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1、1,城市污水源热泵系统运行特性研究,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,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
2、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
3、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,2023/11/1,7,污垢生长及热能表征,2023/11/1,8,污垢生长影响因素,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,1924年 McCabe和Robinson
4、,1959年 Kern和Seaton,线性增长型,降率型,幂率型,渐进型,2023/11/1,9,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,2023/11/1,10,对于实际工程而言，根
5、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,2023/11/1,11,城镇污水热泵热能利用水质,科研指导下的设计工作,2023/11/1,12,污水源热泵工质选择,2023/11/1,13,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温
6、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,2023/11/1,14,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
7、蒸发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,2023/11/1,15,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,2023/11/1,17,图6-2 某城市污水水温全年变化,图6-3 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,污水水质,热能表征,天津
8、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,污水水质,热能表征,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
9、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。,2023/11/1,20,城市污水水温特点及热能表征,污水温度,污水水质,热能表征,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39%。,城市污水水温特点及热能表征,污水温度,污水水质,热能表征,天津地区,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,污水水质
10、,热能表征,天津地区,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,冬季工况,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。,2023/11/1,25,2023/11/1,26,污水源热泵工程运行特性分析,示范工程,冬季工况,夏季工况,污水源热泵工程运行特性分析,示范工程,冬季工况,夏季工况,实验条件下的变工况性能测试,实验装
11、置,性能实验,实验条件下的变工况性能测试,实验装置,性能实验,实验条件下的变工况性能测试,实验装置,性能实验,实验条件下的变工况性能测试,实验装置,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,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,污水源热泵系统形式,以未处理水为热源,以处理后水为热源,=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,污水源热泵实施体会,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
12、现市场运作,污水源热泵规划思路,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,
