污水熱泵技術在污水處理廠的應用
摘要：密云縣檀州污水處理廠污水熱泵工程引進北歐先進技術和設備，采用未經任何處理的城市污水作為源水的水源熱泵技術，將污水中具有的低位能源通過換熱器及熱泵機組轉換成高位能源進行供暖、制冷、供應生活熱水。
關鍵詞：污水換熱器；熱泵；經濟性
一、 項目概況：
密云縣檀州污水處理廠坐落于美麗的潮白河畔，是密云縣城唯一的污水集中處理點，每日承擔著密云縣城近24000m3的污水的處理。污水水質穩定，常年溫度在13 ℃-15 ℃。廠內有約10000m2建筑（寫字樓，廠房，車庫等），利用未經處理的城市污水為熱源供本廠的供暖及部分制冷（只有辦公樓需要制冷），并且還可供生活熱水使用。它在制熱時以污水為熱源，而在制冷時以污水為熱匯。由于污水處理廠污水供應充足，提取和排放熱量能夠滿足供暖制冷的需要。
該項工程是密云縣檀州污水處理廠原燃煤鍋爐房的改造工程。由于原燃煤鍋爐每年造成一定的大氣污染，為適應北京市環境保護的需求，決定對這套供熱系統進行改造，不再使用燃煤，因此采用了既能供熱，又能制冷的污水源熱泵系統。污水處理廠改造分為兩部分，一部分是辦公樓的改造，另一部分是設備廠房的改造，辦公樓內安裝的是能夠制冷制熱的風機盤管，設備廠房內安裝的是散熱性能較好的鋼串式暖氣片。
二、系統原理及設計
冬季，污水溫度約12－15℃經過換熱器換熱后排出溫度約為7－10℃，系統提取污水中的熱量作為水源熱泵機組的低溫熱源，進入熱泵機組蒸發器，熱泵冷凝器出水作為供暖系統循環水，供回水溫度為50－45℃。夏季，污水溫度約為14-18℃經過換熱器換熱后的排出溫度為19-23℃，污水帶走系統中的熱量作為水源熱泵機組制冷時的冷卻水，熱泵蒸發器出水作為供冷系統循環水，供回水溫度為7-12℃。該熱泵具有熱回收功能，在冬夏季工況運行的同時確保了生活熱水的供應。用戶側供水通過分集水器分別供到每個單體樓。系統冬、夏季工況的轉換通過切換站房系統中的閥門來實現。
三、項目重點及難點
1、 污水換熱器
利用未經處理的污水作為水源進行采暖制冷，是水源熱泵的一種方式，由于污水中懸浮物、污垢沉淀物較多，而且污水的酸堿度較大，極易對換熱器產生腐蝕，結垢、堵塞等現象，從而嚴重地影響傳熱效率。通過實驗測試，城市原生污水動力粘度（15℃）較清水動力粘度（15℃，1.14×10－6㎡/s）；大40倍左右，即4.56×10－5㎡/s.如此高的粘度、腐蝕性和懸浮物對換熱器的材質、表面粗糙度和內部結構設計都提出了很高的要求。根據對國內換熱器行業的考察，目前國內還很少有能夠滿足如此惡劣工作條件且價格適宜的換熱器，因此，最終作為項目參與方的北歐相關專家組根據實地污水采樣檢測，經過長時間的研究，確定了該污水換熱器的材料，采用各種新型材料及表面處理技術，解決了防腐、堵塞和結垢等問題。該換熱器部件采購于芬蘭、瑞典、丹麥等國家，最終由馬來西亞組裝成型。項目運行三年以來，換熱器未出現任何腐蝕、堵塞和結垢的現象，基本能夠滿足污水熱泵系統正常運行的需要，證明這種換熱器比較適合中國國內的污水水質現狀。
2、格柵
污水在進入沉淀池前先經過一道粗格柵，以攔截污水中較大顆粒的漂浮物和懸浮物，攔截的柵渣由人工清除。污水從沉淀池出來后再經過一道細格柵，以攔截污水中小顆粒的漂浮物和懸浮物，攔截的柵渣每隔大約半個小時自動傳輸到垃圾池。經過兩道格柵的過濾，污水中的大小顆粒漂浮物和懸浮物已經基本攔截，而后再進入污水換熱器，這樣可以避免換熱器的堵塞。
四、實測數據分析
該水源熱泵系統從2003年1月10日投入正常運行后，經歷了北京近年來最寒冷的冬天，充分考驗了污水源熱泵機組的性能。機組凍夏季運轉狀況良好。
為了更準確的分析污水源熱泵的經濟性，我們安排專職人員在設備運轉現場連續記錄了兩個多月，每隔兩個小時記錄一次數據，包括電表數、溫度、壓力等。
五、項目優點
1. 環保
污水源熱泵是利用了污水原水作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。供熱時省去了燃煤、燃氣、燃油等鍋爐房系統，沒有燃燒過程，減少溫室氣體CO2和其它大氣污染物的排放；供冷時省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音及霉菌污染。不產生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵，使環境更優美。
2. 節能
污水熱泵機組可利用的污水溫度冬季為11-15℃，污水溫度比環境空氣溫度高，是較好的低溫熱源；夏季污水溫度為17-21℃，污水溫度比環境空氣溫度低，是較好的散熱體。這種溫度特性使得污水熱泵比傳統空調系統運行效率要高20%.
3. 節資
該系統還可以集采暖、空調制冷和提供生活熱水于一身。—套熱泵系統可以替換原有的供熱鍋爐、制冷空調和生活熱水加熱的三套裝置或系統，從而也增加了經濟性。
4. 穩定
污水的溫度相對穩定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動。是很好的熱泵熱源和空調冷源，污水溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點問題。
5. 自控程度高
根據系統特點，我們選用四臺壓縮機的機組，系統根據負荷的波動，自動選擇壓縮機的啟停，提高系統運行效率；自動控制程度高，運行過程無需專人職守；管理相對容易，機組維護費用低；使用壽命高達15年以上。
六、結語
1、污水－水源熱泵恒溫系統具有節水，節能，環保的特點，是利用城市污水進行供暖，制冷的空調新形勢，符合世界各國城市污水再利用和城市水源問題的大趨勢。在密云縣采用這一技術，為促進密云無煙縣及綠色生態環保縣，具有重要意義。
2、利用未經處理的城市污水作為源水的水源熱泵系統在密云縣檀州污水處理廠的應用成功，標志著在我國污水源熱泵應用技術的又一次長足發展。
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