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1、城市污水源热泵系统运行特性研究 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命。有生命必有希望必有希望当前，随着我国城市化进程加快，城市污水总量快速增长，城市建筑面积快速增加，同时水资源日益短缺、建筑能源需求不断增长，这四个方面的现实需求，使得污水源热泵技术越来越受到社会各方面的关注，如何研究开发利用好污水源热泵技术、总结先期实施的相关工程经验，为污水源热泵技术的推广应用提供基础性数据，更好地从规划前期、工程设计、施工组织、运行管理等多方面有步骤、有计划地推进污水源热泵这一绿色节能环保低
2、碳技术的应用就显得十分迫切。项目背景及课题提出天津市城市污水源热泵系统运行特性研究天津市城市污水源热泵系统运行特性研究第一部分 污水源热泵研究背景及关键问题第二部分 污水源热泵传热优化及工质选择第三部分 污水源热泵系统工程应用的研究第四部分 污水源热泵的工程设计及应用前景（1）总结换热器常见污垢类型成因及危害，介绍污垢形成过程及各种影响因素，分析并建立污垢积聚基本预测模型；（2）针对不同换热器，包括套管式换热器，管壳式换热器，板式换热器等，分析并比较结垢对其换热性能的影响，并提出强化传热的办法；（3）采集天津市污水温度变化特性，并通过对污水源热泵机组的各参数测量得到热泵机组的运行特性以及各换热
3、器的换热特性；本项目主要研究工作（4）建立中高温热泵实验台，对实际的污水源热泵运行工况进行模拟，或者热泵运行的变工况特性；（5）以提高水源热泵机组本身效率为目的，对制冷剂的选择和换热器的优化匹配等方面进行研究；（6）总结在设计污水源热泵机组的过程中应该考虑的问题及其解决办法，以指导工程设计。（7）分析污水源热泵系统的经济性及环境效益，并对污水源热泵的规模化利用提出合理预测。本项目主要研究工作第一部分 污水源热泵研究背景及关键问题第二部分 污水源热泵传热优化及工质选择第三部分 污水源热泵系统工程应用的研究第四部分 污水源热泵的工程设计及应用前景天津市城市污水源热泵系统运行特性研究天津市城市污水源
4、热泵系统运行特性研究2022/11/217污垢形成机理及分类结晶垢颗粒垢化学垢腐蚀垢污垢生长监测方法热阻法压降法温差法污垢成分及分类水垢污泥腐蚀产物生物沉积污垢生长过程表征起始阶段输运阶段附着阶段剥蚀阶段污污垢垢生生长长及及热热能能表表征征2022/11/218污污垢垢生生长长影影响响因因素素流动介质的影响环境因素的影响换热材料的影响污垢热阻预测模型污垢热阻预测模型1924年 McCabe和Robinson1959年 Kern和Seaton线性增长型降率型幂率型渐进型2022/11/219对污水换热而言，污垢的生成将直接导致两方面的后果，一是传热效率的下降，二是流动阻力的增加。基于动量传递、热
5、量传递及边界层相似理论分析，可以将建立在污垢生长预测模型基础上的污垢热阻预测模型，转化为污垢压降预测模型。根据热流体学理论，对应流动边界层和流动阻力，传热过程中存在热边界层相似和热阻力的概念。同样的，基于边界层理论和传热流动的相似理论，可以推导得出污垢热阻模型与污垢压降模型的关联关系，进而为解决工程实际问题提供了可行的途径。压降模型的建立及意义2022/11/2110对于实际工程而言，根据压降与热阻的关联相似方法，可以通过测量污水换热器进出口压差，间接获得污水换热的变化情况，进而比直接测量污垢热阻更为简便可行，从而为工程运行阶段制定合理的清洗周期提供重要参考。同样地，考虑污垢热阻影响后，对换热
6、器选型结果进行了二次修正，传热系数由1200W/m修正为800W/m，选型面积由75m增加到120m。在运行期间，当换热器压差增加25%时启动清洗程序。科研指导下的设计工作2022/11/2111城城镇镇污污水水热热泵泵热热能能利利用用水水质质科研指导下的设计工作2022/11/2112制冷工质的组分分类纯工质共沸工质近共沸工质非共沸混合工质对臭氧层破坏影响CFCsHCFCsHFCsHC按毒性安全性分类有毒无毒易燃不易燃工质选择原则冷凝压力蒸发压力容积制热量循环性能系数污污水水源源热热泵泵工工质质选选择择2022/11/2113非共沸混合工质的相变过程和纯工质有明显的区别，它在相变时存在明显的
7、温度滑移。正是根据非共沸混合制冷剂的这一特点，许多学者希望利用它来逼近Lorenz循环，提高热泵系统的运行效率。对于污水源热泵来说，换热流体为城市污水，由于温度变化有限，可以认为比热是常量，则温度变化量和焓变成线性关系。对于非共沸混合制冷剂，温度变化往往和焓差成非线性关系。当污水在换热器中和制冷剂进行换热时，温差的变化造成了可用能的损失。非共沸混合工质的技术优势2022/11/2114对污水在换热器中的传热过程进行分析，忽略换热器相对于环境的散热损失，认为任意微元段内两种流体的焓变相等，从而可以推导出两流体的换热温差不可能处处相等，换热温差存在极值点。温差是传热的动力，了解非共沸混合制冷剂蒸发
8、时和换热流体间的传热窄点变化规律，有助于合理设计污水换热器，匹配蒸发器冷凝器两器面积比，进而优化污水源热泵系统设计。污水源热泵换热器优化设计2022/11/2115污水源热泵换热器优化设计换热进程中的温度窄点换热进程中的温度窄点换热进程中的最大温差换热进程中的最大温差第一部分 污水源热泵研究背景及关键问题第二部分 污水源热泵传热优化及工质选择第三部分 污水源热泵系统工程应用的研究第四部分 污水源热泵的工程设计及应用前景天津市城市污水源热泵系统运行特性研究天津市城市污水源热泵系统运行特性研究2022/11/2117图图6-2 某城市污水水温全年变化某城市污水水温全年变化图图6-3 某厂家热泵机组
9、性能曲线某厂家热泵机组性能曲线城市污水水温特点及热能表征污水温度污水温度污水水质污水水质热能表征热能表征天津地区天津地区污水的水质特征取决于给水原水的水质和使用性质。城市给水含有各种矿物质与溶解气，经过使用后增加了各种有机物、无机物和固体杂质等。污水中的有机物测定常用生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、总有机碳（TOC）以及总需氧量（TOD）等表示，微生物含量主要以大肠杆菌数来表示。城市污水水温特点及热能表征污水温度污水温度污水水质污水水质热能表征热能表征天津地区天津地区城市污水经过一级物化处理和二级生化处理后成为二次出水。二级出水中溶解性有机化合物、无机化合物和固体颗粒物和病原菌等污
10、染物质含量是衡量污水处理效果的主要指标。美国、以色列、日本等一些污水资源化利用较早的国家，根据污水的再利用途径均制定有不同的二级出水水质标准，如农业灌溉回用水水质标准、工业冷却循环用水水质标准等。2022/11/2120城市污水水温特点及热能表征污水温度污水温度污水水质污水水质热能表征热能表征天津地区天津地区（1）全年水温波动小。城市污水的最大特点是冬暖夏凉的特点，特别是冬季，随着生活水平提高，居民生活用热增加，污水排热量也增加，使冬季污水温度较高。（2）污水排热量稳定。目前，我国各大中城市污水排热量约占可利用排热量的1016%，污水水温535。以日本东京为例，城市污水热量约占可利用排热量的3
11、9%。城市污水水温特点及热能表征污水温度污水温度污水水质污水水质热能表征热能表征天津地区天津地区天津冬季全天不同时段污水温度天津冬季全天不同时段污水温度城市污水水温特点及热能表征污水温度污水温度污水水质污水水质热能表征热能表征天津地区天津地区天津夏季全天不同时段污水温度天津夏季全天不同时段污水温度污水源热泵工程运行特性分析示范工程示范工程冬季工况冬季工况夏季工况夏季工况天津市西青区咸阳路再生水厂热源采用污水源热泵，污水来自相邻污水处理厂的二级出水，经监测，夏季污水水温2527，冬季1216，适宜作为水源热泵的低位热源。在设计过程中，考虑到污水来源较广、水质复杂的情况，设计采用自动除污过滤器、专
12、用污水换热器、中介水换热等手段实现了污水源热泵的安全运行。2022/11/21252022/11/2126污水源热泵工程运行特性分析示范工程示范工程冬季工况冬季工况夏季工况夏季工况污水源热泵工程运行特性分析示范工程示范工程冬季工况冬季工况夏季工况夏季工况实验条件下的变工况性能测试实验装置实验装置性能实验性能实验实验条件下的变工况性能测试实验装置实验装置性能实验性能实验实验条件下的变工况性能测试实验装置实验装置性能实验性能实验实验条件下的变工况性能测试实验装置实验装置性能实验性能实验第一部分 污水源热泵研究背景及关键问题第二部分 污水源热泵传热优化及工质选择第三部分 污水源热泵系统工程应用的研究
13、第四部分 污水源热泵的工程设计及应用前景天津市城市污水源热泵系统运行特性研究天津市城市污水源热泵系统运行特性研究污水源热泵系统形式以未处理水为热源以未处理水为热源以处理后水为热源以处理后水为热源指标评价经济指标环境指标系统造价净现值净现值率费用年值一次能源利用率有害温室气体排放=107%一次能源利用效率污水源热泵应用前景污水源热泵技术的推广公众参与公众参与市场调节市场调节政策支持政策支持多元并举多元并举规划先行规划先行推广措施推广措施污污水水源源热热泵泵实实施施体体会会技术的采用依赖于科学决策和敢于尝试技术应用需要得到城市管理部门的支持积极创新能源管理模式实现市场运作污污水水源源热热泵泵规规划
14、划思思路路兼顾多种形式，合理利用污水源热泵整合资源优势，促进可持续发展政策保障创新，利用可再生能源英国2003年的能源白皮书我们的能源未来，是全球最早正式提到“低碳经济”的官方文件。低碳经济的实质就是能源高效利用、清洁能源开发，其核心就是能源技术创新、产业结构调整、体制机制改变、生存发展观念转变，实现低能耗、低污染、低排放、可控制的发展目标，它涉及技术、产业、制度、观念等四个层面的全面变革，其运行模式就是在生产和消费过程中以降低二氧化碳排放为主要特征，强调提高能源效率和改善能源结构在经济社会发展中的重要作用，并以此作为国家在政策制定和判断企业技术创新水平的重要依据。结束语低碳经济不仅仅是指一种经济发展方式，也是指一种生活方式和消费方式。强调建筑节能是节流之举，重视污水热泵是开源之策。节能，对地方政府来说是政治任务，对普通公众来说更是法律义务。向污水要冷暖！结束语