第26卷第5期中國(guó)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(qū)的應(yīng)用林真國(guó)'，張素云”，付祥釗",白雪蓮'(1.重慶大學(xué)城市建設(shè)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(qū)污水冷熱能的角度出發(fā),對(duì)重慶市主城區(qū)某居住小區(qū)生活污水的溫度和流量進(jìn)行了測(cè)試分析,提出了小區(qū)污水熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于建筑空調(diào)、供暖和衛(wèi)生熱水供應(yīng)的綜合節(jié)能系統(tǒng)模式;調(diào)研了小區(qū)生化池內(nèi)污水溫度分布,分析了小區(qū)污水逐時(shí)流量及逐月流量的變化，討論了小區(qū)污水所能提供的冷量與建筑實(shí)際需要冷負(fù)荷的匹配關(guān)系,提出了生活小區(qū)污水熱泵系統(tǒng)與常規(guī)冷熱供應(yīng)系統(tǒng)的復(fù)合式冷熱供應(yīng)方案。關(guān)鍵詞:建筑節(jié)能; 污水源熱泵; 污水溫度; 污水流量; 應(yīng)用模式中圖分類號(hào): X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:文章編號(hào): 1000 -4602( 2010)05 -0088 -05Application of Sewage-source Heat Pump in Urban Residential AreaLIN Zhen-guo'，ZHANG Su-yun'，F(xiàn)U 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 University, Chongqing 400042, China )Abstract: The temperature and flow of domestic sewage from a residential area in Chongqing Citywere tested 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!1.2),是熱泵技新能源開發(fā)的前沿課題，對(duì)“節(jié)能減排"具有重要意術(shù)理想的低溫?zé)嵩春蜔釁R。利用熱泵技術(shù)回收城市義,具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的開發(fā)利用潛污水中蘊(yùn)藏的冷熱能已成為污水資源化利用和建筑力3-5]中國(guó)煤化工基金項(xiàng)目:重慶市建委科技項(xiàng)目(城科字2008第30號(hào));國(guó)家科技 支撐計(jì)MHCNM HG重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目( CSTS2008AB7110).88●www. watergasheat. com林真國(guó),等:污水熱泵在城市生活小區(qū)的應(yīng)用第26卷第5期對(duì)城市污水冷熱能的應(yīng)用研究從20世紀(jì)80年1.2水溫特性代就開始了,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多對(duì)該領(lǐng)域的研究報(bào)筆者對(duì)生化池內(nèi)污水溫度進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),測(cè)道,但所報(bào)道的污水源熱泵系統(tǒng)絕大多數(shù)設(shè)在城市點(diǎn)如圖2所示,溫度傳感器采用銅-康銅熱電耦,測(cè)污水處理廠,或者在城市污水主干管,很少將污水源試數(shù)據(jù)通過(guò)智能溫度巡檢儀自動(dòng)記錄?？紤]到冬季熱泵系統(tǒng)設(shè)在城市居住小區(qū)的生化池0.7]。將污水的污水溫度分布規(guī)律與夏季相似,僅取夏季典型日源熱泵系統(tǒng)設(shè)在城市居住小區(qū)或者單棟建筑的生化的生化池污水測(cè)試溫度進(jìn)行說(shuō)明。池附近,能夠快捷地利用污水冷熱能,便于將回收的污水熱能就地實(shí)現(xiàn)利用8。此外,在污水從小區(qū)排、污水.污水出后到污水處理廠的過(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(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)的污水106多1021081i09溫度變化,可以實(shí)現(xiàn)污水熱能的多級(jí)利用。11|110114| 1031生活小區(qū) 污水特性113161121.1污水 生化池流程wwww. wwwwww. wwwwww wwwwww生活小區(qū)污水成分復(fù)雜,其水質(zhì)直接影響污水池B熱泵系統(tǒng)的性能。原水中的懸浮物、油脂、殘?jiān)⒘驁D2污水生化池 溫度測(cè)點(diǎn)分布化氫、活性細(xì)菌等都容易造成設(shè)備的堵塞、腐蝕、結(jié)Fig.2 Temperature sensor distribution in biochemical tank垢和換熱性能的降低,這也是近年來(lái)污水換熱設(shè)備測(cè)試發(fā)現(xiàn)各池內(nèi)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?yàn)槌貎?nèi)污水流速小,容易形成溫度分小區(qū)污水首先排人到小區(qū)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(cè)得池A、B、人市政污水管網(wǎng),筆者所調(diào)研的生活小區(qū)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(qū)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-2.543000mm,3000mm,3000mm3000mmC/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)酵 厭氧發(fā)酵沉淀污水內(nèi)污水的對(duì)流強(qiáng)弱,可為生化池內(nèi)污水換熱器的設(shè)卡日置提供有益的參考。由于進(jìn)人生化池污水流量的動(dòng)態(tài)變化,池內(nèi)水池池C溫全天表現(xiàn)出一-定的波動(dòng)性,圖3是各池內(nèi)污水平均溫度的動(dòng)態(tài)變化曲線,波動(dòng)范圍為2.8~3.6 C,日1 調(diào)研小區(qū)污水生化池平面各池內(nèi)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?jiān)e聚出口溫度升高約2C,這是因?yàn)榘l(fā)酵產(chǎn)生熱量所致。在池A中,體積較小的固體殘?jiān)S污水流入池B和池C中發(fā)酵分解,然后進(jìn)人池D再次沉淀，最后排28t人市政污水管網(wǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),池A中幾乎看不照到污水，上層全部是漂浮的固體殘?jiān)鼘?厚度約為25400 mm);池B、池C中漂浮較少的固體殘?jiān)?以污24水為主,池C相對(duì)池B則固體殘?jiān)?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?jiān)鼫y(cè)試時(shí)刻存在。池D中的污水除了酸堿度指標(biāo)外,其水質(zhì)已中國(guó)煤化工規(guī)律基本滿足換熱設(shè)備的要求,污水熱泵系統(tǒng)可從池DFig.3 HourlyCemical tank中直接或間接提取冷熱能。將A、B、CCN M H G室外的日平.89●第26卷第5期中國(guó)給水排水www. watergasheat. com均氣溫進(jìn)行對(duì)比,結(jié)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(duì)穩(wěn)水排量相對(duì)較大,1月一3月的污水排量現(xiàn)對(duì)較小。定。由于氣溫日變化大,其日平均溫度與污水日平可見,該污水流量特征對(duì)采用污水源熱泵系統(tǒng)的夏均溫度的差異小于各測(cè)試時(shí)刻二者的瞬時(shí)差值。如季制冷有利,而對(duì)冬季供暖則不利。果按照熱泵系統(tǒng)開啟運(yùn)行的時(shí)間進(jìn)行比較,污水作3 500為低溫?zé)嵩聪鄬?duì)空氣來(lái)說(shuō),其冬暖夏涼的特性將更。30002 2500加明顯。百2000常150032員100024-500-23456789101112警1月份一日平均水溫W圖6生活小區(qū)污水排量逐 月變化-日平均氣溫Fig. 6 Monthly discharge volume of sewage巴巴巴巴巴巴巴巴巴巴巴田2生活小區(qū)污水冷熱能利用四四四四四四四四2.1污水可利用冷熱能0m寸n口r∞°ε三≌i期國(guó)內(nèi)外所報(bào)道的污水熱泵系統(tǒng)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(nèi)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(duì)污水處理工Fig.4 Monthly temperature of sewage in biochemical tank藝的影響較小，對(duì)菌類活性的影響可以忽略。結(jié)合1.3 流量特性通常認(rèn)為污水流量可按照給水量的90%計(jì)算。國(guó)內(nèi)外大多數(shù)污水熱泵機(jī)組的性能參數(shù),制冷工況筆者所調(diào)研的小區(qū),6層以上住戶的生活給水均采下機(jī)組的性能系數(shù)可取為5.0,供熱工況下機(jī)組的用二次加壓方式,二次水箱設(shè)置在32層屋頂，流量性能系數(shù)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(jì)在二次水箱給水出口測(cè)試得到。冷熱量分別為:Q.=K,C. G、.△T(1)圖5是該小區(qū)冬季(2007年1月8日)的給水流量QR=K.C . Gj. OT(2)時(shí)變化情況。可知污水流量的時(shí)變化較大,峰值分式中QQn-分別為污水可利用的冷量和熱別出現(xiàn)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,m'/h-夏季冷量修正系數(shù),為0.222K.-冬 季熱量修正系數(shù),為0. 347C一污水 比熱容,取水的比熱容為4.187kJ/(kg. K)AT一污水換熱前 、后的溫差,可取5 C由于污水流量的逐時(shí)波動(dòng)性,污水可利用冷熱時(shí)刻能同樣也具有時(shí)間峰谷特性。建筑冷熱負(fù)荷的需求圖5生活小區(qū) 污水排量的時(shí)變化規(guī)律隨著室外氣象參數(shù)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(fù)荷需求的生活小區(qū)污水排量短期內(nèi)基本穩(wěn)定,但氣候的逐時(shí)變化特性并不一定吻合DI調(diào)研的小區(qū)為例,變化會(huì)造成居民用水量的變化,調(diào)研小區(qū)全年污水按式(1)計(jì)算的中國(guó)煤化工小區(qū)建筑冷排量的逐月變化情況見圖6?？芍?污水排量逐月負(fù)荷需求匹配MHCNM HG. 90.www. watergasheat. com林真國(guó),等:污水熱泵在城市生活小區(qū)的應(yīng)用第26卷第5期800系統(tǒng)。從物業(yè)配套用房面積及使用功能分析可知，口建筑冷負(fù)荷700■污水可利用冷量小區(qū)污水生化池內(nèi)的可利用冷熱量能夠滿足物業(yè)配套用房的冷熱負(fù)荷需求。在污水排量較大的小區(qū),首500尚可利用部分污水冷熱量為小區(qū)配套的會(huì)所、超市面400痃.300提供空調(diào)及生活熱水的冷熱量。歸200生活小區(qū)污水熱泵應(yīng)用系統(tǒng)見圖8。在該系統(tǒng)10中,污水熱泵機(jī)組冷熱源側(cè)(污水側(cè))和負(fù)荷側(cè)(空調(diào)設(shè)備及衛(wèi)生熱水側(cè))各形成一個(gè)獨(dú)立的閉式環(huán)時(shí)刻路,分別設(shè)置膨脹水箱1和膨脹水箱2對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定壓和容納管路中水容積的變化,同時(shí)也可對(duì)系統(tǒng)圖7 污水可利用冷量與建筑冷負(fù)荷的對(duì)比Fig. 7 Comparison between sewage cooling capacity and進(jìn)行排氣。building cooling load，拋管換熱器污水所能提供的冷量?jī)H為建筑實(shí)際所需冷負(fù)荷的2. 0% ~5. 0% ,污水最大可利用冷量出現(xiàn)在晚上9 :00,而建筑最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在下午4:00,二者在時(shí)間上存在滯后。在數(shù)量上生活小區(qū)污水所能提供床蔡A空調(diào)末端的冷量只能滿足少部分用戶的供冷供熱需求,這是-接自來(lái)水補(bǔ)水因?yàn)樗{(diào)研的小區(qū)規(guī)模較小(總建筑面積為32 000m2),常住人口數(shù)量少,污水排量相對(duì)較小。因此，生活小區(qū)污水熱泵系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合常規(guī)的能源方式,構(gòu)建復(fù)合式的冷熱供應(yīng)系統(tǒng),以解決生圖8 生活小區(qū)污水熱泵應(yīng)用系統(tǒng)活小區(qū)污水可利用冷熱能和生活小區(qū)建筑冷熱負(fù)荷Fig.8 Sewage source heat pump system applied in需求在時(shí)間和數(shù)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V1、V2打開,V3、2.2污水熱泵應(yīng) 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(qū)污水冷熱能通常采用熱泵方式加以利熱泵機(jī)組出口1流出，串聯(lián)流經(jīng)污水生化池內(nèi)的各用。由于受小區(qū)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(jī)組或者換熱器設(shè)備,利用過(guò)濾器對(duì)污水機(jī)組,從而將冷凝熱釋放給生化池內(nèi)的污水,由于污進(jìn)行處理需要一定的占地且容易產(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(duì)污水冷熱能加以間接利用是負(fù)荷側(cè)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(shè)置在生化池內(nèi)與污水進(jìn)行污水熱泵機(jī)組,被機(jī)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(diào)末端設(shè)備。制冷過(guò)程由于污水生化根據(jù)熱泵機(jī)組流量管徑通常選用DN20~DN32。池內(nèi)溫度較室外空氣溫度低,污水熱泵機(jī)組冷凝溫分析表明,生活小區(qū)污水可利用冷熱能占小區(qū)度較常規(guī)的風(fēng)冷和冷卻塔系統(tǒng)可低5~10 C。根據(jù)建筑總冷熱負(fù)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(nèi)的污水冷熱能大量地應(yīng)用到小區(qū)居住建筑內(nèi)，1 C,機(jī)組制冷效率可提高3%左右。因此,污水熱但應(yīng)用到小區(qū)配套的物業(yè)建筑內(nèi)卻具有較好的可行泵機(jī)組夏季制冷工況可實(shí)現(xiàn)15% ~ 30%能效的提性。根據(jù)物業(yè)管理的相關(guān)條例，居住小區(qū)物業(yè)配套高,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。用房面積一般為小區(qū)總建筑面積的0.3%~0.5%，當(dāng)污水可利用冷量不足以提供制冷系統(tǒng)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(jiān)控求時(shí),污水熱泵機(jī)織冷卻k進(jìn)口水沮2處溫度升高,中國(guó)煤化工室及宿舍等配套設(shè)施。該部分用房需要設(shè)置空調(diào)制超過(guò)機(jī)組設(shè)定THCNMH(閥門V1、V2冷及采暖系統(tǒng),對(duì)配套宿舍還需設(shè)置衛(wèi)生熱水供應(yīng)及V5,同時(shí)打CNMHP熱泵制冷系.91●第26卷第5期中國(guó)給水排水www. watergasheat. com統(tǒng)切換到常規(guī)的冷卻塔制冷系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)生活小區(qū)污水熱泵系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合常規(guī)對(duì)建筑冷負(fù)荷的更大適應(yīng)性。但需要適當(dāng)增加冷卻的能源方式,構(gòu)建復(fù)合式的冷熱供應(yīng)系統(tǒng),以解決污塔備用系統(tǒng)的投資。水可利用冷熱能和建筑冷熱負(fù)荷需求在時(shí)間和數(shù)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(jī)組可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)制冷劑環(huán)路的換向，區(qū)污水熱泵系統(tǒng)滿足節(jié)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(nèi)吸熱,而水泵B所在的負(fù)荷側(cè)可得到40~45C的高溫?zé)釁⒖嘉墨I(xiàn):水。由于污水溫度的冬暖夏涼特性,污水熱泵機(jī)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(yùn)[2] 林真國(guó),張素云,伍培.重慶市城市污水冷熱資源利用行單獨(dú)的制熱循環(huán),污水熱泵機(jī)組同時(shí)還可以提供的可行性探討[J].科學(xué)咨詢,2009 ,(5):13.50~60 C的衛(wèi)生熱水。水泵C的運(yùn)行受衛(wèi)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(nèi)溫度傳感器的控制,同時(shí)連鎖污水熱泵機(jī)組運(yùn)[J].可再生能源,2002,(6):23 -24.行;溫度低于設(shè)定值(如50 C)的熱水從點(diǎn)5進(jìn)人4]尹軍, 王宏哲,韋新東.未處理城市污水熱能回收方式機(jī)組,吸收冷凝熱后溫度升高,從點(diǎn)6流出機(jī)組,自綜述[J].中國(guó)資源綜合利用,2003,( 10) :20 -26.點(diǎn)8進(jìn)入水箱,維持水箱內(nèi)溫度范圍恒定;水泵D5]馬最良,姚楊,趙麗瑩.污水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用前景[J].中國(guó)給水排水,2003 ,19(7):41 -43.推動(dòng)衛(wèi)生熱水向各淋浴末端供水,回水循環(huán)流回?zé)?] 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V1、V2打開,V3、V4、[J]. Water Sci Technol ,200 ,43( 10) :227 - 285.V5均關(guān)閉。如果出現(xiàn)污水流量不足或者極端低溫7] Baek N C,Shin U C, YoonJ H. A study on the design情況,污水所提供的熱量可能不足以供應(yīng)污水熱泵and analysis of a heat pump heating system using機(jī)組正常運(yùn)行,使得機(jī)組進(jìn)口點(diǎn)2的水溫低于機(jī)組wastewater as a heat source[ J]. Solar Energy , 2005 ,78設(shè)定下限溫度,此時(shí)可短時(shí)間開啟輔助加熱器,關(guān)閉(3):427 -440.閥門V1,同時(shí)打開閥門V5,作為系統(tǒng)污水在極端低8] 徐偉.中國(guó)地源熱泵發(fā)展研究報(bào)告(2008)[M].北溫情況下的備用方案。京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.3結(jié)論城市生活小區(qū)污水冷熱能的利用是可再生能源電話:13983745886在建筑上應(yīng)用的一-種新 方式，對(duì)建筑節(jié)能具有重要E - mail:!zgcqu@ 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(yīng)用[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2000,1(3):55 -60.4] 李建渠,李靈芝,王占生、生物濾池和常規(guī)工藝對(duì)某地[1] 何文杰安全飲用水保障技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑表水中不同分子量有機(jī)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(guó)勝.東深供水工程的生物處理設(shè)計(jì)與運(yùn)行[J].中國(guó)給水排水,2002 ,18(5):68 -71.E - mail :tq006dy@ 163. com .[3]陳漢輝,孫國(guó)勝.生物接觸氧化法處理微污染源水的收稿日期:2009 -09 -04中國(guó)煤化工MHCNMHG.92●