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太阳能与污水源热泵集成系统的应用
更新时间:2015/2/8 18:50:00

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 前言

  随着社会的发展,环境保护问题已被越来越多的人所重视。如何在享受能源带来的便利生活的同时减少能源的消耗逐渐成为人类的共识。在这种背景下以环保和健康为主要特征的绿色建筑应运而生,尽可能减少能源消耗为建筑物创造舒适环境已经成为如今空调的发展方向。

  用热泵系统回收城市污水中的热能,既开发了一种清洁能源,同时又降低了城市废热的排放,保护了环境。开展城市污水热能利用技术的研究,是一项具有节能和环保意义的应用技术研究。

  1普通地源热泵的不足之处

  污水源热泵将污水作为冷热源,污水的作用等同于地源热泵中大地的作用,所以以地源热泵作为对比对象。

  地源热泵通过输入少量的高品位能源(电能),即可实现能量从低温热源向高温热源的转移,是一种非常节能的采暖制冷方式,因此受到国家住建部大力推荐,在全国各地轰轰烈烈开展,但是地源热泵也不是十全十美的:首先,地源热泵的使用受到场地及地理条件限制,热交换是在地下进行的,必须通过打井或抽取地下水进行能量传输,因此没有足够的场地或地下水量就不能实现能量交换。其次,地源热泵一次性投资价格高。地源热泵较普通空调节能高达40%以上,比一般中央空调投资高约40%左右,很多客户因地源热泵系统的高投资而望之却步。

  2污水源热泵的简单介绍

  日常生活产出的污水水量大并且稳定,平均温度在13℃~25℃之间。污水源热泵以污水作为冷热源进行制冷、制热,它具有产生量大、含有大量的热能、在整个供暖季和供冷季水温波动不大的特点。因此,利用污水源热泵为区域供热供冷是一种理想的方式。

  污水源热泵系统其供暖系统原理和普通地源热泵相同,主要由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流机构组成,构成一个最简单的蒸汽压缩式热泵装置作为供热系统的热源。它通过蒸发器从污水中吸取热量Qe,在冷凝器中放出热量Qc供给供热系统。这种供热系统只要消耗少量的电能W,便可得到满足房间供热所需要的热量Qc。即Qc=Qe+W。

  3污水源热泵与地源热泵的比较(见表1)

  4太阳能与污水源热泵集成系统介绍

  4.1太阳能与污水源热泵集成系统的组成

  太阳能与污水源热泵集成系统由污水源热泵、太阳能集热器、污水源端埋管换热系统、蓄热水箱、水泵及末端系统组成。

  4.2集成系统运行模式

  夏季:热泵提取污水冷量对室内进行制冷,太阳能集热系统主要提供生活用热水

  冬季:当晴好天气时,太阳能集热系统满足生活用热水需求。当太阳能热量有富余时,室内采暖回水进入太阳能系统初步加热,之后进入污水源热泵,再次提取污水中热量为室内进行供热;当光照不理想时,利用污水源热泵将热量提供给储水箱,满足生活热水需求。采暖回水直接进入热泵系统,热泵提取污水热量对室内进行采暖。

  4.3太阳能与污水源热泵集成系统流程图(见图1)

  4.4太阳能与污水源热泵集成系统特点

  从图2、图3中可以看出,秦皇岛的年辐照量在4000~5300MJ/m2之间。我国学者根据年太阳总辐照量的大小,将我国划分为4个太阳能资源带,分别为资源丰富带(>6700MJ/m2)、资源较富带(5400~6700MJ/m2)、资源一般带(4200~5400MJ/m2)、资源贫乏带(<4200MJ/m2)。根据该标准,秦皇岛的太阳能资源属资源一般区。

  太阳能的运行有一定的局限性,夏季若长时间阴雨天气,蓄热水箱内的生活热水温度会低于40℃,通过空调主机制冷时产生的热量来加热水箱中的水,使其温度达到40℃以上。

  夏季的生活热水的供应是免费的,在春秋过渡季节,太阳能不能满足要求时,把空调主机直接切换到制取生活热水的状态,比电加热节能很多倍。冬季空调主机的制热量超过室内热负荷那部分热量来满足太阳能制取生活热水达不到所需温度,通过电加热的那部分能量,充分利用空调主机的能量。地源热泵与太阳能联合运行能够在任何恶劣的天气条件下满足空调和生活热水的需要,使整个系统节能性更加优化。

  5工程案例介绍

  该工程位于秦皇岛环保学院校园内,空调形式采用太阳能与污水源热泵集成系统。

  利用校园内中水处理装置中段经过简单处理之后的污水作为冷热源的热泵与太阳能热水设备相结合,提供制冷制热及生活用热水的综合设备。

  秦皇岛环保学院现有教职工460人,在校学生8500人,按校园内常住人口9000人考虑,每天产生的废水达到1500m3,先期设计中水处理水量按照500m3,不同生活用水经过不同装置初步处理之后,汇集到调节池内,等待下一步处理。

  热泵换热点设计在调节池处,预埋高效换热器。热泵主机功率20kW,太阳能集热器面积39m2,储热水箱2t。热泵空调主机为中水处理站工作室及休息室提供采暖制冷需求,建筑空调面积180m2。太阳能集热系统主要提供工作人员洗浴及附近洗衣房用热水。(表2是系统主机参数表)

  6结论

  太阳能热利用在国内已经是一种非常成熟的技术,也得到了很大的推广。但是单就太阳能而言,目前热利用上还是较广泛的用于生活用热水。由于其受日照情况影响,而且相对热效率不高,很难广泛推广到采暖上。所以需要积极地寻求一种节能环保的技术,与太阳能实现联合应用达到供暖的目的。污水源热泵具有热量输出稳定、COP值高、换热效果好、机组结构紧凑等优点,是实现污水资源化的有效途径。

  污水源热泵比燃煤锅炉环保,污染物的排放比空气源热泵减少40%以上,比电供热减少70%以上。它节省能源,比电锅炉加热节省2/3以上的电能,比燃煤锅炉节省1/2以上的燃料。由于污水源热泵的热源温度全年较为稳定,其制冷、制热系数比传统的空气源热泵高出40%左右,其运行费用仅为普通中央空调的50%~60%。可见,污水源热泵有着广阔的应用前景,可以与太阳能相结合达到很好的采暖效果,同时经济性能显著。首先,不需要大规模的投入太阳能面积,这样不仅节约了场地,同时降低很大的初投资,让用户能买得起;其次,二者相补充,污水源热泵能很好满足非晴好天气的供热需求,而且运行费用不高。

  但是二者结合也存在着很多问题:

  1.配比问题,二者在初始设计时以多大的供热能力配比,既能在造价上被用户接受,又能实现超低运行成本;

  2.控制问题,由于光照情况的不稳定性,所以当太阳能不足或是能充足使用时,需要与污水源热泵系统进行切换,很多数据都要模糊控制,这就要求必须将控制做好;

  3.污水源处理问题,好的热源应该是稳定、高能、无污染、无腐蚀的。这就涉及污水处理问题,如何更好的、低成本的将污水处理到应用的状态也是亟待解决的问题。

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