城市污水源热泵系统的节能与环保评价法

2017-05-10高静轩

资源节约与环保 2017年2期

关键词：城市污水热能热源

高静轩

（山西大学动力工程系山西太原030000）

城市污水源热泵系统的节能与环保评价法

高静轩

（山西大学动力工程系山西太原030000）

对于城市污水而言，是城市余热型的清洁能源，作为热泵冷热源，满足建筑物供暖和制冷的需求。因此，需要重视对其进行客观分析，有效评论其在节能和环保方面的价值，明确起发展的潜力和方向。对于能源的发展，其发展方向主要是对新能源的开发以及对现有能源的节约，本文通过对城市污水源热泵系统工作原理的介绍，对其性能进行了系统的分析和计算，明确了相关的性能指标。

城市；污水源；热泵系统；节能；环保评价法

前言

对于污水源热泵技术而言，其是重要的能源技术类别，具有全新性，在整个能源领域，备受关注。在热泵的使用下，能够实现对城市污水中的热能进行合理、高效地回收，满足建筑物在供暖和制冷方面的需求，使得回收的作用更加突出，价值巨大。因此，要重视对污水源热泵工程相关数据和参数的分析，以期能够收获更加高效的节能目标，保证具有较强的经济性，发挥其对社会发展的推动作用。

1 对城市污水源热泵技术的阐述

1.1 系统介绍污水源热泵系统的工作原理

对于污水源热泵，其主要是将城市污水为热源的水源热泵，其机组原理图如图一所示。

图1 污水源热泵冷热水机组工作原理图

在夏季，系统处于制冷的状态，处于用户端的换热器在功能上体现的是蒸发器，同时，污水端换热器发挥冷冷凝器的功能。对于城市的污染，在抵达冷凝器之后，能够及时将所存储的冷凉进行排放，吸收制冷剂蒸汽中的热量，实现全面吸收。此时，冷凝现象发生。对于液体的制冷剂，如果抵达膨胀阀，达到绝缘的状态，此时，压力和温度都急速降低。但是，制冷剂的状态为低温低压。在抵达蒸发器之后，满足膨胀吸热的作用，制冷剂蒸汽温度更高，室内温度出现快速下降，制动目标实现。在压缩机的协助下，实现高温制冷剂争取的全面吸收，转化为高温高压的蒸汽，而后抵达冷凝器，吸收污水中冷量，能实现对其的循环往复应用的追求。在整个系统构成中，不断发生变化的是制冷剂，在满足冷却、膨胀、吸热和压缩的流程之后，城市污水的冷量被转移，抵达冷系统，制冷作用突出。对于冬季供热，污水侧换热器体现的是蒸发器的功能，满足制冷目标的追求，换热器应用为冷凝器，整个工作环节和流程恰好相反。通过吸热、压缩、冷却以及膨胀之后，城市热量发生转移，满足供热需求。污水源热泵系统依赖的是污染热源，降低对电能的消耗，实现冬季贮存污水热能的提取，满足建筑物供热需求。在夏季的时候，建筑物的热能被提取，将其进行释放，回归污水之中，满足屋内降温的需求，制冷目标实现。在污染源热泵空调系统中，主要是发挥了温度对口和梯级利用的原则，满足科学原则标准和要求，在应用低品位热源的同时，供热和制冷目的都能够顺利实现，满足建筑物的基本功能，能耗得以降低，供需温差处于最小状态，能源利用效率提升，同时废热得到降低，排污规模减小。

1.2 对污水源热泵系统特征和种类的划分

对于整个污水源热泵，其依靠的是水，将其作为冷热源，实现制冷或者供热的目的，发挥的是热泵空调装置的作用。为此，其融合了水和热泵系统的各自特征，极具综合性，热泵系统的特点主要体现在：首先，污水的温度变化不萌新，外界因素影响不大，尤其是不受自然因素的限制，气候影响不大，能够视为稳定的热源类型。污水的热能可以再低温区实现应用，其经济指标交互，如果在冬季，其经济性能较高，电转换率能够达到450%。在这一过程中，污染物较少，不需要进行特殊处理和堆放，能够实现供暖、供水等多功能。对于污水源热泵，其类型较多，结合城市污水热能和管道情况，可以将其分为泵吸式和热交换式。另外，如果依据热交换形式，可以分为直接和间接的形式。

1.3 对污水源热泵系统发展里程的介绍

1.3.1 系统介绍国外污染源热泵系统发展过程。针对污水源热泵的应用，起源于国外，在国外发展速度更快，历史更加悠久。上个世纪80年代，发挥热泵技术的特点，对污水中的能力进行有效回收，推广在供暖以及热水供应领域，在诸多发达国家兴起和发展，大批大型污水热泵系统得以建成，尤其是在瑞典，其拥有上百座热泵站，大量投入使用，供热能力十分强大。发展到2001年，日本建立了几十套热泵系统，运行良好，对污水和原废水具有更加强大的能力。结合实际和相关案例，对于处理完成之后的污水，将其视为热泵热源，并行优越于原生污染自身作为热源。热泵的制热和制冷性能十分突出，因此，可以适当进行污水进出温差的调整，切实提升供热和制冷的规模。同时，污染热能的直接处理方式明显优于间接方式。

1.3.2 全面介绍我国污水源热泵系统发展实际。污染源热泵技术在我国起步和发展都较晚，但是，速度迅速，尤其是在污水热能状态方面理论研究和分析得到发展。另外，对城市污水冷热源应用模式、设备装置等方面都进行了系统的阐述。在北京建立了污水处理机构，热能工程发展迅速。当前，我国建立了大批污水源热泵供热制冷系统，具有良好的运行状态。随着能源需求的提升以及能源问题的突出，环境污染及其突出，将废弃的污水进行合理的净化，实现对其回收价值的利用，提升运用的科学程度，同时，这种发展和需求彰显急迫性。基于此，国家和相关机构也出台了大量有关污水再生再利用的法律法规，以实现对污水再利用的积极引导。

2 借助污水的节能性能进行分析

基于城市污水热能的再利用，立足供热和制冷环节，探讨污水源热泵系统与空气源人泵系统的差异，尤其关注能量削减与节能率，为节能系统的科学选择奠定理论基础。

2.1 对投入能量削减量的计算

在制冷情况下，

在供热环境下，

在整个公式中，I为与空气源热泵洗相比较，污水源热泵系统制冷或者供热条件下投入能量削减量为kJ/d。其中，J代表了空气源热泵制冷的供热系数，结合相关数据，可以将J冷设置为4.0，J热设置为3.5。

2.2 对投入能量削减率的核算

投入能量削减率是投入能量削减量/可利用的热量x100%=I/DX100%

结合以上公式，可以得到结果如图2。

图2 与空气源热泵系统相比的节能效果

3 利用污水热能回收系统环保性能指标的计算与分析

对于城市污水热能回收系统环保性评价指标而言，其主要考虑的是污水中CO2、SOX、NOX以及粉尘等污染物的削减量，还包含CO2的消减密度。可以依据如下公式进行污染物削减量的计算。

3.1 对污染物削减量的计算

对于污染物削减量而言，其计算公式为Z=ab/[c-(I-d)]在整个公式中，Z代表与空气源热泵系统的比值，城市污水热能回收系统的污染物消减量，kg/d。其中，b代表了投入能力的消减量，与I值同，kj/d；c代表了电力输出端的效率，通常设置为28%；d代表了输电损失，设置为5%。由此，计算结果如图三。

图3 与空气源热泵系统相比，污染物的减排量

3.2 对CO2削减密度的计算X=Z’/m

在这一公式中，X代表了CO2的削减密度，kg/（d· km2）;Z代表的是CO2的削减量；m代表的是所在位置的面积。通过全面的计算和分析，在几种污染物中，削减量最大的是CO2，其对于大气污染作用明显，是具有代表性的污染物质，同时，CO2的削减量与其它几种物质呈现正相关系。与此同时，其它几种物质的削减密度也能够分析得出。通常情况下，CO2具有较高的削减密度，因此，利用其进行城市污水热能的可能性就越高，其中，将污水热能回收与空气源系统进行对比，以上几种物质和粉尘具有较为突出的削减量，对于大气污染现象的改善具有突出作用。为此，借助污水源热能回收系统，对于应对资源紧张问题意义重大，同时，有效抵制城市污染问题。