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        上海地區污水源熱泵應用潛力分析

        時間:2020-07-12

        隨著我國經濟的快速發展,城市化進程加快,對能源的需求不斷增加。城市污水中含有大量熱能,在尚未有效利用的低品位能源中,它作為一種城市余熱清潔能源,數量巨大,作為熱泵冷熱源為建筑物供暖、制冷具有重要意義,利用熱泵回收污水中的熱能是現在研究的熱點之一。上海市污水源熱泵應用研究較少,我們通過調研分析了上海市污水處理現狀、污水特征,計算采用污水源熱泵的可供熱、供冷面積及節能環保效益,對污水源熱泵在上海地區的應用潛力進行研究。


        1、上海市污水處理現狀及污水特征


        目前上海污水處理廠有50余座,主要分為6大污水處理系統,在運行的有47座,通過現場調研和資料收集可知,全市在運行的污水廠2016年污水日均處理量為703.66萬m3,2017年污水日均處理量為709.37萬m3,2018年污水日均處理量為713.6萬m3,本市污水日均處理量大,污水資源量豐富。


        本市的城市污水水溫全年變化幅度不大,常年保持在一定范圍內,圖1為上海2座污水廠出水溫度與環境溫度對比圖,從圖中可知,上海的污水溫度冬季一般在11~15℃,夏季一般在20~24℃,本市的污水溫度冬季比環境溫度約高10℃左右,夏季比環境溫度約低12℃左右,具有明顯的冬暖夏涼特點。根據規定地表水式(含污水)機組正常工作的冷熱源溫度范圍:制冷15~35℃,制熱10~30℃(離心式壓縮機),可知本市污水冬夏季水溫均滿足熱泵制冷和制熱工況的要求。

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        2、可供冷熱面積計算


        以2018年全市日平均污水處理量為基礎,冬夏季均提取5℃溫差計算,可計算出從污水中每天可獲得的熱量Q0。根據文獻取熱泵機組冬季制熱工況下平均制熱性能系數為3.71,根據文獻取熱泵機組夏季制冷工況下平均制冷性能系數為4.67,可求得污水源熱泵系統每天最終可提供的制熱量Qr和制冷量Ql。計算公式為:


        Q0=CM△t


        其中:Q0為污水所含熱量,KW;C=4180J/(kg.℃);M為污水質量,kg;△t為溫差,℃

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        其中:Qr為污水源熱泵制熱量,KW;COPr為冬季污水源熱泵平均制熱性能系數。

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        其中:Ql為污水源熱泵制冷量,KW;COPl為夏季污水源熱泵平均制冷性能系數。


        污水熱能按50%的利用率,每天可提供高達863.1MW的熱量,若用熱泵機組回收污水中的熱量,冬季每天可提供1181.6MW的供熱量,夏季每天可提供710.9MW的供冷量。以上海的辦公建筑為例取冷負荷指標為120W/m2,熱負荷指標為80W/m2,經計算,上海市污水可利用的熱量可以實現為984.65萬m2建筑供暖,可利用的冷量可以實現為888.6萬m2建筑供冷。


        3、節能效益分析


        3.1系統一次能源利用率分析


        我們利用一次能源利用率(PrimaryEnergyRatio,簡稱PER)來對比分析污水源熱泵機組和本市使用廣泛且技術成熟的2種空調機組形式的PER,分別是風冷熱泵、燃氣鍋爐+水冷機組。


        制熱工況下,風冷熱泵一次能源利用率計算公式為:

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        式中COP為風冷熱泵的供熱性能系數;η為發電機的輸配電效率;ηf一次能源發電效率;ηs電力輸送損耗率。


        制冷工況下,通常電制冷工況下的一次能源利用率的計算公式為:

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        式中COPl為制冷性能系數。


        全年工況下的一次能源利用率計算公式為:

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        以上海某辦公建筑為例進行計算分析,空調面積設定為10000m2,根據相關規范冬季空調供暖熱指標取80W/m2,夏季空調制冷冷指標取120W/m2,供暖取90d,供冷取120d,污水源熱泵系統與其他系統的一次能源利用率比較如表1所示。

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        從計算結果可以看出,夏季制冷工況下,污水源熱泵與水冷機組的一次能源利用率相當,污水源熱泵全年工況下的一次能源利用率為1.22,表明相同條件下,污水源熱泵系統一次能源的節能效果最好。


        3.2系統單位污水量節能分析


        設單位污水量可用冷熱量為QW,則供暖時可提供的供暖量Qr為:

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        根據公式(4)和(1)可得污水源熱泵系統供暖工況下的一次能耗量Qp為:

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        則供暖一次能耗用能系數NR為:

        10.png

        其他空調系統供暖一次能源消耗量為:

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        則污水熱泵系統單位污水供暖一次能耗節能量△Qr為:

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        則定義WR為污水熱泵系統供暖節能系數,其計算公式為:

        13.png

        在制冷時可供冷量Ql為:

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        根據式(6)和(7)可得污水源熱泵系統制冷工況下的一次能耗量:

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        則制冷一次能耗用能系數NL為:

        16.png

        其他空調系統制冷一次能源消耗量

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        則污水源熱泵系統單位污水制冷一次能耗節能量Ql為:

        18.png

        定義WL為污水源熱泵系統制冷節能系數,其計算公式為:

        19.png

        可根據上面公式(7)~(18)計算出污水源熱泵系統污水源熱泵系統單位污水量的供暖、制冷節能系數,如表2所示。

        20.png

        由計算結果可知,當單位污水量可用冷熱量為Qw時,供暖制冷時與風冷熱泵相比節能率約為37%,與燃氣鍋爐相比節能率約為18%;污水源熱泵機組在冬季供暖工況節能系數約是夏季制冷工況節能系數的2.2倍,表明污水源熱泵更適合于冬季供暖工況。


        4、環保效益分析


        大氣中的主要有害物質包括二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOX)和粉塵等,各種污染物的排放定額參照文獻中的值,如表3所示。

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        上海市每天污水排放量以713.6萬m3計,若污水中的熱量50%被用來為建筑供熱、制冷,則每天可減少二氧化碳排放量為8.6萬噸,二氧化硫605.52噸,氮氧化物32.07噸,粉塵39.52噸。由此可見,本市利用污水源熱泵空調系統對環境保護和可持續發展具有非常重要意義。


        利用污水源熱泵系統為建筑物供暖制冷時,與另外2種空調系統相比,污水源熱泵系統的環保性評價指標計算公式如下:


        (1)與風冷熱泵、水冷機組相比,污水源熱泵系統的污染物的減少量Z計算公式為:

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        式中Z為污水源熱泵系統的污染物排放消耗量,g;a為污染物排放定額,g/MJ,b投入能源減少量,MJ。


        (2)與燃氣鍋爐系統比較,污水源熱泵系統的污染物消減量Z的計算公式為:

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        式中e為投入能源減少量,MJ;η為燃氣鍋爐或直燃溴化鋰機組效率。


        以單位污水量為10000m3來計算污水源熱泵相對于其他空調系統形式的污染物減少量,計算結果如表4所示。

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        由計算結果可知,污水源熱泵系統與常用的2種空調系統相比,污染物排放量明顯減少,尤其在冬季供暖環保效益更加顯著。


        5、結論


        (1)污水熱能按50%的利用率,全市每天可提供高達863.1MW的熱量,若用熱泵機組回收污水中的熱量,冬季每天可提供1181.6MW的供熱量,可以實現為984.65萬m2建筑供暖,夏季每天可提供710.9MW的供冷量,可以實現為888.6萬m2建筑供冷;

        (2)污水源熱泵供暖工況一次利用率為1.05,制冷工況為1.32,與水冷機組相當,全年工況為1.22;

        (3)單位污水量供暖制冷時與風冷熱泵相比節能率約為37%,與燃氣鍋爐相比節能率約為18%;污水源熱泵機組在冬季供暖工況節能系數約是夏季制冷工況節能系數的2.2倍,表明污水源熱泵更適合于冬季供暖工況;

        (4)本市污水中的熱量50%被用來為建筑供熱、制冷,則每天可減少二氧化碳排放量為8.6萬噸,二氧化硫605.52噸,氮氧化物32.07噸,粉塵39.52噸。

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