高靜軒

（山西大學(xué)動(dòng)力工程系山西太原030000）

城市污水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能與環(huán)保評(píng)價(jià)法

高靜軒

（山西大學(xué)動(dòng)力工程系山西太原030000）

對(duì)于城市污水而言，是城市余熱型的清潔能源，作為熱泵冷熱源，滿足建筑物供暖和制冷的需求。因此，需要重視對(duì)其進(jìn)行客觀分析，有效評(píng)論其在節(jié)能和環(huán)保方面的價(jià)值，明確起發(fā)展的潛力和方向。對(duì)于能源的發(fā)展，其發(fā)展方向主要是對(duì)新能源的開發(fā)以及對(duì)現(xiàn)有能源的節(jié)約，本文通過對(duì)城市污水源熱泵系統(tǒng)工作原理的介紹，對(duì)其性能進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和計(jì)算，明確了相關(guān)的性能指標(biāo)。

城市；污水源；熱泵系統(tǒng)；節(jié)能；環(huán)保評(píng)價(jià)法

前言

對(duì)于污水源熱泵技術(shù)而言，其是重要的能源技術(shù)類別，具有全新性，在整個(gè)能源領(lǐng)域，備受關(guān)注。在熱泵的使用下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)城市污水中的熱能進(jìn)行合理、高效地回收，滿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，價(jià)值巨大。因此，要重視對(duì)污水源熱泵工程相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)的分析，以期能夠收獲更加高效的節(jié)能目標(biāo)，保證具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，發(fā)揮其對(duì)社會(huì)發(fā)展的推動(dòng)作用。

1 對(duì)城市污水源熱泵技術(shù)的闡述

1.1 系統(tǒng)介紹污水源熱泵系統(tǒng)的工作原理

對(duì)于污水源熱泵，其主要是將城市污水為熱源的水源熱泵，其機(jī)組原理圖如圖一所示。

圖1 污水源熱泵冷熱水機(jī)組工作原理圖

在夏季，系統(tǒng)處于制冷的狀態(tài)，處于用戶端的換熱器在功能上體現(xiàn)的是蒸發(fā)器，同時(shí)，污水端換熱器發(fā)揮冷冷凝器的功能。對(duì)于城市的污染，在抵達(dá)冷凝器之后，能夠及時(shí)將所存儲(chǔ)的冷涼進(jìn)行排放，吸收制冷劑蒸汽中的熱量，實(shí)現(xiàn)全面吸收。此時(shí)，冷凝現(xiàn)象發(fā)生。對(duì)于液體的制冷劑，如果抵達(dá)膨脹閥，達(dá)到絕緣的狀態(tài)，此時(shí)，壓力和溫度都急速降低。但是，制冷劑的狀態(tài)為低溫低壓。在抵達(dá)蒸發(fā)器之后，滿足膨脹吸熱的作用，制冷劑蒸汽溫度更高，室內(nèi)溫度出現(xiàn)快速下降，制動(dòng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。在壓縮機(jī)的協(xié)助下，實(shí)現(xiàn)高溫制冷劑爭取的全面吸收，轉(zhuǎn)化為高溫高壓的蒸汽，而后抵達(dá)冷凝器，吸收污水中冷量，能實(shí)現(xiàn)對(duì)其的循環(huán)往復(fù)應(yīng)用的追求。在整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成中，不斷發(fā)生變化的是制冷劑，在滿足冷卻、膨脹、吸熱和壓縮的流程之后，城市污水的冷量被轉(zhuǎn)移，抵達(dá)冷系統(tǒng)，制冷作用突出。對(duì)于冬季供熱，污水側(cè)換熱器體現(xiàn)的是蒸發(fā)器的功能，滿足制冷目標(biāo)的追求，換熱器應(yīng)用為冷凝器，整個(gè)工作環(huán)節(jié)和流程恰好相反。通過吸熱、壓縮、冷卻以及膨脹之后，城市熱量發(fā)生轉(zhuǎn)移，滿足供熱需求。污水源熱泵系統(tǒng)依賴的是污染熱源，降低對(duì)電能的消耗，實(shí)現(xiàn)冬季貯存污水熱能的提取，滿足建筑物供熱需求。在夏季的時(shí)候，建筑物的熱能被提取，將其進(jìn)行釋放，回歸污水之中，滿足屋內(nèi)降溫的需求，制冷目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。在污染源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，主要是發(fā)揮了溫度對(duì)口和梯級(jí)利用的原則，滿足科學(xué)原則標(biāo)準(zhǔn)和要求，在應(yīng)用低品位熱源的同時(shí)，供熱和制冷目的都能夠順利實(shí)現(xiàn)，滿足建筑物的基本功能，能耗得以降低，供需溫差處于最小狀態(tài)，能源利用效率提升，同時(shí)廢熱得到降低，排污規(guī)模減小。

1.2 對(duì)污水源熱泵系統(tǒng)特征和種類的劃分

對(duì)于整個(gè)污水源熱泵，其依靠的是水，將其作為冷熱源，實(shí)現(xiàn)制冷或者供熱的目的，發(fā)揮的是熱泵空調(diào)裝置的作用。為此，其融合了水和熱泵系統(tǒng)的各自特征，極具綜合性，熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：首先，污水的溫度變化不萌新，外界因素影響不大，尤其是不受自然因素的限制，氣候影響不大，能夠視為穩(wěn)定的熱源類型。污水的熱能可以再低溫區(qū)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)交互，如果在冬季，其經(jīng)濟(jì)性能較高，電轉(zhuǎn)換率能夠達(dá)到450%。在這一過程中，污染物較少，不需要進(jìn)行特殊處理和堆放，能夠?qū)崿F(xiàn)供暖、供水等多功能。對(duì)于污水源熱泵，其類型較多，結(jié)合城市污水熱能和管道情況，可以將其分為泵吸式和熱交換式。另外，如果依據(jù)熱交換形式，可以分為直接和間接的形式。

1.3 對(duì)污水源熱泵系統(tǒng)發(fā)展里程的介紹

1.3.1 系統(tǒng)介紹國外污染源熱泵系統(tǒng)發(fā)展過程。針對(duì)污水源熱泵的應(yīng)用，起源于國外，在國外發(fā)展速度更快，歷史更加悠久。上個(gè)世紀(jì)80年代，發(fā)揮熱泵技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)污水中的能力進(jìn)行有效回收，推廣在供暖以及熱水供應(yīng)領(lǐng)域，在諸多發(fā)達(dá)國家興起和發(fā)展，大批大型污水熱泵系統(tǒng)得以建成，尤其是在瑞典，其擁有上百座熱泵站，大量投入使用，供熱能力十分強(qiáng)大。發(fā)展到2001年，日本建立了幾十套熱泵系統(tǒng)，運(yùn)行良好，對(duì)污水和原廢水具有更加強(qiáng)大的能力。結(jié)合實(shí)際和相關(guān)案例，對(duì)于處理完成之后的污水，將其視為熱泵熱源，并行優(yōu)越于原生污染自身作為熱源。熱泵的制熱和制冷性能十分突出，因此，可以適當(dāng)進(jìn)行污水進(jìn)出溫差的調(diào)整，切實(shí)提升供熱和制冷的規(guī)模。同時(shí)，污染熱能的直接處理方式明顯優(yōu)于間接方式。

1.3.2 全面介紹我國污水源熱泵系統(tǒng)發(fā)展實(shí)際。污染源熱泵技術(shù)在我國起步和發(fā)展都較晚，但是，速度迅速，尤其是在污水熱能狀態(tài)方面理論研究和分析得到發(fā)展。另外，對(duì)城市污水冷熱源應(yīng)用模式、設(shè)備裝置等方面都進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。在北京建立了污水處理機(jī)構(gòu)，熱能工程發(fā)展迅速。當(dāng)前，我國建立了大批污水源熱泵供熱制冷系統(tǒng)，具有良好的運(yùn)行狀態(tài)。隨著能源需求的提升以及能源問題的突出，環(huán)境污染及其突出，將廢棄的污水進(jìn)行合理的凈化，實(shí)現(xiàn)對(duì)其回收價(jià)值的利用，提升運(yùn)用的科學(xué)程度，同時(shí)，這種發(fā)展和需求彰顯急迫性。基于此，國家和相關(guān)機(jī)構(gòu)也出臺(tái)了大量有關(guān)污水再生再利用的法律法規(guī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)污水再利用的積極引導(dǎo)。

2 借助污水的節(jié)能性能進(jìn)行分析

基于城市污水熱能的再利用，立足供熱和制冷環(huán)節(jié)，探討污水源熱泵系統(tǒng)與空氣源人泵系統(tǒng)的差異，尤其關(guān)注能量削減與節(jié)能率，為節(jié)能系統(tǒng)的科學(xué)選擇奠定理論基礎(chǔ)。

2.1 對(duì)投入能量削減量的計(jì)算

在制冷情況下，

在供熱環(huán)境下，

在整個(gè)公式中，I為與空氣源熱泵洗相比較，污水源熱泵系統(tǒng)制冷或者供熱條件下投入能量削減量為kJ/d。其中，J代表了空氣源熱泵制冷的供熱系數(shù)，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，可以將J冷設(shè)置為4.0，J熱設(shè)置為3.5。

2.2 對(duì)投入能量削減率的核算

投入能量削減率是投入能量削減量/可利用的熱量x100%=I/DX100%

結(jié)合以上公式，可以得到結(jié)果如圖2。

圖2 與空氣源熱泵系統(tǒng)相比的節(jié)能效果

3 利用污水熱能回收系統(tǒng)環(huán)保性能指標(biāo)的計(jì)算與分析

對(duì)于城市污水熱能回收系統(tǒng)環(huán)保性評(píng)價(jià)指標(biāo)而言，其主要考慮的是污水中CO2、SOX、NOX以及粉塵等污染物的削減量，還包含CO2的消減密度?？梢砸罁?jù)如下公式進(jìn)行污染物削減量的計(jì)算。

3.1 對(duì)污染物削減量的計(jì)算

對(duì)于污染物削減量而言，其計(jì)算公式為Z=ab/[c-(I-d)]在整個(gè)公式中，Z代表與空氣源熱泵系統(tǒng)的比值，城市污水熱能回收系統(tǒng)的污染物消減量，kg/d。其中，b代表了投入能力的消減量，與I值同，kj/d；c代表了電力輸出端的效率，通常設(shè)置為28%；d代表了輸電損失，設(shè)置為5%。由此，計(jì)算結(jié)果如圖三。

圖3 與空氣源熱泵系統(tǒng)相比，污染物的減排量

3.2 對(duì)CO2削減密度的計(jì)算X=Z’/m

在這一公式中，X代表了CO2的削減密度，kg/（d· km2）;Z代表的是CO2的削減量；m代表的是所在位置的面積。通過全面的計(jì)算和分析，在幾種污染物中，削減量最大的是CO2，其對(duì)于大氣污染作用明顯，是具有代表性的污染物質(zhì)，同時(shí)，CO2的削減量與其它幾種物質(zhì)呈現(xiàn)正相關(guān)系。與此同時(shí)，其它幾種物質(zhì)的削減密度也能夠分析得出。通常情況下，CO2具有較高的削減密度，因此，利用其進(jìn)行城市污水熱能的可能性就越高，其中，將污水熱能回收與空氣源系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，以上幾種物質(zhì)和粉塵具有較為突出的削減量，對(duì)于大氣污染現(xiàn)象的改善具有突出作用。為此，借助污水源熱能回收系統(tǒng)，對(duì)于應(yīng)對(duì)資源緊張問題意義重大，同時(shí)，有效抵制城市污染問題。

結(jié)語

綜上，要全面進(jìn)行城市污水可利用能力的核算與分析，對(duì)污染源熱泵系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性進(jìn)行相近對(duì)比。經(jīng)過理論和實(shí)踐證明，在制冷和供熱統(tǒng)一的環(huán)境下，污染源熱泵系統(tǒng)比空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果更加顯著，同時(shí)，對(duì)于減輕大氣污染作用顯著，借助這種方式，能夠獲取較好的節(jié)能減排的效果。城市污

水源熱泵系統(tǒng)在一次能源利用率方面比較突出，立足武商量的實(shí)際情況，設(shè)置合理的用能和節(jié)能系數(shù)，強(qiáng)化對(duì)環(huán)保的評(píng)估，切實(shí)提升實(shí)用價(jià)值。為此，在科學(xué)核算的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)這一技術(shù)體系的更加合理的應(yīng)用。

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