第25卷第4期可再生能獠Vol 25 No, 42007年8月Renewable Energy ResourcesAug.2007污水源熱泵系統(tǒng)污水水質(zhì)與換熱器材質(zhì)的選擇曲云霞,李梅,楊勇,張秀德(山東建筑大學(xué)熱能學(xué)院,山東濟(jì)南250101)摘要:討論了污水源熱泵系統(tǒng)污水水質(zhì)的分類,提出了采用中水的污水源熱泵系統(tǒng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及處理方法,分析了各種污水換熱器的特點及適用條件。在非金屬類材料中,從經(jīng)濟(jì)性能、傳熱性能等方面綜合分析,建議采用HDPE管和PE-X管作為污水換熱器管材。關(guān)鍵詞:污水源熱泵;水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);污水換熱器;HDPE管中圖分類號:TK1;X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號:1671-5292(2007)04-0072-04Sewage quality standard for sewage source heat pump system andmaterial selection for sewage heat exchangerQU Yun-xia, LI Mei, YANG Yong, ZHANG Xiu-de(The School of Thermal Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, ChinaAbstract: The paper discusses the classification of city sewage quality, proposes water qualitystandard of reclaimed water and sewage treatment applied to sewage source heat pump systems,analyses the characteristics and applying condition of varied sewage heat exchangers. Among various kind of nonmetallic pipe materials, comprehensive analysis shows that HDPE (high densitypolyethylene) and polyethylene Xcon joint(PE-X)pipe material are applicable for sewage heatexchanger in the view of economy and thermal conductivity of pipe materialKey words: sewage source heat pump; water quality standard; sewage heat exchanger; HDPE pipe0前言于污水的溫度。經(jīng)過處理后的城市污水的水溫,常近年來隨著國民生產(chǎn)的發(fā)展,城市污水排放年在一定的范圍內(nèi)變化,如濟(jì)南市某污水處理廠量逐年增加。以山東省為例,2004年全省總污水經(jīng)二級處理后的污水冬季水溫在13-16℃,夏季排放量為28億t,其中生活污水總排放量為141水溫在226℃。一般情況下,北方地區(qū)冬季污水億t,工業(yè)污水排放量為139億ts城市污水的處水溫平均高出周圍環(huán)境溫度20℃以上,夏季污水理量在某種程度上標(biāo)志著城市污水熱能的貯存水溫要平均低于環(huán)境溫度十幾攝氏度。利用污水量,因為在城市污水中,生活中所消耗能源中有與環(huán)境的溫差獲取熱能具有十分巨大的能量資源接近一半的能量通過各種途徑被排放到城市污前景。水中。從以上數(shù)據(jù)可以看出城市污水熱能有巨利用污水源熱泵系統(tǒng)對建筑物供冷或供熱大資源潛力。充分利用了城市污水中的廢熱,減少了對高位能城市污水的熱能利用有多種方式,但最有效源的消耗,不僅節(jié)約了能源,而且減少了環(huán)境污染的利用方式就是利用污水熱泵,即夏季將建筑物和水資源的消耗;此外由于污水源熱泵機(jī)組工作內(nèi)多余熱量通過熱泵機(jī)組釋放到城市污水中,冬效率高機(jī)房占地面積小,大大降低了運行費用和季將城市污水的熱量提取出來通過熱泵機(jī)組釋放初投資費用。因此污水作為可再生能源用于建筑到建筑物內(nèi)。城市污水熱能的資源潛力主要取決物的空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)得到了大家的認(rèn)可,而且在國收稿日期:2007-01-17。作者簡介:曲云霞(1965-),女,工學(xué)博士教授,主要研究方向為熱泵機(jī)組仿真及應(yīng)用技術(shù)研究。E-mal:gaxian@ainnE.com72曲云霞,等污水源熱泵系統(tǒng)污水水質(zhì)與換熱器材質(zhì)的選擇內(nèi)的應(yīng)用逐漸增多。污水源熱泵系統(tǒng)雖然有許多的目的;冬季通過蒸發(fā)器吸取污水中熱量,達(dá)到供優(yōu)點,但由于污水的特殊性,容易造成熱泵工作條熱的目的。件惡劣,尤其是熱泵中的換熱器所處的工作條件在污水源熱泵系統(tǒng)中,根據(jù)熱泵機(jī)組換熱器更為惡劣。當(dāng)污水流經(jīng)換熱器時,由于污水成分很是否直接與污水接觸,污水源熱泵系統(tǒng)可分為直復(fù)雜,會造成換熱器表面結(jié)垢阻塞甚至是腐蝕的接式污水源熱泵系統(tǒng)(圖1)和間接式污水源熱泵現(xiàn)象。由于這些現(xiàn)象的存在,使得換熱器的傳熱效系統(tǒng)(圖2)。直接式污水源熱泵系統(tǒng)熱泵機(jī)組內(nèi)率降低,流體的流動阻力加大,降低換熱器的使用的換熱器與污水直接接觸,雖然系統(tǒng)設(shè)備初投資壽命,有時甚至使換熱器無法工作。由此可見,污低,但機(jī)組換熱器極易腐蝕和堵塞,在國內(nèi)還未見水的水質(zhì)對系統(tǒng)特性影響較大。此外污水中各種應(yīng)用。間接式污水源熱泵系統(tǒng)通過污水換熱器回有害成分對換熱器材質(zhì)的腐蝕影響也無現(xiàn)成資料收污水中的熱能,污水不進(jìn)入熱泵機(jī)組,避免了污可循。這些都給污水換熱器的研究造成很大困難。水對機(jī)組的腐蝕和堵塞,雖然投資增加,但系統(tǒng)設(shè)針對不同的污水水質(zhì),該采取什么系統(tǒng)形式,采取備運行可靠該方式在國內(nèi)應(yīng)用較廣。本文主要以什么材料及形式的換熱器,使其在污水中仍具有間接式污水源熱泵系統(tǒng)的污水換熱器為研究對很好的傳熱性能,這些問題是污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)象。計的難點,也是本文研究的重點。來自空調(diào)用戶去空調(diào)用戶1污水的水質(zhì)分類根據(jù)所使用污水來源不同,污水可分為原生熱泵機(jī)組污水和來自污水處理廠的中水(也稱再生水)。原生污水就是未經(jīng)任何處理的城市污水,它廣泛存△污水泵在于城市的污水管道中。它的主要優(yōu)點是污水溫度比較接近于排放點的溫度,所賦存的熱能多,缺污水管道點是污水水量不穩(wěn)定,水質(zhì)中所包含的大尺度的污染物比較多,各種微生物及化學(xué)成分比較復(fù)雜圖1直接式污水源熱泵系統(tǒng)水質(zhì)惡劣。Fig. 1 The direct system of sewage source heat pump城市原生污水經(jīng)過城市排水管網(wǎng)輸送到污水來自空調(diào)用戶去空調(diào)用戶處理廠后,一般先經(jīng)過簡單的過濾和沉淀等物理熱泵機(jī)組處理,此時的出水稱為一級出水。經(jīng)過一級處理后的污水再經(jīng)活性污泥法等深度處理后,進(jìn)行集中排放,此時的污水稱為二級出水。多數(shù)的污水處理污水泵污水換熱器廠排放的污水均為二級出水。因此本文中所指的中水均指二級出水。如果對二級出水有某些特殊需求,可由污水回用用戶單獨進(jìn)行處理。由于二級出水的微生物、雜質(zhì)、化學(xué)成分等都得到凈化,外圖2間接式污水源熱泵系統(tǒng)觀已與清水差別不大。二級出的主要優(yōu)點是水量Fig. 2 The indirect system of sewage source heat pump大而且集中,與原生污水比較,其結(jié)垢和腐蝕的可城市原生污水成分復(fù)雜,雜質(zhì)含量多,考慮到能性大大降低。二級出水缺點是污水溫度下降,在污水換熱器的腐蝕、結(jié)垢等多方面的因素,以采用冬季正常情況下,下降1-2℃。在污水源熱泵系統(tǒng)耐腐蝕壽命長的塑料類污水換熱器為佳。對于采中,由于主要利用的只是其溫差5℃左右的顯熱用二級出水或再生水的污水源熱泵系統(tǒng),可根據(jù)熱量,因此可取用的熱能約減少10%-40%。出水水質(zhì)來確定換熱器的類型。2污水源熱泵系統(tǒng)原理及類型3污水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及水質(zhì)處理污水源熱泵的工作原理與水源熱泵相同,即在污水源熱泵系統(tǒng)中,只利用污水中熱量,經(jīng)夏季通過換熱器將熱量釋放到污水中,達(dá)到制冷過使用之后,將污水直接排放掉因此可稱作單循73·可再生能狼2007,25(4)環(huán)水系統(tǒng)。根據(jù)我國《污水回用規(guī)范》,不同用途的化成硝酸,使pH值從74-79降低到6.5甚至更再生水要求的水質(zhì)指標(biāo)也不一樣。作為熱泵系統(tǒng)低。對此,可以加入二氧化碳,通過提高重碳酸鹽應(yīng)用的污水,可以采用再生水用做冷卻水的水質(zhì)堿度而調(diào)節(jié)pH值。標(biāo)準(zhǔn),其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)如表1。阻垢劑(如鉻酸鹽、聚磷酸鹽、鋅離子和聚硅表1再生水用作冷卻用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)酸鹽)能夠減少冷卻水的潛在腐蝕性。但是在排放Table I Water quality standard of reclaimed water之前,這些阻垢劑必須從水中去除?？梢耘c阻垢劑as cooling water」目直流冷卻水循環(huán)冷卻補(bǔ)充水替換的化學(xué)方法是離子交換和反滲透,但是此方pH值6.5-90法費用較高而用處不廣。SS/mg L-(3)抑制生物生長5用于冷卻系統(tǒng)的回用水中如果有營養(yǎng)物質(zhì)或BODymg有機(jī)物(生化需氧量BOD)就會造成能夠形成污垢的生物生長。處理過程中減少BOD和營養(yǎng)物質(zhì)錳/mgL的量,能夠降低回用水中微生物持續(xù)生長的可能氯化物mgL250性。氯是最常用的控制微生物生長的除菌劑,其優(yōu)總硬度(以CaCO3計/mgL4)850點是價廉、易得和容易操作。氯也被用作消毒劑去總堿度(以CaCO3計mgL)500除回用水中的潛在病原體。通常情況下,氯化和電氨氮/mg·L總磷(以P計)mgL擊處理已經(jīng)足夠。在這個過程中,經(jīng)常使用氯氣溶解性總固體/mg(以液氯形式購買)、次氯酸鈉固體或液體,也常采游離余氯/mgL末端0.1-02末端01-0.2用二氧化氯抑制生物生長。糞大腸菌群∧個L2000(4)減少淤塞銅材換熱器循環(huán)水氨氮為1mgL通過阻止顆粒性物質(zhì)的形成和沉降能夠控制在污水利用過程中,經(jīng)常出現(xiàn)的水質(zhì)問題是淤塞?；瘜W(xué)絮凝和過濾作用用于磷的去除過程,可結(jié)垢、腐蝕、生物生長、淤塞和起泡,這些問題都是以減少導(dǎo)致淤塞的污染物質(zhì)的量。另外,也可使用由回用水中的污染物引起。因此針對不同材質(zhì)的化學(xué)分散劑。換熱器,為了保證回用水的水質(zhì)可以對二次出水4污水換熱器的材質(zhì)及選擇進(jìn)行深度處理,處理主要從以下幾個方面考慮。污水換熱器按其材質(zhì)可分為金屬換熱器和非(1)控制結(jié)垢金屬換熱器。金屬換熱器按其結(jié)構(gòu)可分為板式換對金屬換熱器,要避免污垢形成即硬度沉積,熱器、淋激式換熱器和殼管式換熱器。非金屬換熱般通過化學(xué)方法和物理沉淀作用能夠?qū)Y(jié)垢進(jìn)器則主要包括各種結(jié)構(gòu)的塑料管換熱器或鋁塑復(fù)行成功處理。其中酸化方法或加入阻垢劑能控制合管換熱器等。結(jié)垢,石灰軟化經(jīng)常被用作冷卻系統(tǒng)回用水的處污水換熱器存在的最主要的問題是腐蝕和堵理方法。塞問題,因此污水換熱器的選材則主要從這幾個(2)防止腐蝕方面來考慮。作為金屬換熱器最大的優(yōu)點是傳熱冷卻水系統(tǒng)中金屬不應(yīng)當(dāng)被循環(huán)水腐蝕。如系數(shù)高結(jié)構(gòu)緊湊。但在污水源熱泵系統(tǒng)中,污水果總?cè)芙夤腆w(TS)的數(shù)值高就提高了水的電導(dǎo)換熱器極易腐蝕和堵塞,而且不易清洗,因此只有性,這就造成了高的腐蝕性。市政處理的回用水中在采用污水處理廠二級出水,而且水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)TDS的濃度通常是飲用水中的2-5倍,因而回用的前提下,才可以選用金屬換熱器。從經(jīng)濟(jì)、安全水的電導(dǎo)率和腐蝕性較高。溶解的氣體和高氧化等多方面考慮,采用城市原生污水的換熱器,不適狀態(tài)下的金屬離子也能造成腐蝕。合采用金屬換熱器。冷卻水處于酸性狀態(tài)下也容易形成腐蝕。據(jù)制造金屬換熱器的主要材料有銅及銅合金、美國得克薩斯州的 Lubbock市的 Jones Station電鋁合金、不銹鋼和鈦合金。鋁合金具有導(dǎo)熱性能廠報道,當(dāng)循環(huán)冷卻水中存在氨離子時,氨離子轉(zhuǎn)好,成本低等特性,在常規(guī)的“空冷”型熱泵中使用7曲云霞,等污水源熱泵系統(tǒng)污水水質(zhì)與換熱器材質(zhì)的選擇廣泛,但污水中的電解質(zhì)會對鋁合金產(chǎn)生嚴(yán)重的MPa,工作溫度范圍為5-65℃,是空調(diào)水系統(tǒng)的腐蝕作用。純銅及銅合金材料具有導(dǎo)熱性好,加優(yōu)選管材國工、焊接性能好的特點。它對污水中的氯離子有PE-RT管全稱是鋁塑復(fù)合管,它是以交聯(lián)聚定的耐腐蝕性,但污水中的氨、氮離子對銅及銅合乙烯塑料材料作為管的內(nèi)外層,中間芯層夾一焊金的腐蝕作用是不可忽視的。當(dāng)污水中的氨離子接鋁管,在鋁管的內(nèi)外表面涂覆膠粘劑與塑料層含量大于1mg/L時,它對銅的腐蝕作用是相當(dāng)明粘接,通過復(fù)合共擠成型的具有5層結(jié)構(gòu)的復(fù)合顯的。鈦管對氯化物、硫化物和氨都具有較好的耐管材。鋁塑管具有塑料管的全部優(yōu)點,同時由于中蝕性,可在高度污染的淡水和海水中使用。但由于間夾入一層鋁,其機(jī)械理化性能比塑料管更強(qiáng)。價格昂貴,焊接技術(shù)要求高而限制了其使用的范HDPE管為高密度聚乙烯管,以它的優(yōu)秀的圍。以1Grl8N9T為主的不銹鋼材料是空調(diào)熱交化學(xué)性能、韌性、耐磨性以及低廉的價格和安裝換器常用的材料。此種材料對水中的氨離子有較費受到管道界的重視,它是僅次于聚氯乙烯,使強(qiáng)的耐腐蝕性,但如果水中有較多的氯離子則會用量占第二的塑料管道材料。HDPE管具有耐腐與溶解氧共同作用,破壞不銹鋼材料的晶間結(jié)構(gòu),蝕、內(nèi)壁光滑、流動阻力小、強(qiáng)度高、韌性好、重量造成點蝕輕等特點。各種塑料管材性能如表2恰當(dāng)選擇換熱器的型式可以大大減輕污垢的表2各種塑料管材的性能比較問題,采用耐腐蝕的非金屬材料來代替金屬材料、Tae2 The comparison of performance of影響。由于污水水質(zhì)的特殊性,金屬防腐的方法總plastic pipe materials有一定的局限性,因此我們可以換一個角度考慮PE-X管PE-RT管PR管HDPE管密度/kgm0951,3009制造換熱器。目前,國內(nèi)已應(yīng)用的污水源熱泵系統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù)/w(mk)2·040045024048均采用間接式系統(tǒng),污水換熱器以采用非金屬類熱膨脹系數(shù)mk)01506018014沉浸式污水換熱器居多。非金屬材料則主要采用壁厚(達(dá)到同等要求)較薄較薄較厚較薄塑料及各類復(fù)合塑料等。目前我國在空調(diào)冷熱水、液壓試驗環(huán)應(yīng)力MP235建筑給排水等系統(tǒng)中常用的非金屬塑料類管材有95℃,100h)多種,主要有PE-X管、PP-R管、PE-RT(鋁塑復(fù)價格(相對值/元0合)管、HDPE(高密度聚乙烯)管等因。在選擇非金屬類污水換熱器時,應(yīng)根據(jù)污水PE-X是交聯(lián)聚乙烯的縮寫,它是將聚乙烯換熱器的工作溫度、工作壓力、傳熱性能、經(jīng)濟(jì)性通過物理或者化學(xué)的方法進(jìn)行交聯(lián),交聯(lián)后聚乙能等多方面來考慮。以城市污水源系統(tǒng)來說,污水烯分子結(jié)構(gòu)由線性轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀,從而其熱強(qiáng)度、換熱器的工作溫度一般在5~50℃,作為間接式污耐熱老化性、耐腐蝕性能、抗蠕變性能都得到較水源熱泵系統(tǒng),它的工作壓力并不高,多數(shù)塑料類大的提髙,適合長期使用,可輸送90℃以下的介管材均能滿足要求。從表2中可以看出,P質(zhì),具有良好的物理機(jī)械性能,耐酸堿和其它化管、HDPE管和PE-X管的傳熱性能均優(yōu)于PP-R學(xué)品性能優(yōu)良。但是其熱膨脹性較大,傳熱性能管,從經(jīng)濟(jì)性方面比較,其經(jīng)濟(jì)性排序為HDPE不如鋁塑管管、PE-X管、于PP-R管PE-RT管。山東某污水PP-R是無規(guī)共聚聚丙烯的縮寫,它是將聚處理廠采用PE-X管作為利用工業(yè)廢水的污水換乙烯分子無規(guī)則地接入聚丙烯的分子鏈中,從而熱器管材,經(jīng)過1年的實踐運行表明,系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性使其抗低溫沖擊、長期耐熱耐壓及抗低溫環(huán)境應(yīng)比較好,而且清洗方便。力開裂等性能大大改善。PP-R塑鋁穩(wěn)態(tài)復(fù)合管污水換熱器的工作溫度及原理與地表水熱泵是一種內(nèi)層為PP-R,外層包敷鋁層及塑料保護(hù)系統(tǒng)中換熱器相同。根據(jù)文獻(xiàn)5],國外地表水及層,各層間通過熱熔膠粘接而成的五層結(jié)構(gòu)的管土壤源熱泵系統(tǒng)中采用的換熱器管材有HDPE材。該管材既具有金屬管的剛性,又有塑料管的抗管、PVC管和銅管。PVC管抵抗太陽紫外線輻射腐蝕性,壽命長,熱熔接不滲漏,特別具有塑料管能力差,并不推薦采用。HDPE管材強(qiáng)度高、耐酸所沒有的防滲氧性能,它的最高工作壓力高達(dá)16堿性強(qiáng)、使用壽命長,是推薦采用(下轉(zhuǎn)第87頁)董文娟,等中德財政合作項目西部村落光伏電站運行情況及性能分析(1)中德財政合作項目新疆一期的村落光伏居民迅速增長的用電需求之間的矛盾,明確村落電站運行穩(wěn)定,各項設(shè)備工作正常,維護(hù)管理水平光伏電站的運行與維護(hù)的真實成本,這些都是急較高,電站供電可以滿足邊遠(yuǎn)地區(qū)居民的基本生待解決的問題?；钣秒娦枨?。這一結(jié)果與該項目其它各省的村落光伏電站一致。參考文獻(xiàn)(2)村落光伏電站系統(tǒng)效率較低,線路損 H GABLER,GBOP, F HAUGWIT,ea.Pvv耗較大。新疆一期的村落光伏電站的系統(tǒng)效率lage power supply systems in China -results from a最高為57.6%,最低為34.9%,多數(shù)電站系統(tǒng)technical monitoring campaign [A). Proceedings of the效率約為50%左右。除去非正常值,線路損耗21st European photovoltaic solar energy conference最高為總用電量的264%,最低為14.1%。若[C. Dresden, Germany WIP -Renewable Energies,2006.3052-3056提高電站管理水平,合理分配用戶用電時間與2」 M WOLLNY,PMAK. Flexible concept for off-crid用電功率,可以提高電站系統(tǒng)效率,降低線路Electricity Supply- Current Trend for Village Solar損耗Power in Provinces of China [A]. Proceedings of the(3)新疆邊遠(yuǎn)地區(qū)村落居民的每日戶均用電3rd European PV-hybrid and mini-grid conference量約為023~027kWh/(戶·d),最低水平為016IC. Aix en Provence, France: OTTL, 2006.912-914kWh/(戶d),每日用電時間集中于晚飯前后的4 W KLINGHMMER, M SHENGHONG, K NORENBERGh。戶均用電量數(shù)據(jù)稍高于云南一期和青海一期的First experiences with implementation of a Large-Scale村落光伏電站統(tǒng)計數(shù)據(jù)program on PV hybrid village power plants in western(4)從現(xiàn)在掌握的情況來看,村落光伏電站建China [A] Proceedings of the 15th International photovoltaic science and engineering conference [C].成運行后,所面臨的最大問題是管理問題。如何有Shanghai, China: Shanghai Jiaotong University,效防止和管理竊電情況,解決電站發(fā)電量有限與2005.746-749物鑿★******(上接第75頁)的地表水熱泵系統(tǒng)和土壤源熱泵冷卻水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。如果再生水達(dá)到了相應(yīng)的水系統(tǒng)換熱器管材,也是美國目前完成的地源熱泵質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),可采用金屬換熱器,否則,可采用非金屬系統(tǒng)中用的最廣的換熱器材料之一。銅管傳熱性類污水換熱器;在非金屬類換熱器中,從價格、傳能好,相同傳熱量的情況下,銅管換熱器長度只熱性能和壽命等方面綜合分析,建議采用PE-X是塑料換熱器的1/4-1乃3,但銅管易結(jié)垢。而且結(jié)管和HDPE管作為污水換熱器管材。垢后對換熱器性能影響較大,因此不適合作為污參考文獻(xiàn):水換熱器材料。[l尹軍,韋新東我國回收污水中熱能的可行性分析門根據(jù)以上分析表明,從經(jīng)濟(jì)性和傳熱性能來中國給水排水,2000,16(3):28-30.考慮,污水換熱器以采用HDPE管、PE-X管為推2吳榮華孫德興,馬廣興城市原生污水冷熱源水參數(shù)薦管材。釆用塑料類換熱器間接換熱的方式回收特性與應(yīng)用方法評價[可再生能源,2005,23(5)污水的熱能,一方面解決了管道和設(shè)備的腐蝕問題;另一方面,由于管內(nèi)外壁光滑,也緩解了結(jié)垢3]齊政新陸亞俊地板采暖常用塑料管性能比較及選問題,而且也易于清洗。用低溫建筑技術(shù),2002(1):65-675結(jié)論14]曲云霞楊勇,李愛景,等污水源熱泵供熱的工程應(yīng)對于城市原生污水由于其成分復(fù)雜,雜質(zhì)含用及分析可再生能源,2007,25(2):103-105量多,考慮到污水換熱器的腐蝕、結(jié)垢等多方面的5] STEPHEN P, KAVANAUGH, KEVIN RAFFERTY.Ground source heat pumps design of geothermal因素,以采用耐腐蝕、壽命長、易清洗的塑料類污systems for commer cial and institutional buildings[M]水換熱器為佳;對于采用污水處理廠二級出水或American Society of Heating: Refrigerating and Air再生水的污水源熱泵系統(tǒng),可以采用再生水用做Conditioning Engineers, Inc. 199