污水源熱泵系統(tǒng)火用分析

1、污水源熱泵系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及其火用分析陳鵬飛 哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院摘要： 污水源熱泵系統(tǒng)較經(jīng)濟、環(huán)保，且技術(shù)性較強。本文首先對其在國內(nèi)外發(fā)展給出了簡單介紹，然后分析了目前該系統(tǒng)的主要問題，即污垢引起的一系列問題和蒸發(fā)器和散熱器的特殊設計。接著簡單介紹相應解決方法，最后對污水源熱泵系統(tǒng)在熱泵及制冷工況下的各個設備的進行火用分析，給出各個設備的火用損失及整個熱泵機組的火用效率計算公式。并進行實例計算，得出火用效率隨著污水溫度的變化的規(guī)律。關(guān)鍵詞：污水源熱泵，污垢， 火用分析，火用效率 Abstract: urban sewage source heat pump system is an e

2、conomical, environmentally friendly, and more technical system. Firstly, its domestic and overseas development are given a brief introduction, and then analyzes the main problems of the system, namely a series of problems caused by dirt and special design of the evaporator and the radiator

3、. Then a brief appropriate solution, and finally to the water source heat pump system in the conduct of each fire pump and refrigeration equipment with conditions analyzed, each device fire with fire damage and the entire heat pump units with efficiency calculation formula. And examples of calculate

4、d the exergy efficiency law sewage temperature changes over time.Keywords: urban sewage source heat pump, fouling, exergy analysis , exergy efficiency0 引言利用城市污水這一可再生能源實現(xiàn)建筑物供熱空調(diào)，對促進建筑 能源和環(huán)境三者間的和諧發(fā)展將產(chǎn)生深遠的影響。我國每年污水排放量為464×108m3/a，可利用的熱量可供采暖空調(diào)面積為5億m2以上。以黑龍江省為例，2000年全年污水排放量為1114×108m3/a,若考慮70%可

5、用，可利用的熱量可供暖面積為1100萬m2。城市污水的最大特點是冬暖夏涼，冬季溫度一般在13左右，夏季溫度穩(wěn)定在22左右,而且一年之內(nèi)，一天之內(nèi)的水溫相對穩(wěn)定，水量也相對穩(wěn)定。城市污水水量巨大，分布廣泛，熱能潛力巨大。中國是個嚴重缺水的國家，因此污水的回收再利用越來越受到關(guān)注, 并且在很多城市已經(jīng)有實際工程運用了。污水源冷熱水機組就是以城市污水作為冬季供熱的熱源，通過電驅(qū)動的壓縮機把污水的低溫熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺坏臒崮芄┙o用戶。夏季時作為制冷的冷源,通過制冷循環(huán)制取低溫以滿足用戶制冷空調(diào)的需求。這種裝置既可用作供熱采暖設備，又可用作制冷降溫設備，從而實現(xiàn)一機兩用。1國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀受能源危機

6、的影響，20 世紀 70 年代以來，世界各國對熱泵的研究工作十分重視，并且取得了顯著進展。對城市污水源熱泵（urban sewage source heat pump，USSHP）空調(diào)系統(tǒng)的研究，日本、挪威、瑞典及其他一些北歐供熱發(fā)達國家起步很早，但由于城市污水水質(zhì)的特殊性，一直以來進展緩慢。楊圖夫斯基等人于 1978 年首次對河水、污水、海水的熱能利用進行了研究探討，認為熱泵站供熱可比熱化電站、區(qū)域鍋爐房集中供熱節(jié)省燃料 20%30%，提出利用莫斯科河水作為熱泵熱源進行區(qū)域供熱的方案，并從宏觀角度分析了城市污水源熱泵系統(tǒng)應用的價值與前景，引起了各供熱發(fā)達國家的重視，挪威、瑞典、日本等國于 2

7、0 世紀 80 年代初期開始了相關(guān)的應用研究與實踐。20 世紀 80 年代初在瑞典、挪威等北歐國家建造的一些以污水為低溫熱源的大型熱泵站相繼投入運行。目前，瑞典斯德哥爾摩 40%的建筑物采用熱泵技術(shù)供熱，其中 10%是利用污水處理廠的二級出水。挪威奧斯陸 1980 年開始建設利用城市污水干管的污水作為低溫熱源的熱泵站，第一臺熱泵機組已在 1983 年投入使用。塞勒利用處理后的污水作為低溫熱源的熱泵站（3.3MW），1981 年 6 月投入運行后效果良好。由于能源危機和環(huán)境問題的日益突出，美國、日本、德國等發(fā)達國家也紛紛投入大量的財力和人力進行此項研究，并取得了一定的成果。采用熱泵技術(shù)回收家庭生

8、活污水（淋浴水、洗碟機和洗衣機排水等）余熱的設施實例也很多。對于約 10 人的住宅，采用熱泵技術(shù)回收家庭生活污水余熱可節(jié)能達 50%，對于 10 人以上的住宅可節(jié)能達60%。對于污水源熱泵，國外研究應用很典型的兩個工藝形式為淋水式與殼管式， 早在 1983 年就開始了工程實踐，以挪威、瑞典為代表的一些北歐國家，于 1983 年開發(fā)出淋水式蒸發(fā)器污水源熱泵（sprinkling evaporator sewage source heat pump，SE-SSHP）系統(tǒng)，經(jīng)粗效過濾處理后的污水與制冷劑直接換熱，將污水噴淋在板式（或管束）換熱器外側(cè)，污水呈膜狀流動換熱。運行 35 天用高壓水沖洗換熱

9、管，以去除沉積、附著在換熱面的污物。日本也很注重廢熱回收利用，也是很早很典型的城市污水熱能利用國家，1983 年開發(fā)了殼管式污水源熱泵（shell-tube sewagesource heat pump，ST-SSHP）系統(tǒng)。利用具有自動防污功能的殼管式換熱器實現(xiàn)污水的流動與換熱，污水在管內(nèi)流動，清水在管外殼體內(nèi)流動，使用現(xiàn)有的水源熱泵機組，通過二次換熱實現(xiàn)蒸發(fā)或冷凝過程。日本東京從 1987 年開始啟動城市污水源熱泵項目，現(xiàn)有 12 個城市污水源熱泵系統(tǒng)在運行，日用水量7000m3，總供熱能力為8900kW，總供冷能力為11640kW。俄羅斯莫斯科烏赫托姆斯基小區(qū)也建有二級出水污水源熱泵系統(tǒng)

10、供熱站。為深入了解國外城市污水源熱泵系統(tǒng)的設計與運行情況，在現(xiàn)有文獻26的基礎上，對日本的一個系統(tǒng)的參數(shù)與工況作了進一步分析計算，見表 1-1。該工程建筑面積 490m2，1987 年完成。 表 1-1日本某工程系統(tǒng)的參數(shù)與工況污水參數(shù)特點一級出水，冬季最低溫度 12，夏季最高溫度 26污水運行參數(shù)冬季平均溫差 1.9，惡劣工況 12/10.8夏季平均溫差 5，惡劣工況 25/30污水用量40m3/h制熱（冷）量制熱量 210KW，制冷量 280KW能效制熱系數(shù) 3.26（最大 3.97），制冷系數(shù) 3.76（最小 3.61）輸入功率30KW×2制冷劑R22小結(jié)，國外對污水源熱泵系統(tǒng)

11、的研究，所見報道都是針對使用城市污水處理廠二級出水的系統(tǒng)，涉及到的工程實例較多，規(guī)模也較大，由于二級出水水質(zhì)已經(jīng)相當好，因此其應用技術(shù)相對簡單而成熟。國外對原生污水源熱泵系統(tǒng)的應用很少，這是因為面對此類污水，應用工藝及運行管理復雜，大尺度污物對換熱設備的堵塞問題、換熱器的污染結(jié)垢問題依然是需要解決的關(guān)鍵問題。 我國污水源熱泵技術(shù)起步晚，但發(fā)展很快，其中比較有代表性的是以尹軍為代表的對我國污水熱能狀況的理論分析研究，以孫德興為代表的對城市污水冷熱源的應用方法及裝置的研究，以及以北京排水集團為承辦單位的回收污水處理廠二級處理后污水中的熱能工程原生污水熱能的取用等，自2001年起，我國已經(jīng)先后建立了

12、十幾個污水源熱泵供熱制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)運行良好隨著能源需求的日益加劇和環(huán)境污染的日趨嚴重，將廢棄的污水加以凈化處理和重新利用的要求日益迫切，為此國家也出臺了相應的污水再生利用的法規(guī)政策標準和規(guī)范，如中華人民共和國循環(huán)經(jīng)濟促進法、國務院關(guān)于加強城市供水節(jié)水和水污染防治工作的通知、中國節(jié)水技術(shù)政策大綱、全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設施建設”十一五”規(guī)劃、城市污水再生利用技術(shù)政策、城市污水再生利用、污水再生利用工程設計規(guī)范、城鎮(zhèn)污水熱泵熱能利用水質(zhì)等，用以規(guī)范和指導污水的再生利用。2污水源熱泵面臨的問題由于污水源熱泵的熱源為工業(yè)或生活廢水，廢水成分復雜往往含有顆粒、泥沙，有的甚至具有腐蝕性，因此污水源熱泵

13、的應用遇到了很多問題。現(xiàn)就主要問題及其解決方案進行分析。2.1污垢引起的問題2.1.1大流動阻力固體污雜物對流體內(nèi)部湍流的加強及固體壁面的摩擦使得污水流動阻力增加，特別是由于固體顆粒的慣性往往使得局部阻力成倍增加。同時，污垢層增厚也減小了管道的流通截面積，在流量恒定時，必然導致污水流速的增加，從而使整個換熱設備流動阻力增加，進而增加水泵的功耗，又由水泵和管路的特性曲線可知，水泵流量將減小，從而導致污垢增厚，進一步降低了換熱設備的性能，使系統(tǒng)節(jié)能效果降低。2.1.2低換熱系數(shù)于污水水質(zhì)換熱面的腐蝕和結(jié)垢等的影響，污水換熱器的換熱系數(shù)較一般清水換熱器要低，再對哈爾濱望江賓館和北京悅都酒店污染后的換

14、熱器進行試驗檢測時發(fā)現(xiàn)，其換熱系數(shù)均為750W/(m2.k)大約是清潔時的50%.過低的換熱系數(shù)，要求較大的換熱面積和較高的運行費用，這嚴重影響了系統(tǒng)的整體性能，降低了系統(tǒng)的節(jié)能效果。2.1.3強腐蝕性腐蝕和結(jié)垢問題是相關(guān)聯(lián)的，換熱器表面的腐蝕為其他不潔物聚積在換熱器表面提供了條件，促進了污垢的形成#同時污垢形成后，由于污垢層下缺氧，又為進一步的腐蝕創(chuàng)造了條件#在利用污水作為熱泵冷熱源時，由于污水水質(zhì)的復雜性，其含有大量的具有腐蝕性和難溶性離子，成為影響該項技術(shù)推廣應用的首要難題。2.2機組蒸發(fā)器冷凝器的特殊設計作為內(nèi)切換熱泵系統(tǒng)的換熱器，一個最基本的要求就是能夠?qū)崿F(xiàn)蒸發(fā)器與冷凝器的雙重功能。

15、蒸發(fā)與冷凝互為逆過程，而且換熱過程中制冷劑工質(zhì)的形態(tài)是不一樣的，蒸發(fā)時主要是液態(tài)吸熱，冷凝時主要是氣態(tài)放熱，工質(zhì)形態(tài)的不同導致?lián)Q熱系數(shù)大不一樣。另外，蒸發(fā)和冷凝的換熱部位也不一樣，對于滿液式來說，蒸發(fā)時換熱一般發(fā)生在下部，冷凝時則主要發(fā)生在上部#換熱部位不同導致的后果是換熱面積不同。因此，必須對直接式污水源熱泵機組的蒸發(fā)器。冷凝器進行特殊的結(jié)構(gòu)設計，使其滿足機組專用換熱器一器兩用功能。機組換熱器設計的關(guān)鍵問題是計算參數(shù)的選擇，相對于常規(guī)的水源熱泵機組，直接式污水源熱泵的特殊之處在于它的流動工質(zhì)，城市污水可被視為一種新的流動工質(zhì)，由于缺乏相關(guān)的基礎資料，現(xiàn)有的一些污水源熱泵系統(tǒng)工程的設計人員一般

16、都是采用按照清水的物性參數(shù)對污水進行估算，并加以修正的辦法，只是不同的設計人員采用的修正系數(shù)不同。因此，正確地選擇污水的流動參數(shù)和換熱參數(shù)是直接式機組換熱器設計的關(guān)鍵。3 問題的解決策略3.1防垢、除垢對策目前適用于污水的防垢型換熱器除不銹鋼換熱器外，還有鈦或鈦合金換熱器、塑料換熱器等。考慮其制造成本，鈦或鈦合金換熱器很難廣泛應用，而塑料換熱器不能滿足直接式熱泵機組承壓能力強、機械強度高的要求#金屬表面的納米涂層具有良好的疏水性和導熱性，通過實驗證明了其具有良好的抗垢性能#污水水質(zhì)較差，很容易在換熱器表面結(jié)垢，影響到換熱效果，進而降低整個系統(tǒng)的性能，故需對換熱面進行定期的清理。目前清除換熱面污

17、垢的方法有兩種: 化學法和物理法，化學法包括軟化法、酸處理法、炭化穩(wěn)定法及阻垢劑的應用等。但由于其較高的費用和易造成環(huán)境污染，一直未被廣泛采用。物理法即靠流體的流動或物理機械作用提供一種大于污垢粘附力的力，使之從受熱面剝落#廣泛用于換熱器除垢的方法主要包括噴水、噴汽、噴砂、噴丸、刮刀和鉆頭除垢、管子清洗塞、鋼絲刷子清洗等，北京奧運村換熱站的直接式污水源熱泵系統(tǒng)則選擇了膠球在線清洗系統(tǒng)進行機組換熱器換熱管的在線自清洗，其效果如何有待進一步考察論證。孫德興等人開發(fā)設計了換熱器內(nèi)強力沖洗法與換熱管內(nèi)拉閥法在線除垢裝置，為直接式污水源熱泵機組中換熱器的開發(fā)提供了借鑒。4 熱泵系統(tǒng)的熱力學性能分析熱力學

18、性能分析大致可以分為三類，能量分析法，熵分析法，火用分析法。能量分析是建立在熱力學第一定律的基礎上的第一類熱力學分析方法，它可以表示為 （1）能量分析只反映能量的數(shù)量損失，即外部損失，無法反映能量可用能即內(nèi)部損失。熵分析是以熱力學第一、二定律為基礎的第二類熱力學分析法，它可以表示為 （2）熵分析通過計算設備、裝置或過程的熵產(chǎn)生量及理想功、損耗功，從而確定過程的功損耗及熱力學效率，分析查找功損耗大的原因，提出節(jié)能降耗，提高能量利用率的途徑及措施。但它只反映不可用能的變化?；鹩梅治鍪且詿崃W第一、二定律為基礎的第二類熱力學分析法，它是對裝置或過程，在物料和能量衡算的基礎上，計算各物流和能流的火用值

19、，通過火用平衡，確定火用損失及其分布，找出損失或損耗的原因以及能量利用上的薄弱環(huán)節(jié)，從而為節(jié)能降耗提高能量利用率指明正確的方向。本文主要分析系統(tǒng)各設備的火用損失以尋找提高系統(tǒng)火用效率的最有效途徑?，F(xiàn)對污水源熱泵系統(tǒng)的火用損失進行分析，并計算各部件的火用損失。本文的研究對象是直接換熱式污水源冷熱水機組，循環(huán)忽略換熱器及管道的壓降損失。該機組具有制冷和熱泵雙重功能，夏季制取冷凍水，冬季制取熱水。冷熱水機組設備各部件的火用分析如下： 圖1 冬夏季壓縮機流程圖 圖2 夏季制冷工況冷凝器流程圖 圖3 冬夏季節(jié)流閥流程圖 圖4 夏季制冷工況蒸發(fā)器流程圖4.1 夏季制冷工況壓縮機（流程圖見圖1）：火用方程為

20、：取壓縮機為控制體，則屬于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程，其中火用變則火用損為： （3）節(jié)流閥（流程圖見圖3）：火用方程為：取節(jié)流閥為控制體，則屬于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程，其中火用變則火用損為： （4）冷凝器（污水側(cè)換熱器，流程圖見圖2）：火用方程為：取冷凝器為控制體，則屬于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程，其中火用變，則火用損為： （5）蒸發(fā)器（用戶側(cè)換熱器，流程圖見圖4）：火用方程為：取蒸發(fā)器為控制體，則屬于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程，其中火用變，則火用損為： （6）制冷系統(tǒng)火用平衡方程式：則系統(tǒng)火用損為： （7）制冷工況系統(tǒng)火用效率： （8）式中：各設備的火用損失；壓縮機的輸入功；污水向系統(tǒng)傳遞的冷量火用；用戶向系統(tǒng)傳遞的熱量火用；熱泵系統(tǒng)的收益火

21、用；熱泵系統(tǒng)的支出火用；根據(jù)冷量火用、熱量火用的定義，可將上述一些物理量寫為： （9）式中： （10）其中：熱泵機組供冷量； 熱泵機組制冷性能系數(shù)； 環(huán)境熱力學溫度，取冬季室外日平均溫度； 污水平均溫度，； 系統(tǒng)向用戶的供水溫度，。系統(tǒng)的火用損失為： （11）制冷系統(tǒng)火用效率為： （12）4.2 冬季制熱工況壓縮機（流程圖見圖1）：火用方程為：火用損為： （13） 圖5 冬季熱泵工況冷凝器流程圖 圖6 冬季熱泵工況蒸發(fā)器流程圖節(jié)流閥（流程圖見圖3）：火用方程為：火用損為： （14）冷凝器（用戶側(cè)換熱器，流程圖見圖5）：火用方程為：其中，則火用損為： （15）蒸發(fā)器（污水側(cè)換熱器，流程圖見圖6）

22、：火用方程為：其中則火用損為： （16）熱泵供熱系統(tǒng)火用平衡方程式：則系統(tǒng)火用損為： （17）熱泵供熱系統(tǒng)火用效率： （18）式中： 各設備的火用損失； 壓縮機的輸入功； 系統(tǒng)向用戶傳遞的熱量火用； 系統(tǒng)從污水吸收的火用； 熱泵系統(tǒng)的收益火用； 熱泵系統(tǒng)的支出火用；根據(jù)冷量火用、熱量火用的定義，可將上述一些物理量寫為： （19）其中：，并且 （20）其中：熱泵機組供熱量; 系統(tǒng)從污水中吸收的熱量； 熱泵機組制熱性能系數(shù)； 環(huán)境熱力學溫度，取冬季室外日平均溫度；系統(tǒng)的火用損失為 （21）熱泵供熱系統(tǒng)火用效率為 （22）4.3 實例計算分析污水源熱泵機組的污水溫度夏季在15 27之間變化，冷水機組

23、以污水作為冷卻水制取進出口溫度為12/7的冷凍水；冬季污水溫度在1020之間變化，熱水機組以污水作為熱源，依熱泵工況運行制取進/出口溫度為40/45的熱水。冬、夏季污水進出口均取5溫差，換熱器采用的是逆流式，兩換熱器的換熱介質(zhì)（污水、用戶側(cè)冷熱水）的進口與制冷劑出口的溫差取6，過冷度和過熱度均取3，壓縮機絕熱效率取0.75。本文設定環(huán)境狀態(tài)為：夏季33、1bar；冬季0、1bar。在夏季制冷工況時，保持冷水機組冷凍水的進/出口溫度保持不變（12/7），污水的溫度在1527之間變化時，依照上述的公式，可以得出，隨著污水溫度的變化，系統(tǒng)的總火用效率及COP值的變化，系統(tǒng)運行時從污水中提取的火用值及

24、其占總輸入火用的比率。 圖7 夏季制冷工況系統(tǒng)的 圖8 夏季制冷工況污水中提取的 總火用效率及 COP值的變化 火用及其占總輸入火用的比率在冬季熱泵工況時，保持熱水機組制取的熱水進出口溫度保持不變（40/45），污水的溫度在1020之間變化時，依照上述的公式可以得出隨著，污水溫度的變化，系統(tǒng)的總火用效率及COP值的變化，系統(tǒng)運行時從污水中提取的火用值及其占總輸入火用的比率。 圖9 冬季熱泵工況系統(tǒng)的 圖10 冬季熱泵工況污水中提取的 總火用效率及COP值的變化 火用及其占總輸入火用的比率結(jié)果及分析：1） 隨著污水入口溫度的增加，在夏季制冷工況，系統(tǒng)的總火用效率及COP值逐漸降低，污水輸入火用及其所占總輸入火用的比例逐漸減小；2） 隨著污水入口溫度的增加，在冬季熱泵工況，系統(tǒng)的總火用效率及COP值逐漸增加，污水輸入火用及其所占總輸入火用的比例也逐漸增大。4.