污水余熱大棚防凍系統(tǒng)設(shè)計

王立寧 齊松平

摘要 為促進(jìn)污水有效利用，提出了用污水處理余熱解決冬季大棚防凍的方法，污水余熱大棚防凍法是利用處理后的污水，通過換熱器換取污水余熱，使用地?zé)?、風(fēng)機(jī)盤管聯(lián)合為大棚升溫。該方法可以使大棚溫度在極端天氣下保持在接近污水排水的水溫，能夠確保大棚防凍，溫度可以達(dá)到耐低溫果蔬生長需要，適用于北方臨近污水處理廠的設(shè)施農(nóng)場應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 污水余熱；大棚防凍；污水利用；節(jié)能

中圖分類號 S273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）27-09623-02

Design of Sewage Waste Heat Greenhouse Antifreeze System

WANG Lining¹， QI Songping²

（1.Liaoning Institute of Saline Alkali Land Use， Panjin， Liaoning 124010； 2.Dawa County Sewage Treatment Plant， Panjin， Liaoning 1242002）

Abstract In order to promote the effective use of sewage， the method to resolve winter greenhouse antifreeze through sewage waste processing heat was put forward. Waste heat in sewage antifreeze method is the use of treated sewage， through the heat exchanger for The use of sewage waste heat， geothermal， fan coil plus for greenhouse heating. This method can make the greenhouse temperature in extreme weather conditions remain near sewage discharge temperature， so as to ensure the greenhouse antifreeze， temperature can satisfy growth demands of low temperature resistance vegetable and fruit， which is suitable for facility farm around sewage treatment plant in north area.

Key words Sewage waste heat； Greenhouse antifreeze； Sewage utilization； Energy saving

隨著國家農(nóng)業(yè)政策改革，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)得到迅速發(fā)展，北方冬季蔬菜生產(chǎn)成為增加農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入的重要途徑之一。在溫室蔬菜周年生產(chǎn)中，蔬菜越冬生產(chǎn)的關(guān)鍵是如何解決好冬季溫室在持續(xù)低溫、連陰等極端氣候條件下，溫室內(nèi)溫度過低的問題。經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能型日光溫室在反季生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，我國學(xué)者針對日光溫室墻體、土壤保溫性能進(jìn)行了較為深入的研究，提出了一些切實可行的優(yōu)化方案。在普通日光溫室中，通常于11月中旬至第2年2月份由于早晚溫室內(nèi)溫度過低而不能進(jìn)行蔬菜生產(chǎn)，在3月份要靠煙道給溫室加溫，才能滿足育苗的要求。在日光溫室中，當(dāng)天氣晴朗時，即使是冬季，室內(nèi)溫度也可達(dá)到25～28 ℃，甚至達(dá)到30 ℃以上的高溫，超過一般喜溫作物的要求（20～24 ℃），而在凌晨溫室內(nèi)氣溫則降到3～0 ℃。因此，如何有效利用太陽能，貯存太陽能成為提高日光溫室生產(chǎn)效益的關(guān)鍵問題，也是解決冬季溫室內(nèi)果菜生產(chǎn)的關(guān)鍵。解決這些問題，對日光溫室來講除解決好采光和保溫兩個重要環(huán)節(jié)外，采用地下熱交換系統(tǒng)貯能增溫也是一項有效措施^[1-6]。

地下熱交換系統(tǒng)設(shè)想是在20世紀(jì)60年代末期日本的山本雄二郎提出來的，但直到70年代世界性的石油危機(jī)爆發(fā)之后，研究工作才大量開展起來。日、美、法等國均進(jìn)行過利用地中熱交換系統(tǒng)貯能加溫的研究；國內(nèi)從1983年開始，一些科研單位也相繼進(jìn)行了溫室（塑料大棚）地下熱交換系統(tǒng)的試驗，并已在華北、東北地區(qū)的一些塑料大棚和日光溫室中得到推廣應(yīng)用^[3]。污水余熱大棚防凍系統(tǒng)是在前人研究的基礎(chǔ)上，利用污水處理廠排水的余熱，以地?zé)岷惋L(fēng)機(jī)盤管聯(lián)合為大棚送熱方式，使大棚在極端氣候條件下仍能保證生產(chǎn)需求。

溫度也是影響污水生物處理效果的重要因素之一。自然條件下，污水處理廠水溫通常在15～25 ℃之間，在這個溫度范圍內(nèi)，溫度越高越有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行^[7]。有關(guān)研究表明，當(dāng)水溫低于13 ℃時，生物處理效果開始加速降低；當(dāng)水溫低于4 ℃時，幾乎無處理效果^[8]。通過以上分析，北方地區(qū)低溫污水就是可靠的熱源來源，可以利用它給大棚升溫防凍。低溫污水主要是指在我國北緯40度以北的城鎮(zhèn)（一般在6～10 ℃，少數(shù)在4～6 ℃）的冬季城市污水。由于我國寒冷地區(qū)一年中的大部分時間處于低溫環(huán)境，地面排水溫度一般在10 ℃左右^[9]，如盤錦市地處北緯41° 11′，年平均氣溫97 ℃，冬季平均氣溫-4.6 ℃，最低氣溫-18.5 ℃^[10]。盤錦市大洼縣城市污水處理廠日處理能力2萬m³，冬季排水水溫12～15 ℃。由此可以看出，污水中蘊藏著大量熱量可以為大棚冬季生產(chǎn)服務(wù)，其工藝流程如圖1。

設(shè)計計算：采用指標(biāo)估算法。

根據(jù)張亞紅^[11]的研究，該方案選取大棚熱負(fù)荷為270 W/m²。

設(shè)熱負(fù)荷為270 kW；

根據(jù)公式Q=cmΔT；m=ρ V ；

經(jīng)計算，最不利工況下水流量為116 m³/h。

設(shè)備選型：30 kW風(fēng)機(jī)盤管，7臺；流量116 m³/h，揚程10 m抽水泵、循環(huán)泵各2臺（一用一備）；換熱量270 kW、水量116 m³/h換熱器2臺（一用一備）。

1.2 方案的實施

由圖2可知，抽水泵由污水排水口取水輸送經(jīng)過換熱器換取余熱，再排到取水口下游；取水口周圍設(shè)置過濾格柵，過濾精度逐漸提高；地?zé)峁?、風(fēng)機(jī)盤管分別和換熱器形成閉式循環(huán)，共用一道主管線，由循環(huán)水泵強(qiáng)制循環(huán)；設(shè)置溫控開關(guān)控制抽水泵和循環(huán)水泵啟停，并聯(lián)動；溫控開關(guān)設(shè)置為低于10 ℃啟動，高于11 ℃停止，溫差感溫探頭置于棚內(nèi)；風(fēng)機(jī)盤管均勻懸掛于棚內(nèi)，采用并聯(lián)方式；地?zé)峁苡膳飪?nèi)向四壁逐漸加密，布置于大棚四壁內(nèi)側(cè)0.8 m范圍內(nèi)，地埋；與換熱器相連的主管道均采用黃夾克管地埋至凍層以下。棚內(nèi)效果見圖3。

此套系統(tǒng)大部分熱量是由風(fēng)機(jī)盤管對棚內(nèi)空氣加熱，地?zé)嵩谂锼谋诃h(huán)形布置可阻隔四周地面冷量入侵。在生產(chǎn)結(jié)束后應(yīng)將系統(tǒng)排空，以防管道、設(shè)備凍壞，再次使用前重新為系統(tǒng)注水。膨脹補(bǔ)水箱在圖2中未畫出，實施時可按規(guī)范將其置于循環(huán)泵吸水口后方，高于系統(tǒng)3 m，注水即由水箱補(bǔ)水。系統(tǒng)中的涉及的設(shè)備和材料均為成熟產(chǎn)品，價格低廉、易于采購。

1.3 數(shù)據(jù)分析

方案取水量不足大洼縣城市污水處理廠日處理量的七分之一，耗電設(shè)備僅為兩臺水泵，每臺水泵功率5 kW左右，耗電量低，如某品牌水泵流量112.2 m³/h、揚程97 m、功率5.5 kW。取水流經(jīng)換熱器換取余熱后回歸排水口，對水資源零消耗。

2 結(jié)果與分析

該方案從理論上論證了污水余熱大棚防凍法的可行性和經(jīng)濟(jì)性。試驗證明，利用七分之一的日處理量即滿足了冬季大棚防凍的需求，仍有大部分的富余熱量可被利用，安全性很高；運轉(zhuǎn)設(shè)備僅為兩臺水泵，能耗低；核心設(shè)備為單臺換熱器，維護(hù)簡單可靠性強(qiáng)；系統(tǒng)運行不消耗自然資源、不產(chǎn)生排放，具有環(huán)保性；實現(xiàn)自動控制，無需人員管理，解放勞動力；該方法可將大棚升溫到接近水溫的溫度，對提高污水利用、促進(jìn)大棚生產(chǎn)都有實際意義，且該方法的普遍適用性強(qiáng)。

3 結(jié)論與討論

在前人對冬季大棚防凍研究的基礎(chǔ)上，探討了利用污水余熱解決大棚防凍問題的新方法。從設(shè)計方案可以看出，如果該廠日處理2萬t污水的余熱完全被利用，可以確保7 000 m²大棚不凍。大洼縣污水處理廠位于大洼縣新園社區(qū)，屬于城郊地區(qū)，周邊300 m內(nèi)就有規(guī)?；倪B棟大棚，該地種植的香瓜和堿地柿子深受市場歡迎，如果能夠利用污水余熱對大棚進(jìn)行防凍改造，對保證農(nóng)民收益和促進(jìn)當(dāng)?shù)嘏锊嗽霎a(chǎn)增收將起到積極的作用。

污水余熱大棚防凍法是利用處理后的污水，通過換熱器換取余熱，使用地?zé)?、風(fēng)機(jī)盤管共同為大棚升溫的一種大棚防凍方法，該方法可以將大棚升溫至接近水溫的溫度，適用于寒冷地區(qū)臨近污水處理廠的大棚，是對污水余熱的一種有效利用，有利于提高農(nóng)民收益。污水余熱大棚防凍是對污水有效利用和污水處理與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的一種新探索，它具有安全、可靠、節(jié)能、環(huán)保等特點。

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