第26卷第5期中國給水排水Vol. 26 No. 52010年3月CHINA WATER & WASTEWATERMar. 2010污水熱泵在城市生活小區(qū)的應用林真國'，張素云”，付祥釗",白雪蓮'(1.重慶大學城市建設(shè)與環(huán)境工程學院，重慶400045; 2.后勤工程學院營房管理與環(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),對重慶市主城區(qū)某居住小區(qū)生活污水的溫度和流量進行了測試分析,提出了小區(qū)污水熱泵系統(tǒng)應用于建筑空調(diào)、供暖和衛(wèi)生熱水供應的綜合節(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際需要冷負荷的匹配關(guān)系,提出了生活小區(qū)污水熱泵系統(tǒng)與常規(guī)冷熱供應系統(tǒng)的復合式冷熱供應方案。關(guān)鍵詞:建筑節(jié)能; 污水源熱泵; 污水溫度; 污水流量; 應用模式中圖分類號: X703文獻標識碼:文章編號: 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“節(jié)能減排"具有重要意術(shù)理想的低溫熱源和熱匯。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)利用潛污水中蘊藏的冷熱能已成為污水資源化利用和建筑力3-5]中國煤化工基金項目:重慶市建委科技項目(城科字2008第30號);國家科技 支撐計MHCNM HG重慶市科技攻關(guān)計劃項目( CSTS2008AB7110).88●www. watergasheat. com林真國,等:污水熱泵在城市生活小區(qū)的應用第26卷第5期對城市污水冷熱能的應用研究從20世紀80年1.2水溫特性代就開始了,國內(nèi)外已經(jīng)有很多對該領(lǐng)域的研究報筆者對生化池內(nèi)污水溫度進行了長期監(jiān)測,測道,但所報道的污水源熱泵系統(tǒng)絕大多數(shù)設(shè)在城市點如圖2所示,溫度傳感器采用銅-康銅熱電耦,測污水處理廠,或者在城市污水主干管,很少將污水源試數(shù)據(jù)通過智能溫度巡檢儀自動記錄?？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試溫度進行說明。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程中,污水還可以與地下土流人壤進行換熱,減小因污水熱泵系統(tǒng)運行帶來的污水106多1021081i09溫度變化,可以實現(xiàn)污水熱能的多級利用。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、殘渣、硫圖2污水生化池 溫度測點分布化氫、活性細菌等都容易造成設(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,這也是近年來污水換熱設(shè)備測試發(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)鍵問題。目前仍有較多的生活溫度梯度,因為池內(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)污水的對流強弱,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。由于進人生化池污水流量的動態(tài)變化,池內(nèi)水池池C溫全天表現(xiàn)出一-定的波動性,圖3是各池內(nèi)污水平均溫度的動態(tài)變化曲線,波動范圍為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,污水從進口到Fig. 1 Plan of biochemical tank原水在池A中沉淀,大部分的固體殘渣均積聚出口溫度升高約2C,這是因為發(fā)酵產(chǎn)生熱量所致。在池A中,體積較小的固體殘渣隨污水流入池B和池C中發(fā)酵分解,然后進人池D再次沉淀，最后排28t人市政污水管網(wǎng)?，F(xiàn)場調(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渣層(厚度約為25400 mm);池B、池C中漂浮較少的固體殘渣,以污24水為主,池C相對池B則固體殘渣更少;池D中的污水比池B、池C更顯得清澈,表面幾乎無固體殘渣測試時刻存在。池D中的污水除了酸堿度指標外,其水質(zhì)已中國煤化工規(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期中國給水排水www. watergasheat. com均氣溫進行對比,結(jié)果如圖4所示。可知,污水溫度變化幅度明顯比逐時變化幅度小,7月一10月的污全年的波動明顯小于室外氣溫的,污水溫度相對穩(wěn)水排量相對較大,1月一3月的污水排量現(xiàn)對較小。定。由于氣溫日變化大,其日平均溫度與污水日平可見,該污水流量特征對采用污水源熱泵系統(tǒng)的夏均溫度的差異小于各測試時刻二者的瞬時差值。如季制冷有利,而對冬季供暖則不利。果按照熱泵系統(tǒng)開啟運行的時間進行比較,污水作3 500為低溫熱源相對空氣來說,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期國內(nèi)外所報道的污水熱泵系統(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,這樣的溫度變化對污水處理工Fig.4 Monthly temperature of sewage in biochemical tank藝的影響較小，對菌類活性的影響可以忽略。結(jié)合1.3 流量特性通常認為污水流量可按照給水量的90%計算。國內(nèi)外大多數(shù)污水熱泵機組的性能參數(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組的性能系數(shù)可取為5.0,供熱工況下機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在二次水箱給水出口測試得到。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)時變化情況。可知污水流量的時變化較大,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、18時、0時以及9時,15時一16時、量,kW3時一4時、10時一11時則是排水量的低谷。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波動性,污水可利用冷熱時刻能同樣也具有時間峰谷特性。建筑冷熱負荷的需求圖5生活小區(qū) 污水排量的時變化規(guī)律隨著室外氣象參數(shù)的變化是逐時變化的,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際冷熱負荷需求的生活小區(qū)污水排量短期內(nèi)基本穩(wěn)定,但氣候的逐時變化特性并不一定吻合DI調(diào)研的小區(qū)為例,變化會造成居民用水量的變化,調(diào)研小區(qū)全年污水按式(1)計算的中國煤化工小區(qū)建筑冷排量的逐月變化情況見圖6?？芍?污水排量逐月負荷需求匹配MHCNM HG. 90.www. watergasheat. com林真國,等:污水熱泵在城市生活小區(qū)的應用第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)污水熱泵應用系統(tǒng)見圖8。在該系統(tǒng)10中,污水熱泵機組冷熱源側(cè)(污水側(cè))和負荷側(cè)(空調(diào)設(shè)備及衛(wèi)生熱水側(cè))各形成一個獨立的閉式環(huán)時刻路,分別設(shè)置膨脹水箱1和膨脹水箱2對系統(tǒng)進行定壓和容納管路中水容積的變化,同時也可對系統(tǒng)圖7 污水可利用冷量與建筑冷負荷的對比Fig. 7 Comparison between sewage cooling capacity and進行排氣。building cooling load，拋管換熱器污水所能提供的冷量僅為建筑實際所需冷負荷的2. 0% ~5. 0% ,污水最大可利用冷量出現(xiàn)在晚上9 :00,而建筑最大冷負荷出現(xiàn)在下午4:00,二者在時間上存在滯后。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-接自來水補水因為所調(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,污水排量相對較小。因此，生活小區(qū)污水熱泵系統(tǒng)在實際應用中需要結(jié)合常規(guī)的能源方式,構(gòu)建復合式的冷熱供應系統(tǒng),以解決生圖8 生活小區(qū)污水熱泵應用系統(tǒng)活小區(qū)污水可利用冷熱能和生活小區(qū)建筑冷熱負荷Fig.8 Sewage source heat pump system applied in需求在時間和數(shù)量上不匹配的矛盾,采取自動切換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 用模式V4、V5均關(guān)閉。水泵A推動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2循環(huán)進人污水熱泵進人熱泵機組或者換熱器設(shè)備,利用過濾器對污水機組,從而將冷凝熱釋放給生化池內(nèi)的污水,由于污進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污水冷熱能加以間接利用是負荷側(cè)冷凍回水則在水泵B的推動下自點3進入最好的選擇,將換熱器設(shè)置在生化池內(nèi)與污水進行污水熱泵機組,被機組吸熱降溫后冷凍供水從點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。制冷過程由于污水生化根據(jù)熱泵機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)的風冷和冷卻塔系統(tǒng)可低5~10 C。根據(jù)建筑總冷熱負荷的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用到小區(qū)居住建筑內(nèi)，1 C,機組制冷效率可提高3%左右。因此,污水熱但應用到小區(qū)配套的物業(yè)建筑內(nèi)卻具有較好的可行泵機組夏季制冷工況可實現(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,進而實現(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)主委員會辦公室、保安監(jiān)控求時,污水熱泵機織冷卻k進口水沮2處溫度升高,中國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)制超過機組設(shè)定THCNMH(閥門V1、V2冷及采暖系統(tǒng),對配套宿舍還需設(shè)置衛(wèi)生熱水供應及V5,同時打CNMHP熱泵制冷系.91●第26卷第5期中國給水排水www. watergasheat. com統(tǒng)切換到常規(guī)的冷卻塔制冷系統(tǒng)，進而實現(xiàn)該系統(tǒng)生活小區(qū)污水熱泵系統(tǒng)在實際應用中需要結(jié)合常規(guī)對建筑冷負荷的更大適應性。但需要適當增加冷卻的能源方式,構(gòu)建復合式的冷熱供應系統(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荷需求在時間和數(shù)量冬季供熱情況下,各水環(huán)路的流動過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,污水熱泵機組可自動實現(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推動水從污水生化池內(nèi)吸熱,而水泵B所在的負荷側(cè)可得到40~45C的高溫熱參考文獻:水。由于污水溫度的冬暖夏涼特性,污水熱泵機組[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,通過回收制冷過程的冷凝熱或者運[2] 林真國,張素云,伍培.重慶市城市污水冷熱資源利用行單獨的制熱循環(huán),污水熱泵機組同時還可以提供的可行性探討[J].科學咨詢,2009 ,(5):13.50~60 C的衛(wèi)生熱水。水泵C的運行受衛(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,同時連鎖污水熱泵機組運[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5進人4]尹軍, 王宏哲,韋新東.未處理城市污水熱能回收方式機組,吸收冷凝熱后溫度升高,從點6流出機組,自綜述[J].中國資源綜合利用,2003,( 10) :20 -26.點8進入水箱,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)的應用前景[J].中國給水排水,2003 ,19(7):41 -43.推動衛(wèi)生熱水向各淋浴末端供水,回水循環(huán)流回熱6] Funamizu N,Lida M, Sakakura T,et al. 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Solar Energy , 2005 ,78設(shè)定下限溫度,此時可短時間開啟輔助加熱器,關(guān)閉(3):427 -440.閥門V1,同時打開閥門V5,作為系統(tǒng)污水在極端低8] 徐偉.中國地源熱泵發(fā)展研究報告(2008)[M].北溫情況下的備用方案。京:中國建筑工業(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在建筑上應用的一-種新 方式，對建筑節(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)了建議。研究進展與應用[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)工藝對某地[1] 何文杰安全飲用水保障技術(shù)[M].北京:中國建筑表水中不同分子量有機物的去除[J].重慶環(huán)境科學,工業(yè)出版社,2006.2003 ,25(12) :46 -47.[2]李迎春,肖毅,孫國勝.東深供水工程的生物處理設(shè)計與運行[J].中國給水排水,2002 ,18(5):68 -71.E - mail :tq006dy@ 163. com .[3]陳漢輝,孫國勝.生物接觸氧化法處理微污染源水的收稿日期:2009 -09 -04中國煤化工MHCNMHG.92●