吳德珠,廖堅衛(wèi),賴文彬,孫德興,張承虎

(1.廣東省建筑設(shè)計研究院,廣州510010;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱150006)

1 引 言

近年來,隨著我國環(huán)保和節(jié)能政策的有力實施,污水源熱泵系統(tǒng)供熱空調(diào)技術(shù)得到了普遍的重視和迅速的發(fā)展[1]。由于污水流量及污水溫度是連續(xù)變化的,同時建筑負(fù)荷也是逐時變化的,而且往往兩者之間的變化趨勢是相反的,要擴大污水源熱泵系統(tǒng)供熱空調(diào)面積或?qū)崿F(xiàn)工程全面的污水源熱泵供熱空調(diào),需要設(shè)置污水調(diào)節(jié)池,對污水供應(yīng)量進行移峰填谷[2]。污水的順暢取得及排放是工程成功的第一步,因此污水取排及污水泵房的設(shè)計與施工就突現(xiàn)出相當(dāng)重要的作用,而系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容是污水取水口和排水口的布置以及系統(tǒng)取水方式的選擇。

2 污水調(diào)節(jié)池的設(shè)計

2.1 幾個概念

當(dāng)污水進口溫度確定時,忽略各項因素對機組COP的影響,把機組COP看作定值,污水的冷熱供應(yīng)能力由參與換熱的污水流量大小來決定[3]。

假設(shè)一個夏季工況的污水源熱泵系統(tǒng)中,存在一個體積為V*的污水調(diào)節(jié)池,且已經(jīng)蓄滿了污水,則應(yīng)該有如圖1所示的這樣一個關(guān)系。

圖中,V*是污水調(diào)節(jié)池的體積,Q*表示污水調(diào)節(jié)池在蓄滿污水的情況下能提供的最大冷量,Qi(τ)表示進入污水調(diào)節(jié)池的瞬時冷量,Qo(τ)表示從污水調(diào)節(jié)池瞬時取走的冷量,Q′(τ)表示污水調(diào)節(jié)池體積不夠大時,可能從污水調(diào)節(jié)池中瞬時溢出的冷量。

一天中 (一個周期T內(nèi)),污水溫度變化幅度不大,忽略污水進入污水調(diào)節(jié)池時溫度的變化,同時假設(shè)污水調(diào)節(jié)池沒有冷量損失,忽略污水由于不同溫度混合產(chǎn)生的熵產(chǎn),用Q*表示污水調(diào)節(jié)池在蓄滿污水的情況下能提供的最大冷量,它是一個定值。

式中:

△twm—污水平均可利用溫差,定義

—污水的體積流量,是時間τ的單值函數(shù),m3/s;

T—設(shè)計計算周期,一般為24h。

瞬時進入污水調(diào)節(jié)池的冷量和瞬時從污水調(diào)節(jié)池取走的冷量可分別表示為:

式中:

A—系統(tǒng)能供熱 (或供冷)的建筑面積,通常是未知量,m3;

(τ)—單位建筑面積瞬時冷負(fù)荷,W/m2。

假設(shè)在一個變化周期內(nèi) (一般為1天),時刻序列[τj]是Qi=Qo的時刻,[τ2n-1,τ2n](n=1、2…)時段Qi＞Qo(流量富余時段),[τ2n,τ2n-1]時段Qi＜Qo(流量不足時段),那么流量富余時段富余的污水冷量 △Q1可表示為:

圖2 進入和流出污水調(diào)節(jié)池冷量關(guān)系圖

流量不足時段需從調(diào)節(jié)池補充的冷量為:

富余的冷量將儲存于污水調(diào)節(jié)池中,進入污水調(diào)節(jié)池的瞬時冷量不足于提供從污水調(diào)節(jié)池取走的冷量時,將通過儲存于污水調(diào)節(jié)池里的冷量補充。

2.2 污水調(diào)節(jié)池的臨界體積

當(dāng)污水廠出水逐時流量不能實現(xiàn)工程全面積污水源熱泵供熱空調(diào),而污水日總流量可供面積大于實際需要的供熱空調(diào)面積時,可以設(shè)污水調(diào)節(jié)池蓄水以滿足系統(tǒng)需水要求;由于污水流量及污水溫度是連續(xù)變化的,同時建筑負(fù)荷也是逐時變化的,對于給定的污水源,合理地設(shè)置污水調(diào)節(jié)池可以實現(xiàn)更大建筑面積的污水源熱泵供熱空調(diào)。

污水調(diào)節(jié)池用來存儲[τ2n-1,τ2n]時間段內(nèi)富余的污水冷量,在實際工程中,如果污水調(diào)節(jié)池的大小不合適,可能會出現(xiàn)污水調(diào)節(jié)池能存儲的最大冷量Q*與富余的污水量的冷量 △Q1不相等的情況,這也就直接影響著熱泵系統(tǒng)的供冷能力。污水調(diào)節(jié)池蓄冷量恰好等于富余冷量,也恰好等于欠缺冷量時調(diào)節(jié)池具有的體積叫做污水調(diào)節(jié)池臨界體積。

若污水調(diào)節(jié)池體積足夠大,這意味著,系統(tǒng)設(shè)計所需的供冷量的不足部分可以全部由污水調(diào)節(jié)池里存有的冷量來補充。

在已知污水流量和溫度的變化曲線,以及當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)的氣象參數(shù)等條件下,通過試算或者數(shù)值方法,根據(jù)平均流量V·m和污水平均利用溫差 △twm、平均冷負(fù)荷指標(biāo)qm的意義,解方程 (6)得出該污水源在調(diào)節(jié)池足夠大時能供冷的建筑面積Amax。

對于給定的污水源,對應(yīng)Amax的污水調(diào)節(jié)池體積就是調(diào)節(jié)池臨界體積,因為污水調(diào)節(jié)池體積再增大,已經(jīng)沒有多余的污水來充滿調(diào)節(jié)池。根據(jù)下式可以計算調(diào)節(jié)池臨界體積:

在實際工程中,污水調(diào)節(jié)池的體積可以在計算理論最優(yōu)體積基礎(chǔ)上考慮1.1～1.2倍的安全系數(shù)。設(shè)置污水調(diào)節(jié)池時,需要考慮有足夠的空間以滿足修建調(diào)節(jié)池所需的建筑面積,同時還應(yīng)考慮污水池對周圍環(huán)境的影響及安全控制等實際問題。

3 污水取排系統(tǒng)設(shè)計要點

污水熱能利用中,污水取排系統(tǒng)是指污水從取水口,通過輸送管道、過濾設(shè)備送至機房,換熱利用后再通過排放的管道輸送回水體的一個完整系統(tǒng)。污水取排系統(tǒng)的設(shè)計,不僅關(guān)系到系統(tǒng)水量的供應(yīng)與系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時涉及到工程投資費用,控制管理與維護,以及市政、交通等方面一系列的規(guī)章制度,必須重視。

3.1 取、排水口布置方式

系統(tǒng)取水口和排水口布置的總思路是盡量避免排水口出水直接進入取水口,利用取排水口的空間距離、水域的自然功能和水流動能特性帶走使用過的系統(tǒng)排水,盡量減少冷熱流道的摻混干擾,達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定安全取水的目的,同時減少取水利用對周圍環(huán)境的負(fù)面影響。取排水口的布置方式主要分為分列式、差位式和重疊式三種。

3.1.1 分列式

如圖3所示,系統(tǒng)取水口和排水口在同一水平面上要保持一個相當(dāng)大的距離,目的是避免用過的系統(tǒng)排水進入取水水域影響水的換熱利用。在我國及世界各國,絕大部分電廠的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)都采用這種布局[4]。其特點是設(shè)計施工簡便,適用范圍廣,可靠性高。

圖3 分列式取排水口布置圖

3.1.2 重疊式

如圖4所示,在排水口下面一定深度處布置取水口,取排水口的平面距離為零,它利用不同溫度水體分層的現(xiàn)象對水體實行換熱利用。重疊式取排水方式的特點是:打破了排、取水口一定要有較大水平間距的傳統(tǒng)觀點,節(jié)省管道及渠道建設(shè)投資,管理方便,它的水力熱力特性優(yōu)于分列式。采用重疊式取排水方式的前提條件是水域必須具備有一定的水深和一定的容積。

圖4 重疊式取排水口布置剖面圖

3.1.3 差位式

如圖5所示,取水口在河道中間,排水口在岸邊或排水口在河道中間,取水口在岸邊。取排水口的距離是同一河道斷面垂直水流方向的橫間距,這種方式把取排水口間距從水流方向的縱向間距,轉(zhuǎn)移到垂直水流方向的橫向間距上來[5],其特點是:排水有去路,取水有來源;同時取排水管線可采用同一渠道,節(jié)省投資、管理方便;水力熱力特性優(yōu)于分列式及重疊式。應(yīng)用差位式取排水方式的前提條件是,水域有較大的橫向縱向空間[6]。廣東省沙角發(fā)電基地二期B、C廠的取排水口的布置[7]是國內(nèi)使用差位式取排水方式比較成功的工程之一。

圖5 差位式取排水口布置平面圖

污水源熱泵系統(tǒng)的水源可分為城市污水、江水、河水、湖水和海水。當(dāng)采用城市污水時,由于污水干渠寬度一般在10m以內(nèi),且水深不超過1m,其橫向空間、縱向空間都相對較小,因此在污水干渠中設(shè)置同垂直面的取排水口,必然會造成排水與取水的摻混,降低取水冷熱量。因此建議采用分列式的取排水口方式,選擇合理的間距將取排水口設(shè)置在污干渠同一連通水域的不同區(qū)域,充分考慮取水口與排水口之間的相互影響,以保證取排水水域互不摻混。

采用江河湖海水作為污水源熱泵系統(tǒng)的水源時,取排水水域在縱向空間和橫向空間都有較大的可利用范圍,可以根據(jù)工程實際情況選擇三種方式中最為合理的取排水口設(shè)置。當(dāng)取排水水域有較大的縱向可利用空間時,建議采用重疊式取排水方式以減少工程管道渠道投資費用;當(dāng)取排水水域有較大的橫向可利用空間時,建議采用差位式取排水方式以保證系統(tǒng)取排水的安全可靠性。

在工程實際中,應(yīng)根據(jù)實際水文地形條件,充分利用水域的自然功能和水流動能特性,利用平面和立面差位,合理選擇取排水口設(shè)置方式,達(dá)到系統(tǒng)經(jīng)濟、高效、節(jié)能、安全等綜合目的。

3.2 污水取水方式

污水源熱泵系統(tǒng)的主要取水方式可以分為:全淹沒濕式取水,干式水泵取水,自吸水泵取水[8]。

3.2.1 全淹沒濕式取水—潛水泵取水方式

利用污水潛水泵安放于污水調(diào)節(jié)池中或者污水干渠中直接取水,或在污水調(diào)節(jié)池附近設(shè)置取水井,引水入井再用污水潛水泵取水,如圖6所示。

圖6 潛水泵取水方式示意圖

優(yōu)點:a.全淹沒濕式取水安裝布置簡便,工程造價低,節(jié)省泵房空間,適用于機房空間較小的情況;b.污水潛水泵能適應(yīng)各種污水水質(zhì),系統(tǒng)相對安全可靠;c.取水口的設(shè)置靈活,可高可低,根據(jù)系統(tǒng)需水量和污水干渠排水量設(shè)置,取水井還可兼顧蓄水的功能,實用范圍較廣。

缺點:a.在系統(tǒng)沒有污水調(diào)節(jié)池時,污水干渠中設(shè)置污水潛水泵,在一定程度上會影響污水干渠的正常排水,必須得到市政單位的同意;b.污水潛水泵必須全部淹沒于污水中,只能用于污水排量較大的污水干渠中;c.將污水潛水泵置于污水干渠中或者污水調(diào)節(jié)池中,必然會大量將沉積于底部的淤泥雜質(zhì)一并帶入系統(tǒng),加大系統(tǒng)除污過濾的負(fù)擔(dān);d.污水泵的清理維護不便。

3.2.2 干式水泵取水

用干式水泵從污水調(diào)節(jié)池取水,或者開鑿引水渠污水干渠引水,再用干式水泵取水。方式需設(shè)置水泵房(一般可設(shè)置于主機房內(nèi)),且泵房底面高度或水泵吸入口要低于水源最低液面0.7m左右,污水經(jīng)短距離自流管線進入污水泵吸入口,如圖7所示。

這種方式優(yōu)勢在于:設(shè)計施工簡便,設(shè)立單獨的水泵房或?qū)⑺弥糜谥鳈C房內(nèi),便于水泵的統(tǒng)一管理與維護;密閉性好,對周圍環(huán)境影響較小。

圖7 干式水泵取水方式示意圖

不足之處在于對取水口的設(shè)計要求較高,取水口必須設(shè)置在水源較低水位,對于沒有設(shè)置污水調(diào)節(jié)池的系統(tǒng),在高峰取水或污水干渠低峰排水時容易出現(xiàn)取水口露出水面吸空的情況;一般運用于污水源熱泵機房設(shè)置于地下,污水干渠流量較穩(wěn)定或者設(shè)置污水調(diào)節(jié)池的系統(tǒng)。

3.2.3 自吸水泵取水

將取水管道直接插入污水干渠中,并保證吸水口不吸空,再利用自吸水泵抽水,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示:

圖8 自吸水泵取水方式示意圖

采用自吸水泵取水,水泵吸入口可高出水源液面2m左右,也就是說取水泵房可設(shè)置在地面或淺層地下,因而泵房的設(shè)置就具有較大的靈活性;并且設(shè)置安裝簡便,工程造價低。

這種方式的不足之處在于:必須采用自吸水泵,并應(yīng)有相應(yīng)措施保證自吸水泵的正常開啟、吸水、運行;相對而言系統(tǒng)不穩(wěn)定系數(shù)增加。

根據(jù)工程情況和實際要求,可以采用一些比較特殊的取水方式或者是結(jié)合幾種取水方式的綜合運用,以保證工程需要與系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

4 結(jié)論

(1)污水調(diào)節(jié)池的最優(yōu)體積是滿足關(guān)系Q*=△Q1=△Q2時對應(yīng)的污水調(diào)節(jié)池的臨界體積,

此時系統(tǒng)可以提供最大的供熱空調(diào)建筑面積。

(2)如果因為空間和其它原因的限制,污水調(diào)節(jié)池體積V*′小于最優(yōu)體積V*,則污水將損失熱量熱量損失率為

(3)取排水口設(shè)置方式有分列式、差位式和重疊式三種。分列式建議用于空間范圍較為狹窄的城市污水水源;重疊式建議用于具有較大縱向空間的江河湖海等地表水源;差位式建議用于水域有較大橫向、縱向空間的江河湖海等地表水源。

(4)污水源熱泵系統(tǒng)的主要取水方式有潛水泵取水、干式水泵取水和自吸水泵取水三種。潛水泵取水應(yīng)用比較廣泛;干式水泵取水方式主要應(yīng)用于機房位置較低,污水干渠流量較穩(wěn)定或者設(shè)置污水調(diào)節(jié)池的系統(tǒng);自吸水泵取水方式需要有具體措施保證自吸水泵的正常開啟、吸水、運行才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

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