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热泵是一种利用一部分高品位能,通过热力循环,把热量从低位热源转移到高位热源的节能装置。
即热泵可以把不能直接利用的低品位热能(如空气、土壤、水中所含的热能,太阳能,工业废热等)转换为可以利用的高位热能,从而达到节约部分高品位能(如煤、燃气、油、电等)的目的。
热泵的的分类及特点
根据使用低位热能的种类,热泵可分为空气源热泵((Air-SourceHeatPump,ASHP),地源热泵(Ground-SourceHeatPump,GSHP),水源热泵(Water-SourceHeatPump,WSHP),和复合热泵(HybridHeatPump,HHP)。
1.空气源热泵
空气源热泵把室外环境的空气作为冷热源,并把空气/空气热泵机组应用于空调系统。
在我国,空气源热泵起步较早,所以技术比较成熟,而且系统结构比较简单,初投资较低,年运行时间长,基于以上优点,空气源热泵己经广泛应用于我国冬季气候温和的地区。
但是,空气源热泵的一些缺点也使其应用范围和推广受到限制。
首先,在冬季供热工况下,由于蒸发温度太低空气源热泵的蒸发器表面会结霜,这一现象在寒冷地区和高湿度地区尤为严重。
结霜的危害很大,一方面,目前在蒸发器除霜技术上存在较大障碍;
另一方面,除霜需要消耗大量能量,约占热泵总能耗的10%,造成严重的能源浪费,因此需要进行定期除霜。
其次,空气源热泵的运行特性受室外环境的影响较大,夏季制冷量随着室外空气温度的升高而降低,冬季制热量随室外空气温度降低而降低,与建筑物的冷、热负荷需求的变化趋势恰好相反。
再次,空气源热泵体型
大,占地面积大,噪声污染严重,容易引起热岛效应。
2.地源热泵
根据换热介质的不同,地源热泵可以分为三类:
土壤源热泵(GroundSourceHeatPump);
地表水源热泵(SurfaeeWater-sourceHeatpump);
地下水源热泵(GroundWater-SourceHeatPump)等。
土壤源热泵系统以大地作为冷热源,把传统空调器的冷凝器或蒸发器直接埋入地下,直接与大地进行热交换,或者通过中间介质(通常是水)作为热载体,并使中间介质在封闭环路中循环流动,实现与大地进行热交换的目的。
土壤源热泵的优点很多,土壤温度相对稳定,变化幅度小,热容量大,蓄热性能好,而且土壤温度变化相对于空气温度变化有一定的延迟效应。
冬季热泵从土壤中提取热量,承担建筑热负荷,同时蓄存冷量以备夏用;
夏季逆向运行,提取冬季蓄存的冷量,承担建筑冷负荷,同时蓄存热量冬季使用。
但由于土壤的导热系数小,管内载能流体与管外土壤之间的热流密度较小,导致所需地下换热器的面积较大,占地面积大,初始投资高。
此外,埋地换热器受土壤性能影响较大,还需对冬、夏季的取、放热量进行平衡计算。
地表水热泵系统将河流、湖泊水作为冷热源,有开路系统和闭路系统。
地表水热泵系统具有造价低廉、泵耗能低、运行费用少等优点,但是,管道或水中其他设备容易受到损害,还可能造成水污染。
地下水热泵系统的造价比较低,而且水井紧凑,占地面积小,技术比较成熟;
缺点就是可供使用的地下水资源有限,处理不当还会造成严重的地下水资源的浪费和污染,而且现在很多地方限制地下水的使用。
3.水源热泵
水源热泵利用地球水体储藏的太阳能资源作为冷热源进行能量传递,可以一机多用,满足供暖、空调及生活热水多种需要。
水体温度一年四季相对稳定,波动范围比周围空气温度的变化范围小得多。
冬季水体温度一般在10一22℃之间,高于环境空气温度,蒸发温度提高,制热
性能系数提高。
夏季水体温度在18一30℃之间,低于环境空气温度,冷凝温度降低,制冷性能系数提高。
水源热泵的COP较高,一般可以达到4一5,节能效果显而易见。
但是,由于受到水资源条件、水资源使用政策以及能源价格等客观因素的影响,水源热泵的发展应用受到严重制约。
污水源热泵以污水作为低温热源。
城市污水不仅满足热源的温度要求,而且水量充足,是比较理想的低温热源,有很大的发展空间。
4.复合热泵
为了弥补单一热源热泵存在的局限性,并且充分利用低位能量,出现了各种复合热泵,即使用两种热源,如空气一水热泵、太阳一空气源热泵系统、太阳一水源热泵系统等。
污水源热泵的特点
其他可再生能源的局限性
从可持续发展角度看,寻找合适的可再生清洁的低位冷热源是暖通空调的战略性任务。
太阳能供热及热泵系统、土壤源热泵空调系统、地下水源热泵空调系统、空气源热泵系统等都是目前暖通空调领域研究和应用的可再生性清洁能源系统。
但是这些系统应用都存在自己的局限性:
1.太阳能缺点是分散性,间断性和不稳定性等问题,造成利用太阳能供热时需要辅助热源或蓄能系统,另外,收集太阳能的效率低成本高,目前建筑物暖通空调还很难承受,而仅限于太阳能热水器的使用。
2.土壤源热泵系统中因土壤换热效率低,埋管数量与占地空间很大,在城市人口密集区、繁华的建筑群区域内受到地理条件限制。
另外,系统初期投资高,运行产生故障不易检修,土壤干燥导热能力显著下降等问题,目前处在小规模应用;
3.地下水源热泵系统在我国发展受到限制,因为我国水资源匮乏,地下水作为可再生性冷热源受到水资源保护限制,地下水源热泵系统井水回灌
技术目前又不成熟,不合理的规模应用可能引发地质环境问题,另外还有水井枯竭、老化等问题;
4.空气源热泵系统的问题是在夏季高温和冬季寒冷天气时热泵的效率大大降低,而且其制热量随室外空气温度降低而减少,这与建筑热负荷需求趋势正好相反。
另外在以供暖为主的北方寒冷地区受到室外温度的限制,蒸发器表面温度低于0℃时,能源利用效率急剧下降,在以供冷空调为主的南方地区,系统向空气散热不可避免地给城市居住区域带来热岛效应,即越空调越热。
另外,受空气热容量限制,机组装机容量规模小。
污水资源的特征
城市污水热能回收与利用系统是把赋存在经处理后的污水或未经处理的污水中的热量回收后并加以利用的一项技术。
与地热、空气等余热能源相比,城市污水有以下特征:
1.冬暖夏凉。
城市污水的最大特点是冬暖夏凉,3月份污水温度最低为10℃,7至8月份污水温度最高为18℃,全年温度变化幅度仅为8℃。
与河水水温和气温相比,城市污水水温在冬季较高,在夏季较低。
2.全年水温变化受气候影响小。
连续监测了哈尔滨某小区的排水温度,冬季排水温度平均为11℃,夏季排水温度平均为20℃左右。
与河水和空气相比,城市污水全年水温相对稳定。
3.污水热能利用区域较广。
由于目前的热泵技术己从对城市污水二级处理水的热能利用,发展到可直接回收利用未经处理的城市污水的热能阶段,因此,不受污水厂的地点限制,可根据城市污水管网情况和用户需要,灵活进行利用,扩大了在城市中使用的区域。
4.城市污水水量巨大且水量相对稳定。
城市污水中工业废水通常稳定,而占主要的生活污水却有变化,其规律性是由人的生活习性决定的。
主干渠变化较小,小干渠变化较大。
5.热能的贮存量较高。
据东京都下水道局测算,在有可能利用的城市热能中,城市污水热量约占总体的39%。
按目前排入东京市区10个污水处理厂的污水量5×
106m3/d进行计算,年平均含热能3.8×
104kJ,可供40万户家庭
开题报告
全年的耗电量。
6.污水热能可用于低温区。
虽然城市污水热能赋存量较高,但从有效利用的角度出发,不适于用作动力,适于在50℃左右以下的低温区使用,而这一区域应用潜力很大。
课题的提出及主要研究内容
城市污水处理厂二级出水基本都满足或好于国家城市污水排放二级标准,这样的水质使得利用污水冷热资源的防污除杂工作大为减轻,增强了系统的稳定性及可靠性;
并且污水厂水量大,资源集中,这就为建立大型的污水源热泵系统造了良好条件。
论文作者通过参与青岛麦岛小区污水源热泵空调系统工程的可行性研究及北京清河污水处理厂二级出水的试验研究,发现要将污水处理厂二级出水经济有效地运用于污水源热泵系统有几方面问题是十分值得注意的。
所以,本论文以青岛麦岛方案为案例,就工程中可能遇到的问题及值得注意的地方进行研究探讨,并提出了相关的设计思路与可行性方案,以便今后实际工程的借鉴与参考。
其主要内容为:
1.对污水处理厂二级出水运用于污水源热泵系统的前期水资源评估做了详细的介绍,包括水资源评估数据、测量方法,并通过案例工程阐述了具体评估过程;
2.对污水蓄水池、取排系统方案做了详细的研究;
并对污水干渠分列式取排水口的干式取排系统进行了设计研究;
3.实验证明了污水处理厂出水的实际水质随天气发生的巨大变化,以及对实验系统的影响;
验证了利用城市污水处理厂二级出水建立污水源热泵系统前端防污除杂的必要性;
并对几种主要过滤设备的可靠性、稳定性、过滤效果等性能参数进行了试验对比,为我们实际工程设备选型提供了实验结论;
4.就污水资源的输送距离与输送能耗比例进行了研究,讨论了输送距离对输送能耗的影响,建立了相关模型,并提出了设计方案。
借以评估项目的可行性与节能经济性。
污水源热泵系统取水换热过程中存在的主要问题
尽管城市污水、江河水、湖水、地下水、海水等是理想的低位冷热源,但其水质极不稳定,不能满足换热设备运行要求,取水换热过程是利用这些水源的关键问题。
这些水源以城市污水水质最差,污水源热泵系统在实际工程遇到的问题最为突出,城市污水含有各种大型污物及小尺度悬浮固体及溶解性化合物,前者表现在对管路与设备的阻塞,后者表现为对流动换热参数的影响以及导致换热管内结垢现象,形成相当高的热阻,严重影响了热泵系统的正常运行。
为经济可行地利用污水冷热源,只能对污水作粗效预处理,孙德兴与吴荣华开发的滤面水力连续再生过滤装置有效解决了污物堵塞换热设备问题,但污水源热泵系统取水换热中的污水仍然含有大量小尺度污杂物,导致换热管内热阻较大的软垢形成与设备换热性能低下等问题。
南方某地铁冷站采用江水进行冷却,江水经三道物理过滤(最小滤网直径为1mm)直接进入壳管式冷凝器中进行冷却,运行效果仍不理想,机组每运行一个月左右仍需清洗,清洗时发现换热管内有约1~2mm厚的软垢。
因而要实现污水冷热量的有效传递与转换,必须克服污物引起的污垢问题,了解污水的流动阻力特性与换热特性。
污垢问题
1.换热性能下降
污水冷热源之所以没有大面积使用与推广主要是因为其水质不能满足换热设备运行要求,污垢问题严重。
换热管与污垢物质的导热系数由于污垢的导热性能较差,即使较薄的一层污垢也将导致换热设备性能急剧下降,以前述南方某地铁江水直接冷却工程为例,制冷机组冷凝器在清洗污垢时污垢厚度达到1~2mm,计算可知污垢热阻达到0.429~2.5m2·
k/kw(机组的设计流速为1.5m/s),超出HTRJ/TEMAJoiniCommittee所给定的污垢热阻标准,也超过设计时所取用的污垢系数值(0344m2·
k/kw)。
目前我国工程应用中防、除垢方法主要是增大流速来抑制污垢的增长与引进国外专利除垢技术,流速的增大使泵耗急剧增加,这将掩盖利用污水冷热源的节能特性,国外除垢专利技术往往因为价格昂贵等原因而无
法大面积推广应用。
2.阻力增大
换热管流通截面积随垢层增厚而减小,在流量恒定的情况下,这必然导致平均流动速度的增加,从而引起整个换热设备流动阻力的增大,进而增大水泵的耗功率。
由泵与管道的性能曲线可知,水泵流量将减小,这将导致污垢的增长,进一步降低机组的效率。
小结
污水源热泵系统取水换热中由大量小尺度污杂物引起的问题可以称为广义污垢问题:
换热性能下降与污垢热阻问题是由于污垢直接导致的结果;
流动参数与换热参数问题主要是因为污水中分散的污垢成分而导致的:
阻力增大问题是由于水体中存在的污垢成分而导致的。
由上述分析可以看出由小尺度污物引起的广义污垢问题仍然是限制污水源热泵系统推广应用的瓶颈问题,目前还没有成熟的研究成果,急需研究解决的是针对此类污垢的生成机理,找出污垢的变化规律和主要影响因素,进而扩充防、除垢的措施,进一步提高系统的节能特性。
设计进度
1、第一周:
查找相关资料,完成开题报告;
2、第二周:
根据关键问题提出初步的设计方案;
3、第三周:
整理数据并对提出的设计方案进行分析对比确定最终方案;
4、第四、五周:
完成污水换热器与太阳能集热器的设计计算并进行联合应用计算;
5、第六周:
完成主机系统的设计与选型;
6、第七周:
完成供热终端系统的设计;
7、第八周:
对方案的合理性进行分析论证;
8、第九周:
完成所设计的系统全面的经济技术分析;
8、第十周:
绘制原理图与工程图;
9、第十一、十二周:
撰写论文准备答辩。
主要参考文献:
[1]陈东,谢继红.热泵技术手册.化学工业出版社.2012年9月.
[2]陈东,谢继红.热泵技术及其应用.化学工业出版社.2008年2月.
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[4]姚杨.暖通空调热泵技术.中国建筑工业出版社.2008年11月.
[5]张昌.热泵技术与应用.机械工业出版社.2008年8月.
[6]马最良.热泵技术应用理论基础与实践.中国建筑工业出版社.2010年6月.
[7]蒋能照,刘道平.水源·
地源·
水环热泵空调技术及应用.2007年5月.
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