再生水源熱泵在城市軌道交通中應(yīng)用技術(shù)研究

莫鑫宇

( 廣州地鐵集團有限公司，廣州 510330 )

再生水源熱泵在城市軌道交通中應(yīng)用技術(shù)研究

莫鑫宇

( 廣州地鐵集團有限公司，廣州 510330 )

隨著我國城鎮(zhèn)化進程加速，城鎮(zhèn)人口持續(xù)增長，城市軌道交通作為高效、環(huán)保的公共交通工具被越來越多城市所采用，其線路一般經(jīng)過城鎮(zhèn)中心地帶，傳統(tǒng)車站制冷系統(tǒng)采取的冷卻塔散熱，不但帶來環(huán)境污染，而且能耗高、占據(jù)空間大。本文探討了了利用城市污水處理廠排出再生水的熱泵系統(tǒng)，結(jié)合軌道交通車站的空調(diào)形式，對再生水源熱泵在城市軌道交通中應(yīng)用技術(shù)進行研究，解決軌道交通車站空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源問題。

再生水源熱泵；城市軌道交通；節(jié)能

1 前言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程加速，城鎮(zhèn)人口持續(xù)增長，城市軌道交通作為高效、環(huán)保的公共交通工具被越來越多城市所采用，軌道交通的能耗也隨之不斷增加。根據(jù)國內(nèi)已投入使用的地鐵線路運營情況來看，每20km的地鐵軌道交通線路，對于我國北方站內(nèi)不設(shè)空調(diào)系統(tǒng)的地鐵線路，為保證地鐵系統(tǒng)正常運營，每年需耗電6000萬kWh，若車內(nèi)設(shè)有空調(diào)系統(tǒng)，年用電量還要增加至8000萬kWh，故北京地鐵能源費用支出占總運行費用達40%左右。對于夏熱冬暖的南方城市來說，則平均每20km地鐵軌道系統(tǒng)的年用電量甚至高達10000萬kWh。

在軌道交通能耗中，列車牽引供電系統(tǒng)和通風空調(diào)系統(tǒng)是城市軌道交通兩大用電系統(tǒng)，如北京城軌交通系統(tǒng)中，上述兩系統(tǒng)能耗分別占軌道交通系統(tǒng)總能耗的50%和33%。因此開發(fā)推廣節(jié)能型供暖和制冷方式對解決軌道交通的能源問題有著巨大的作用。由于熱泵技術(shù)能有效回收低位能源達到制熱和制冷的目的，已成為解決建筑供暖系統(tǒng)節(jié)能問題的首推技術(shù)之一，在國外已得到大量應(yīng)用，國內(nèi)已經(jīng)開始逐步發(fā)展[1]，軌道交通車站也可借鑒此技術(shù)進行利用。

2 再生水源熱泵的特點和工作原理

2.1 特點

再生水是指城市污水經(jīng)處理設(shè)施深度凈化處理后的水，包括污水處理廠經(jīng)二級處理再進行深化處理后的水和大型建筑物、生活社區(qū)的洗浴水、洗菜水等集中經(jīng)處理后的水。研究表明，夏季，再生水溫低于最高氣溫，比平均氣溫低3℃左右；冬季，高于最高氣溫，比平均氣溫高10℃左右，每日水溫變化溫差較小，均小于3.0℃，小于氣溫變化的范圍。污水處理廠二級出水具有的較好的水質(zhì)，且使用不需另付費用，是各方面綜合性較好的熱泵低位能源[1]。

再生水源熱泵系統(tǒng)主要是以上述再生水作為提取和儲存能量的冷熱源，借助熱泵機組系統(tǒng)內(nèi)部制冷劑的物態(tài)循環(huán)變化，主機消耗少量的電能，在冬天將水資源中的低品質(zhì)能量提取出來，經(jīng)管網(wǎng)供給室內(nèi)采暖系統(tǒng)、生活熱水系統(tǒng)；夏天，將室內(nèi)的熱量帶走，并釋放到污水中，給室內(nèi)制冷并制取生活熱水[2]。

2.2 工作原理

某污水處理廠出水水質(zhì)達到《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)國家一級標準(中水)。出水水質(zhì)檢測結(jié)果如表1：

表1 水質(zhì)檢測結(jié)果

分析項目含量(mg/L)分析項目數(shù)值氯離子(Cl-)222.27pH7.2硫酸根離子230.26分析項目含量(us/cm)酸消耗量(以碳酸鈣計)304.34電導(dǎo)率(25℃)1630總硬度(以碳酸鈣計)455.01鈣硬度(以碳酸鈣計)314.5二氧化硅22.68氨氮6.21硝酸鹽氮1.401溶解性總固體1095.3鐵0.04銅<0.05懸浮物<30

注：其中部分指標波動范圍：pH指標：6～8，氨氮：2～30mg/L

再生水源熱泵利用上述污水處理廠出水作為冷熱源，在冬季供熱時，再生水側(cè)的板式換熱器4作為蒸發(fā)器，用戶側(cè)的換熱器5作為冷凝器。液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱，吸取再生水里儲存的熱量，產(chǎn)生的蒸汽被壓縮機1吸入并壓縮至高壓氣體，氣態(tài)制冷劑在冷凝器中冷凝放熱，加熱了熱媒(水)的溫度，滿足供熱系統(tǒng)的需要；液態(tài)制冷劑進入膨脹閥5，進行絕熱膨脹，對外做功，達到很低的溫度，又進入蒸發(fā)器，從再生水中吸收其儲存的熱量，進行下一輪循環(huán)[3]。

在該系統(tǒng)中，制冷劑連續(xù)地經(jīng)過吸熱、壓縮、冷卻、膨脹的過程，就可將再生水中賦存的熱量轉(zhuǎn)移到需供熱的系統(tǒng)中去，達到供熱的目的。夏季制冷時，用戶側(cè)換熱器為蒸發(fā)器，污水側(cè)換熱器為冷凝器，其工作流程正好與冬季熱泵的工作流程相反[4]、[5]。工作示意圖如圖1所示。

圖1 再生水源熱泵冷熱水機組工作原理圖
1-壓縮機 2-四通換向閥
3、4-冷凝器/蒸發(fā)器 5-雙向節(jié)流閥

3 在城市軌道交通中應(yīng)用研究

城市軌道交通車站一般設(shè)置在城市中街道附近(地鐵)，或者城市郊區(qū)(城軌)，均與市政管網(wǎng)較近，可使靠近污水處理廠附近的車站方便引入再生水，使得空調(diào)系統(tǒng)冷熱源的選取上多一個選擇。下面以某再生水源熱泵實際項目為例進行技術(shù)分析，進而結(jié)合軌道交通的空調(diào)形式進行優(yōu)化。

3.1 技術(shù)分析

雖然冷熱源使用的是經(jīng)過污水處理廠深度處理的生活污水，但再生水質(zhì)中氯離子對紫銅換熱管有腐蝕性，表1中水質(zhì)化驗的數(shù)據(jù)表明氯離子含量較高，故此污水不能夠直接進入熱泵主機，因此選用寬通道淺密板式換熱器作為二次換熱器，如圖2中的5所示，污水經(jīng)過換熱器與二次循環(huán)水進行熱交換，留下冷量或熱量返回污水渠道，與其他設(shè)備或系統(tǒng)不接觸，獨立流動，不污染環(huán)境與其他設(shè)備或水系統(tǒng)。

圖2 再生水源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及冬夏工作流程圖
1-空調(diào)熱泵機組 2-生活熱水熱泵機組
3、4-污水提升泵 5-二次板式換熱器
V1、V2、V3、V4-閥門

根據(jù)水量、水溫和水質(zhì)情況，選取污水側(cè)夏季設(shè)計供回水溫度為26/31℃，冬季設(shè)計供回水溫度為10/6℃。污水的低位能經(jīng)板式換熱器傳給水源熱泵機房的二次水源環(huán)路，進出換熱機組的二次循環(huán)水，夏季設(shè)計供回水溫度為27.5/32.5℃，冬季設(shè)計供回水溫度為8.5/4.5℃。

主機房有一個空調(diào)水系統(tǒng)和一個生活熱水系統(tǒng)：空調(diào)水系統(tǒng)的夏季設(shè)計供回水溫度為7/12℃，冬季設(shè)計供回水溫度為45/40℃，由2臺污水源熱泵機組來提供；生活熱水的供回水溫度為55/50℃，采用單獨專設(shè)的2臺污水源熱泵機組，制成55℃熱水供向住戶。總的循環(huán)示意圖如圖3所示。

3.2 針對城市軌道交通應(yīng)用優(yōu)化

以一個寒冷地區(qū)的標準地鐵地下車站為例，冷負荷約為600RT，空調(diào)用熱泵機組選用2臺制冷量為300RT的螺桿熱泵機組，每臺配備兩個雙螺桿壓縮機。地鐵車站一般不用供暖，但可供應(yīng)生活熱水供工作人員使用，因此設(shè)置熱水機組選用1臺制熱量為120kW的螺桿熱泵機組，配備一個雙螺桿壓縮機。

為節(jié)省能耗，回收夏季空調(diào)系統(tǒng)的廢熱，在夏季運行工況下，專設(shè)一組循環(huán)水泵，將一部分空調(diào)冷凍水直接進出生活熱水熱泵機組蒸發(fā)器，進行全熱回收，參與部分生活熱水的制備。運行如圖3中所示，夏季時，閥門V1、V2關(guān)閉，閥門V3、V4開啟，返回空調(diào)機組1的部分12℃的冷凍水進入熱水機組2的蒸發(fā)器，產(chǎn)生7℃的冷凍水供水流入空調(diào)水系統(tǒng)，5℃溫差的熱量由熱泵機組2制備55℃的生活熱水，充分利用了從夏季空調(diào)房間帶出的廢熱。冬季時，閥門V1、V2開啟，閥門V3、V4關(guān)閉，并啟用污水提升泵4。

考慮到節(jié)能及控制方便，再生水提升系統(tǒng)分為空調(diào)所用提升泵、衛(wèi)生熱水所用提升泵。春秋季節(jié)只運行衛(wèi)生熱水制備需要的再生水提升泵，避免能量、水量浪費。全系統(tǒng)采用變頻恒壓供水、設(shè)計工作壓力0.4MPa。

4 優(yōu)勢對比

城市軌道交通是以城市為依托建設(shè)的公共交通，而城市每天又產(chǎn)生大量的廢水廢熱，再生水源熱泵就是利用了其中的能量作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源。我們的生活周邊存在大量的低品位能源，作為一種低品位能源的利用系統(tǒng)，與傳統(tǒng)地鐵空調(diào)形式相比更具備環(huán)保、可持續(xù)的特點，特別是制冷模式時可減少冷卻塔的使用，避免了城市噪聲的污染，同時具有以下優(yōu)勢：

(1)再生水源產(chǎn)生持續(xù)可靠，低品位能源可持續(xù)利用。

(2)節(jié)省冷卻塔占地面積，節(jié)省土建、征地等軌道交通建設(shè)前期投資。

(3)工作效率高，熱泵機組比傳統(tǒng)冷水螺桿機組具有天然的優(yōu)勢，擁有更高的COP。

5 結(jié)論

隨著國家對節(jié)能要求水平的越來越高，軌道交通設(shè)備的高效運行也顯得刻不容緩，再生水源熱泵系統(tǒng)，利用城市廢熱，綜合減少了碳排放，綠色又節(jié)能，特別是針對部分城市繁華地區(qū)地鐵站點的制冷系統(tǒng)，該技術(shù)的推廣可減少冷卻塔的設(shè)置，降低噪聲污染和征地拆遷費用，不但降低了能耗壓力，更可以減輕環(huán)境壓力。所以，再生水源熱泵在城市軌道交通中應(yīng)用前景廣闊。

[1] 趙杰. 地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)能耗分析與研究[D].武漢理工大學， 2014

[2] 王奕然, 楊興山. 城市軌道交通設(shè)備系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)對策[J].都市快軌交通，2009，22(5):6-9

[3] 昝成, 史琳, 程鄴,等. 再生水二級出水水溫特點與熱利用[J].華北電力大學學報(自然科學版)，2007，34(2):31-34

[4] 周志平，李念平. 某大型公共建筑污水源熱泵應(yīng)用分析[J].建筑技術(shù)，2013，44(4): 362-364

[5] 周志平，李念平. 長沙市某酒店污水源熱泵應(yīng)用可行性分析[J].節(jié)能，2013，31(12): 41-43

A Study on the Technology of Application Reclaimed Water Sourced Pump in City Metro

MO Xinyu

( Guangzhou Metro Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510330，China )

With the accelerating process of urbanization in the country,and the urban population rising consequently，city metro has been chosen as an efficient, environmentally-friendly public transport way by more and more cities′metro lines often traveling through the city center,traditional cooling system which adopts cooling towers，has led to environmental pollution,not to mention its high energy consumption and humongous occupation.This paper discusses the new heat pump system,which reuses the reclaimed water from city sewage treatment plant,and studies its application in city metro combining with the air conditioning forms in the stations，thus to solve the problem of cooling and heating source of air conditioning system for each station in the city metro.

Reclaimed water Heat Pump；City Metro；Energy saving

2017-2-10

莫鑫宇(1989-)，男，碩士研究生，助理工程師，主要從事城市軌道交通通風空調(diào)技術(shù)研究。Email:386781435@qq.com

ISSN1005-9180(2017)02-057-04

TU831 文獻標示碼：B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.012