嚴(yán)寒地區(qū)城市污水廠出水熱能利用實(shí)例分析

徐 輝，邊德軍，李劍鋒，艾勝書

(1.長春工程學(xué)院能源動力工程學(xué)院，長春130012； 2.長春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130012;3.吉林省城市污水處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130012； 4.吉林省吉坤暖通工程有限公司，長春 130028)

嚴(yán)寒地區(qū)城市污水廠出水熱能利用實(shí)例分析

徐 輝1，3，邊德軍2，3，李劍鋒4，艾勝書2，3

(1.長春工程學(xué)院能源動力工程學(xué)院，長春130012； 2.長春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130012;3.吉林省城市污水處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130012； 4.吉林省吉坤暖通工程有限公司，長春 130028)

介紹了吉林省某市利用城市污水廠AICS池的出水作為污水熱泵機(jī)組水源進(jìn)行供熱和制冷的項(xiàng)目實(shí)例，分析了該污水源熱泵系統(tǒng)的概況、應(yīng)用情況和節(jié)能減排效益。分析可知，該污水源熱泵系統(tǒng)能夠?yàn)榻ㄖ峁┳銐虻臒崮埽⑶移涔?jié)能環(huán)保效果與傳統(tǒng)鍋爐供熱及空調(diào)機(jī)組相比，全年減少燃煤消耗約281 t，減少CO2、SO2、氮化物和粉塵等污染物排放約923.23 t。結(jié)果表明，在嚴(yán)寒地區(qū)利用城市污水廠出水的熱能進(jìn)行供熱和制冷，運(yùn)行效果理想。

城市污水；污水源熱泵；節(jié)能環(huán)保；技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的環(huán)境問題日益突出。尤其是近年來霧霾現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，對人們的生活生產(chǎn)造成很大影響。當(dāng)前，我國大量的散燒煤是造成嚴(yán)重霧霾的主要因素之一。我國每年消耗標(biāo)煤近8億t。2016年中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第14次會議決議，推動北方地區(qū)冬季清潔供暖，解決好人民群眾普遍關(guān)心的冬季供暖及空氣霧霾問題。對于供熱行業(yè)，與傳統(tǒng)的直接燃煤供熱相比較，熱電廠余熱、電直供、電間供(熱泵)、生物質(zhì)燃料等，都屬于“清潔能源”[1]。發(fā)展清潔能源，減少環(huán)境污染，是目前我國的一項(xiàng)重要工作。

城市污水是一種城市余熱型清潔能源[2]。大部分城市污水經(jīng)過污水廠處理，達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)后直接排放。而在冬季，即使是嚴(yán)寒地區(qū)的污水，水溫一般也在5～9 ℃之間。以城市污水作為熱泵冷熱源，將污水中的熱能提出，為建筑物供熱、供冷具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3-4]。

1 工程概況

該工程地處吉林省某市城區(qū)南部的污水處理廠院內(nèi)，項(xiàng)目服務(wù)范圍為污水處理廠和5 km以外凈水廠的辦公樓，辦公樓總建筑面積約1萬m2。該工程熱泵機(jī)組水源取自污水廠AICS(Alternated Internal Cyclic System)池的出水作為換熱水源，為辦公樓進(jìn)行冬季供熱和夏季供冷。

項(xiàng)目采用2臺WPS095.1B型常溫型螺桿式熱泵機(jī)組，每臺機(jī)組匹配1臺JTHR-L-100-0.3/0.2-A型污水換熱器及中介水循環(huán)泵等，污水熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備型號和參數(shù)見表1～2，配套設(shè)備之間相互備用。

2 污水源熱泵的應(yīng)用

2.1 污水水源概況

該項(xiàng)目污水處理廠污水來源的80%以上為生活污水。污水水溫根據(jù)安裝在污水泵入口的溫度傳感器實(shí)測可知，冬季污水水溫為5～9 ℃，夏季水溫為12～17 ℃，溫度相對穩(wěn)定。污水熱泵機(jī)組冬季額定進(jìn)水溫度為7 ℃左右，夏季額定進(jìn)水溫度為15 ℃左右，污水廠污水水溫在機(jī)組的使用范圍內(nèi)。熱泵換熱水源取自污水廠AICS池的出水，出水的水質(zhì)符合GB 8978—1996《城鎮(zhèn)污水處理廠綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》。為避免對原有污水處理系統(tǒng)產(chǎn)生影響，將AICS池出水引至本工程所建的緩沖池，經(jīng)水泵加壓進(jìn)入換熱器，換熱后排至污水廠消毒池，消毒后外排。緩沖池由水解池取水緩沖池和生化池取水緩沖池合建，平面尺寸為10 m×8 m，深度3.5 m，循環(huán)水量約為240 m3/h。該工程配置的2臺WPS095.1B污水源熱泵機(jī)組的最大污水循環(huán)量為240 m3/h。

表1 污水源熱泵機(jī)組的參數(shù)

表2 污水源熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備型號及參數(shù)

本項(xiàng)目不考慮使用原生污水作為水源，是因?yàn)槎緩脑鬯腥幔乖鬯疁囟认陆?，影響后期的污水生化處理效果；再者原生污水具有腐蝕性和結(jié)垢性，污水進(jìn)入換熱器后易在換熱管路發(fā)生故障，污水中大尺寸的顆粒物也易堵塞取水管線和污水泵[5]。綜合考慮后，采用處理后的AICS池的出水作為水源。

2.2 系統(tǒng)形式

根據(jù)設(shè)備連接方式的不同，污水源熱泵系統(tǒng)的形式通常有2種，即直接式和間接式。

直接式污水源熱泵系統(tǒng)是城市污水過濾后直接進(jìn)入污水源熱泵，污水與制冷劑之間通過蒸發(fā)器和冷凝器的壁面進(jìn)行換熱。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)形式簡單，使用設(shè)備少，熱損失和運(yùn)行費(fèi)用少于間接式系統(tǒng)。缺點(diǎn)是因?yàn)槲鬯苯舆M(jìn)入污水熱泵，污水熱泵的部件均需采用耐腐蝕、少污垢的特殊材料，即使水源采用的是符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)的出水，水質(zhì)也會對設(shè)備有影響，這樣會使初投資大大增加，而且所用特殊材質(zhì)的換熱設(shè)備在技術(shù)上還不夠成熟。

間接式污水源熱泵系統(tǒng)增加了中介媒質(zhì)和換熱器。優(yōu)點(diǎn)是污水不直接進(jìn)入熱泵系統(tǒng)，而是通過和中介媒質(zhì)換熱后，中介媒質(zhì)進(jìn)入熱泵，這樣保證熱泵的正常運(yùn)行。缺點(diǎn)是設(shè)備增加后熱阻也會增加，溫度下降大約2 ℃，損失約3.8 MW的低品位熱能[3]，同時(shí)還會增加水泵的耗功。同時(shí)由于整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備多，增加機(jī)房占地面積。

由以上分析可知，雖然直接式污水源熱泵系統(tǒng)比間接式系統(tǒng)的能效比要高，但綜合考慮初投資、造價(jià)和運(yùn)行維護(hù)等方面，間接式污水源熱泵系統(tǒng)更具有優(yōu)勢。所以本項(xiàng)目采用間接式污水源熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)流程如圖1。為了使換熱器能夠防堵、防垢、防腐和高效換熱，本項(xiàng)目采用流道式換熱器。特點(diǎn)是增大流道面積，使污水中的懸浮物順暢通過，換熱表面易拆卸清洗，換熱效率高。

圖1 污水源熱泵系統(tǒng)流程圖

2.3 冷、熱負(fù)荷

該污水熱泵系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)污水廠辦公樓和1 000 m以外的凈水廠辦公樓的供熱和制冷，總面積約為1萬m2，冬季采暖熱負(fù)荷為600 kW，夏季冷負(fù)荷為640 kW。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算污水中貯存的冷(熱)量A，可利用的冷量D以及可利用的熱量G。

2.3.1 污水中貯存的冷(熱)量

A=B×Δt×C，

(1)

A=1.8×10 000×1 000×3×4.187=2.26×108kJ/d。

式中：B為污水流量，kg/d；Δt為污水進(jìn)、出口溫差，制冷、制熱均取3 ℃；C為水的比熱，4.187 kJ/(kg·k)。

2.3.2 污水中可利用的冷量D

(2)

式中EER為制冷系數(shù)，根據(jù)該工程測試結(jié)果取4.65。

2.3.3 污水中可利用的熱量G

(3)

式中COP為制熱系數(shù)，根據(jù)該工程測試結(jié)果取4.15。

2.3.4 負(fù)荷分析

夏季工況：

(4)

冬季工況：

(5)

(6)

(7)

式中PX，Pd分別為污水廠以最低流量計(jì)算可利用的最大冷、熱負(fù)荷，kW。

由此可看出，該工程夏季能源利用率為29.7%，冬季能源利用率僅為17.4%，污水中蘊(yùn)含的冷熱量完全能夠滿足工程夏季、冬季熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷要求。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 運(yùn)行能耗分析

冬季為供熱工況，將污水源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的供熱鍋爐相比較，污水源熱泵機(jī)組每天的節(jié)煤量為：

(8)

式中：M1為污水源熱泵機(jī)組每日節(jié)煤量，kg;Mb為為鍋爐供暖平均每天耗煤量，kg；MH為污水源熱泵機(jī)組供暖每天耗能折合的平均耗煤量，kg；QR為熱泵機(jī)組平均每天向用戶提供的供熱量，取QR=600×24×3 600=5.2×107kJ；qe為標(biāo)煤的熱值，取29.31×103kJ/kg；ηb為燃煤鍋爐效率(包含儲煤損失、輸運(yùn)損失等)，取60%[7]；ηe為電力輸入效率，取30%[7]。

根據(jù)公式(8)計(jì)算得知，與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比，該污水源熱泵系統(tǒng)冬季每天節(jié)約標(biāo)煤1 500 kg。

夏季是制冷工況，將污水源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的風(fēng)冷空調(diào)機(jī)組比較，污水源熱泵每天的節(jié)電量為：

(9)

式中：ΔD為污水源熱泵夏季平均每天的節(jié)電量，kWh;Da為風(fēng)冷冷水機(jī)組夏季平均每天耗電量，kWh；DH為污水源熱泵系統(tǒng)夏季平均每天供冷耗電量，kWh；QL為熱泵機(jī)組平均每天向用戶提供的供冷量，取QR=640×24×3 600=5.5×107kJ；εa為空調(diào)機(jī)組的制冷系數(shù)，本文取εa=4[6]。

根據(jù)公式(9)計(jì)算得知，與風(fēng)冷冷水機(jī)組相比，該污水源熱泵系統(tǒng)夏季每天節(jié)約電量544 kWh。為了比較方便，把節(jié)電量轉(zhuǎn)換為節(jié)煤量，污水源熱泵系統(tǒng)平均每天節(jié)煤量為：

(10)

式中：M2為利用污水源熱泵系統(tǒng)夏季平均每天節(jié)煤量，kg；ηf為一次能源發(fā)電效率，取35%[7]。

根據(jù)公式(10)計(jì)算得知，污水源熱泵系統(tǒng)夏季每天節(jié)煤量191 kg。與冬季使用傳統(tǒng)的供熱鍋爐的方式和夏季使用風(fēng)冷空調(diào)機(jī)組制冷方式相比，采用污水源熱泵系統(tǒng)每年還可節(jié)省標(biāo)煤約281 t。

3.2 環(huán)保效果分析

污水源熱泵系統(tǒng)不僅節(jié)省能源，而且也帶來巨大的環(huán)保效益[8]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每節(jié)約1 kg標(biāo)煤，減排2.493 kg CO2、0.68 kg粉塵、0.075 kg SO2和氮氧化物0.037 5 kg[9]。由此估算，此工程每年減少向大氣排放CO2700.533 t、SO221.075 t、氮氧化物10.538 t、粉塵191.08 t。而且夏季空調(diào)制冷室外不用安裝冷卻塔，不僅減少造價(jià)，每年可以節(jié)約大量的冷水資源[10]。由此可見，污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保效果十分明顯。

4 項(xiàng)目運(yùn)行情況

本項(xiàng)目于2012年建成投入使用。冬季全天24 h供熱，供熱天數(shù)180 d左右，室內(nèi)平均溫度達(dá)到24 ℃左右；夏季平均9 h制冷，制冷天數(shù)60 d左右，室內(nèi)平均溫度20 ℃左右，供熱和制冷溫度均能達(dá)到要求。5年來機(jī)組運(yùn)行情況良好，除每年定期維護(hù)保養(yǎng)外，沒有出現(xiàn)任何故障。

5 結(jié)語

1)本項(xiàng)目建設(shè)在污水廠內(nèi)，污水水量充足穩(wěn)定，水溫變化小，取水方便。

2)該工程采用的污水源熱泵系統(tǒng)在采暖期(180 d)比傳統(tǒng)燃煤鍋爐節(jié)約標(biāo)煤258 t，在制冷期(60 d)比風(fēng)冷冷水機(jī)組節(jié)約電量65 280 kWh，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)煤23 t，即全年可以節(jié)約標(biāo)煤281 t，有很好的節(jié)能效果。

3)與傳統(tǒng)的供熱和制冷方法相比，該污水源熱泵系統(tǒng)全年減少CO2排放852.84 t、SO2排放9.3 t、氮化物排放1.24 t、粉塵排放13.43 t，具有顯著的環(huán)保效果。

4)嚴(yán)寒地區(qū)使用城市污水廠處理后污水作為水源的熱泵機(jī)組，冬季供熱和夏季供冷的運(yùn)行效果比較理想，可以滿足建筑供熱、供冷的需求。

[1] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.關(guān)于推進(jìn)電能替代的指導(dǎo)意見[R/OL].[2017-09-10].http:www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201605/t20160524_804425.html.

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ThePracticalAnalysistotheUtilityofSewageThermalPowerinUrbanSewagePlantinSevereColdAreas

XU Hui，et al.

(SchoolofEnergy&PowerEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

This paper introduces a heat pump heating and cooling application engineering project of an urban sewage treatment plant in Jilin Province China by using the sewage from Alternated Internal Cyclic System (AICS) pool，and also analyzes the general situation and the application of this sewage-source heat pump system，as well as its benefit of energy-saving and emissions reduction.The analysis results show that this sewage-source heat pump system can not only satisfy the heating requirements of the building，but also save about 281 t coal consumption，and reduce about 923.23 t of the pollution emission of CO2，SO2，Nitrogen and dust one year comparing with the traditional coal-fired boilers and air conditioning units on energy-saving effect.So a conclusion can be made that the heat supply and refrigeration by using the water from urban sewage plant after treatment in the cold North region can get the desired effect.

urban sewage；sewage source heat pump；energy conservation and environmental protection；technical and economic analysis

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.03.016

2017-09-18

國家科技重大專項(xiàng)(2014ZX07201—011)吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20170101082JC)吉林省教育廳“十二五”社會科學(xué)研究項(xiàng)目(2014362)吉林省教育廳“十二五”社會科學(xué)研究項(xiàng)目(2014360)長春工程學(xué)院青年基金項(xiàng)目(320130034)

徐輝(1976-)，女(漢)，吉林松原，博士 主要研究可再生能源綜合利用技術(shù)。

TU822

A

1009-8984(2017)03-0068-04