系統開(kāi)啟運行的時(shí)間進(jìn)行比較，污水作3 500為低溫熱源相對空氣來(lái)說(shuō)，其冬暖夏涼的特性將更s3000自2500加明顯。備200032-常1500定100024-50091011 12161月份一日平均水溫圖6 生活小區污水排量逐月變化日平均氣溫Fig. 6 Monthly discharge volume of sewage中中中中中中中中中中中巴2生活小區污水冷熱能利用四四四四四四四四四四四四2.1污水可利用冷 熱能。2=2日期國內外所報道的污水熱泵系統采用的污水換熱溫度多為5 C ,夏季污水經(jīng)熱泵后溫度升高約5 C,圖4生化池內污水平均溫度逐月變化冬季則降低約5C,這樣的溫度變化對污水處理工Fig.4 Monthly temperature of sewage in biochemical tank藝的影響較小，對菌類(lèi)活性的影響可以忽略。結合1.3流量特性通常認為污水流量可按照給水量的90%計算。國內外大多數污水熱泵機組的性能參數,制冷工況筆者所調研的小區,6層以上住戶(hù)的生活給水均采下機組的性能系數可取為5.0,供熱工況下機組的用二次加壓方式,二次水箱設置在32層屋頂，流量性能系數可取為4.0,則夏季和冬季污水可利用的采用超聲波流量計在二次水箱給水出口測試得到。冷熱量分別為:Q1=K、C. G、. AT(1)圖5是該小區冬季(2007年1月8日)的給水流量QR=K.C. Gy. AT(2)時(shí)變化情況?？芍鬯髁康臅r(shí)變化較大,峰值分式中QQR一分別為污水可利用的冷量和熱別出現在12時(shí)、18時(shí).0時(shí)以及9時(shí),15時(shí)一16時(shí)、量,kW3時(shí)一4時(shí)、10時(shí)一11時(shí)則是排水量的低谷。G、、GJ-分別為夏季和冬季的污水流量,6m3/hK,_-夏季冷量修正 系數,為0.222.K。-冬季熱量修正系數,為0.347C一污水比熱容，取水的比熱容為4.187kJ/(kg. K)AT--污水換熱前 、后的溫差,可取5 C由于污水流量的逐時(shí)波動(dòng)性,污水可利用冷熱能同樣也具有時(shí)間峰谷特性。建筑冷熱負荷的需求圖5生活小區污水排量的時(shí)變化規律隨著(zhù)室外氣象參數的變化是逐時(shí)變化的,但污水可Fig. 5 Hourly discharge volume of sewage利用冷熱能的峰谷特性與建筑實(shí)際冷熱負荷需求的生活小區污水排量短期內基本穩定,但氣候的逐時(shí)變化特性并不一- 定吻合。以調研的小區為例，變化會(huì )造成居民用水量的變化，調研小區全年污水按式(1)計算的夏季污水可利用冷量與小區建筑冷排量的逐月變化情況見(jiàn)圖6?？芍?，污水排量逐月負荷需求匹配特性如圖7所示。. 90.www. watergasheat. com林真國,等:污水熱泵在城市生活小區的應用第26卷第5期800系統。從物業(yè)配套用房面積及使用功能分析可知，。建筑冷負荷700■污水可利用冷量小區污水生化池內的可利用冷熱量能夠滿(mǎn)足物業(yè)配一60(套用房的冷熱負荷需求。在污水排量較大的小區,尚可利用部分污水冷熱量為小區配套的會(huì )所、超市面400t 300提供空調及生活熱水的冷熱量。生活小區污水熱泵應用系統見(jiàn)圖8。在該系統00曲中,污水熱泵機組冷熱源側(污水側)和負荷側(空調設備及衛生熱水側)各形成一個(gè)獨立的閉式環(huán)路，分別設置膨脹水箱1和膨脹水箱2對系統進(jìn)行圖7污水可利用冷量 與建筑冷負荷的對比定壓和容納管路中水容積的變化,同時(shí)也可對系統進(jìn)行排氣。Fig. 7 Comparison betveen sewage cooling capacity and哪脹水箱影脹水箱2building cooling load拋管換熱器污水所能提供的冷量?jì)H為建筑實(shí)際所需冷負荷的2.0%~5.0%,污水最大可利用冷量出現在晚上又個(gè)289:00,而建筑最大冷負荷出現在下午4:00,二者在三城的總時(shí)間上存在滯后。在數量上生活小區污水所能提供的冷量只能滿(mǎn)足少部分用戶(hù)的供冷供熱需求,這是接白來(lái)水補水因為所調研的小區規模較小(總建筑面積為32000-熱本回本一0-熱水俱本m2),常住人口數量少,污水排量相對較小。因此，生活小區污水熱泵系統在實(shí)際應用中需要結合常規的能源方式,構建復合式的冷熱供應系統,以解決生圖8生活小區污水熱泵應用系統活小區污水可利用冷熱能和生活小區建筑冷熱負荷Fig.8 Sewage source heat pump system applied in需求在時(shí)間和數量上不匹配的矛盾，采取自動(dòng)切換urban residential area的方式提高能源綜合利用效率。夏季正常制冷工況下,閥門(mén)V1、V2打開(kāi)，V3、2.2污水熱泵應 用模式V4、V5均關(guān)閉。水泵A推動(dòng)高溫的冷卻水從污水生活小區污水冷熱能通常采用熱泵方式加以利熱泵機組出口1流出，串聯(lián)流經(jīng)污水生化池內的各用。由于受小區生化池水質(zhì)的限制，其不適宜直接拋管換熱器,溫度降低后由點(diǎn)2循環(huán)進(jìn)人污水熱泵進(jìn)人熱泵機組或者換熱器設備，利用過(guò)濾器對污水機組,從而將冷凝熱釋放給生化池內的污水，由于污進(jìn)行處理需要- -定的占 地且容易產(chǎn)生臭氣,因此采水的流動(dòng)性,該冷凝熱最終排向市政污水管網(wǎng);而在用拋管換熱器的方式對污水冷熱能加以間接利用是負荷側冷凍回水則在水泵B的推動(dòng)下自點(diǎn)3進(jìn)入最好的選擇,將換熱器設置在生化池內與污水進(jìn)行污水熱泵機組,被機組吸熱降溫后冷凍供水從點(diǎn)4換熱。換熱器材質(zhì)可選用目前常用的PE塑料管，流出供給各空調末端設備。制冷過(guò)程由于污水生化根據熱泵機組流量管徑通常選用DN20~DN32。池內溫度較室外空氣溫度低,污水熱泵機組冷凝溫分析表明，生活小區污水可利用冷熱能占小區度較常規的風(fēng)冷和冷卻塔系統可低5~10 C。根據建筑總冷熱負荷的2.0% ~5. 0% ,顯然不能將生化蒸汽壓縮式制冷循環(huán)效率的分析,冷凝溫度每降低池內的污水冷熱能大量地應用到小區居住建筑內，1 C,機組制冷效率可提高3%左右。因此，污水熱但應用到小區配套的物業(yè)建筑內卻具有較好的可行泵機組夏季制冷工況可實(shí)現15%~30%能效的提性。根據物業(yè)管理的相關(guān)條例，居住小區物業(yè)配套高,進(jìn)而實(shí)現節能。用房面積-般為小區總建筑面積的0.3%~0.5%，當污水可利用冷量不足以提供制冷系統冷卻需包括物業(yè)管理辦公室業(yè)主委員會(huì )辦公室、保安監控求時(shí),污水熱泵機組冷卻水進(jìn)口水溫2處溫度升高，室及宿舍等配套設施。該部分用房需要設置空調制超過(guò)機組設定的上限溫度時(shí)可以關(guān)閉閥門(mén)V1、V2冷及采暖系統,對配套宿舍還需設置衛生熱水供應及V5,同時(shí)打開(kāi)閥門(mén)V3、V4,將污水源熱泵制冷系.91 ..第26卷第5期中國給水排水www. watergasheat. com統切換到常規的冷卻塔制冷系統，進(jìn)而實(shí)現該系統生活小區污水熱泵系統在實(shí)際應用中需要結合常規對建筑冷負荷的更大適應性。但需要適當增加冷卻的能源方式,構建復合式的冷熱供應系統,以解決污塔備用系統的投資。水可利用冷熱能和建筑冷熱負荷需求在時(shí)間和數量冬季供熱情況下,各水環(huán)路的流動(dòng)過(guò)程與夏季上不匹配的矛盾,提高能源綜合利用效率,使生活小相同，污水熱泵機組可自動(dòng)實(shí)現制冷劑環(huán)路的換向,區污水熱泵系統滿(mǎn)足節能和可靠性的雙重要求。制熱工況下水泵A推動(dòng)水從污水生化池內吸熱,而水泵B所在的負荷側可得到40~45C的高溫熱參考文獻:水。由于污水溫度的冬暖夏涼特性,污水熱泵機組[1]呂鑒,馮彥剛城市污水低位熱能回收利用的研究在冬季制熱工況下仍然可以獲得較高的能效。[J].工業(yè)用水與廢水,2002 ,33(1):10-12. :除此以外,通過(guò)回收制冷過(guò)程的冷凝熱或者運2]林真國， 張素云,伍培.重慶市城市污水冷熱資源利用行單獨的制熱循環(huán),污水熱泵機組同時(shí)還可以提供的可行性探討[J]，科學(xué)咨詢(xún),2009 ,(5);13.50~60 C的衛生熱水。水泵C的運行受衛生熱水.3]李亞峰,陳平.利用熱泵技術(shù)回收城市污水中的熱能箱內溫度傳感器的控制,同時(shí)連鎖污水熱泵機組運[J].可再生能源,2002 ,(6):23 -24.行;溫度低于設定值(如50 C)的熱水從點(diǎn)5進(jìn)入4]尹軍， 王宏哲,韋新東，未處理城市污水熱能回收方式機組，吸收冷凝熱后溫度升高,從點(diǎn)6流出機組，自綜述[J].中國資源綜合利用,2003,(10):20 -26.點(diǎn)8進(jìn)人水箱,維持水箱內溫度范圍恒定;水泵D5]馬最良，姚楊，趙麗瑩污水源熱泵系統的應用前景[J].中國給水排水,2003 ,19(7):41 -43.推動(dòng)衛生熱水向各淋浴末端供水,回水循環(huán)流回熱6] Funamizu N, Lida M, Sakakura T,et al. Reuse of heat en-水箱。ergy in wastewater: implementation examples in Japan在正常制熱工況下,閥門(mén)V1、V2打開(kāi),V3、V4、[J]. Water Sci Technol ,2001 ,43( 10) :227 -285.V5均關(guān)閉。如果出現污水流量不足或者極端低溫7] Baek N C,Shin U C, Yoon J H. A study on the design情況,污水所提供的熱量可能不足以供應污水熱泵and analysis of a heat pump heating system using機組正常運行,使得機組進(jìn)口點(diǎn)2的水溫低于機組wastewater as a heat source[ J] . Solar Energy ,2005 ,78設定下限溫度,此時(shí)可短時(shí)間開(kāi)啟輔助加熱器,關(guān)閉(3):427 - 440.閥門(mén)V1,同時(shí)打開(kāi)閥門(mén)V5,作為系統污水在極端低[8] 徐偉中國地源熱泵發(fā)展研究報告(2008)[M].北溫情況下的備用方案。京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.3結論城市生活小區污水冷熱能的利用是可再生能源電話(huà):13983745886在建筑上應用的一- 種新方式,對建筑節能具有重要E - mail:lzgequ@ 126. com意義。為了最大程度地利用城市污水的低位熱能,收稿日期:2009-12-18(上接第87頁(yè))了建議。研究進(jìn)展與應用[J]環(huán)境污染治理技術(shù)與設備,2000,1(3):55 -60.[4]李建渠,李靈芝, 王占生.生物濾池和常規工藝對某地[1] 何文杰安全飲用水保障技術(shù)[M]. 北京:中國建筑表水中不同分子量有機物的去除[J].重慶環(huán)境科學(xué)，工業(yè)出版社,2006.2003 ,25(12):46 -47.[2]李迎春 ,肖毅,孫國勝、東深供水工程的生物處理設計與運行[J].中國給水排水,2002, 18(5) :68 -71.E - mail: tq006dy@ 163. com[3]陳漢輝,孫國勝.生物接觸氧化法處理微污染源水的收稿日期:2009 -09 -04.92●