污水源热泵的系统形式

 污水源热泵系统按照其使用的污水的处理状态可分为以未处理过的污水作为热源/热汇的污水源热泵系统、以二级出水或中水作为热源/热汇的污水源热泵系统;按照热泵机组机房的布置情况可分为集中式、半集中式和分散式的污水源热泵系统。

 

  日本是利用污水冷热能较早的国家之一。既有利用未处理过的污水的, 也有利用二级出水或中水的。东京大区污水管理局从1987 年起启动从污水中回收冷热能的计划。12 个热泵系统现在正在运行, 每天使用70 000 m3 的排水或未处理的污水。其中4 个设置在泵站, 用未处理的污水作为热源/热汇;其余的8 个使用污水处理厂的二级或三级出水。总的能量供应能力为供热时32 .2 GJ/h ,供冷时41 .9 GJ/h。回收的能量主要用于污水处理厂的办公建筑的空调, 但其中Koraku 系统为区域供热供冷提供能量。

 

  以未处理污水作为热源/热汇的污水源热泵系统以未处理污水作为污水源热泵的热源/热汇,可就近利用城市污水泵站的污水, 把未处理污水中的冷/热量传递到热泵系统中, 并能就近输送给城市的用户, 可以显著增加污水用于区域供热供冷的范围;但由于未处理污水中含有大量杂质, 水处理和换热装置比较复杂。

 

  下面以东京Koraku 1-chome 区域供热供冷系统为例加以说明。

 

  东京Koraku 1-chome 的区域供热供冷系统是日本第一次应用未处理污水作为区域供热供冷的热源/热汇。用未处理污水作为热源/热汇是希望扩大市政污水中含有的大量热能的利用范围, 并减少能量消耗和温室气体排放。

 

  Ko raku 1-chome 区域供热供冷工厂的换热器安装在污水泵站的下面, 并把流入泵站的未处理污水中的冷/热量传递到热泵中, 然后用热泵系统来产生冷/热水。与空气源热泵相比, 这种系统可减少20 %的能量(电力)消耗。

 

  在该系统中采用旋转过滤型自动过滤器通过2 mm 过滤网来去除大部分悬浮物。为了防止腐蚀, 叶轮、主轴和泵采用不锈钢;换热管用钛钢, 并用带有固定端的冲洗刷定期地从一个端向另一定端移动来清除管内的污垢。流经污水泵站的污水含有大量的细小纤维物质, 这可能会阻塞冲洗刷的固定端, 并造成换热效果的衰减。这个问题已通过加热清洁系统的办法得到了解决。例如, 用外部热泵产生的热水来加热传热管, 这种解决办法被证明非常有效。

 

  Ko raku 1-chome 区域供热供冷厂选用了两台电制冷水源热泵, 每台制冷量为10 .5 MW(3 000USrt), 制热量为12 .8 MW 。工厂还有一套热回收装置, 制冷量为3 .9 MW(1 100 USrt), 制热量为5 .0 MW 。热回收装置用于同时供热供冷时, 作为热源/热汇的污水流量最高可达129 000 m3/d 。工厂通过四管铸铁管网系统向Koraku 1-chome 区的商业建筑(总建筑面积126 000 m2)提供冷水(7℃)和热水(47 ℃)。在工厂里还安装了一个总容积为1 520 m3 的蓄冷/热池, 来平衡能量需求及使用便宜的非峰夜间电力[ 5] 。

 

  供热供冷工厂从1995 年4 月到1996 年3 月生

 

  产了37 742 GJ(10 484 MWh)的冷量和9 151 GJ(2 542 MWh)的热量。热泵系统在夏季某月(1995年8 月)记录的月平均COP 值为4 .3 , 远大于东京正常运行的空气源区域供热供冷系统的效率。而冬季某月(1996 年2 月)系统的COP 值为3.9。

 

  图2 给出了1997 年供能的结果, 图中显示有约50 %的能量被分配给7 ～ 9 月的供冷。其中, 热泵消耗了74 %, 输送热水和冷水消耗了15 %, 其他用电设备消耗了约11 %的能量。热泵的COP 值为3 .80 , 如果包括输送消耗的电力, 整个系统的COP 值为2 .81。

 

  1997 年Koraku 1-chome 热泵系统供能月变化表关于Koraku 1-chome 供热供冷系统的环境效应, 与以前的区域供热工厂相比, 它减少了大约20 %的能量消耗(相当于278 m3 石油产生的能量), 并分别减少40 %和37 %的CO2 和NOx 产生量。

 

  以二级出水或中水作为热源/热汇的污水源热泵系统以二级出水或中水作为污水源热泵的热源/热汇,因为水质较好, 所以处理过程比较简单, 系统可能仅需要一级过滤器, 或者有时可能根本不需要过滤器。但污水处理厂一般位于市区边缘, 距热用户较远。如在污水处理厂内设立机房, 回收污水中的冷/热量, 则供热供冷管线较长, 费用较大。如果有中水系统, 则可利用中水管线将水输送到用户处, 采取半集中式系统进行供冷供热。水中的能量利用完之后, 还可继续作为中水使用。在此情况下, 不需要复杂的处理系统, 所以系统与一般的水源热泵系统较为相似,故在此不再作详细的分析。图3 显示了以二级出水为热源/热汇的污水源热泵系统流程图。

 

  热泵系统流程图(冷循环)

 

  下面仅以日本东京地区Ochiai 污水处理厂为例加以说明。Ochiai 污水处理厂热泵系统建于1987 年, 为办公建筑供热供冷, 它使用了315 000m3 二级出水中的1 450 m3 作为热源/热汇。该系统制冷能力为297 kW , 冷水出水温度为7 ℃;制热能力为289 kW , 热水出水温度为45 ℃。它使用了两台电机功率为90 kW 的压缩机, 制冷循环时的COP 值为4 .65 , 制热循环时的COP 值为3 .59。

 

  这些结果显示了系统有较高的运行水平。