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案例研究:污水处理厂热回收(2014)
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案例研究:污水处理厂热回收(2014)

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文章摘自2014年2月版CIBSE杂志克雷格·英格利希著。

参加2010年惠斯勒冬奥会的2000多名运动员靠从现有污水处理厂提取的热量取暖。Richard Perry和Tom Ren审视了他们热网设计的遗产,并揭示了该项目如何实现了50%的能源节约。

奥运会不仅仅是运动员的比赛。对于东道主来说,这是一个让自己的城市在地图上出名的机会,也是一个创造一系列世界级新体育场馆的机会。新建筑有助于推动对新基础设施的投资,让地方政府有机会创造出更高效、更经济的能源供应方式。

加拿大的惠斯勒是一个受益于奥运遗产的城镇,那里安装了一个热回收工厂,从污水处理厂提取能源。在2010年冬奥会上,该网络被用来为2000多名运动员和教练提供供暖和制冷。奥运会后,它为数百户家庭提供能源。

该系统包括一个中央服务大楼,里面有循环泵、热泵和锅炉;配电网;每个住宅都有热泵;以及连接供暖、制冷和家用水加热系统。

设计惠斯勒系统是非常复杂的,因为能源和住宅需求的可变性。更复杂的问题是系统需要在寒冷的气候下工作。第一期的楼宇已改建为住宅用途,并已运作一年多,期间
每小时监测连接系统的时间,并记录结果。

供暖、制冷和生活热水的主要能源是区域能源共享系统(DESS),该系统从现有的惠斯勒村污水处理厂获取低温能源,并将其用于项目建筑的供暖和制冷。DESS的设计能力为一个400个住宅单位的社区及其附属服务——几乎所有的服务现在都已出售。

处理过的污水从现有的处理厂泵到相邻的机械厂房,在那里经过过滤,然后通过一排热交换器。运动员村周围的双管反回闭环系统为项目第一阶段的所有热泵提供所需的能源。

从机械厂房的热交换器中流出的水通过高密度聚乙烯管道泵送,绕着分配回路,为每户村庄建筑内的热泵提供能源。在连接的建筑供水管和返回至DESS的管道之间没有循环泵或控制阀,控制完全由供水管和返回水管之间的压差控制。

每个机组的热泵选择提供60%的峰值供热和/或制冷能力,并在每个建筑中安装电加热元件作为备用。系统机械室最大的排水管直径为356mm。
从机械室流出的第1阶段流量保持在76升/秒。完成的系统的流速为101升/秒。已经为未来的热交换器和泵预留了空间。两台燃气备用锅炉位于机械室。

区域能源共享系统

该项目的创新之处在于区域能源共享系统(DESS)。该系统使用污水处理厂回收的能源,为一个非常大的开发项目提供供暖、冷却和生活热水。与同类天然气系统相比,该系统第一年的运行节省了近50%的能源。随着系统的扩展和操作的改进,这一数字预计将上升到60%。

分配管道产生热量储存,用于建筑热泵,在加热或冷却模式下工作。在系统中使用不结冰的化合物被认为是不必要的,因为在DESS中保持温度。据估计,该系统的设计寿命将至少50年,并将需要最低限度的维护。第一年的运行表明,它将是廉价的操作。

该系统建成后,预计将比类似的区域供暖系统减少70%的温室气体排放,每年可节省多达3200兆瓦小时的建筑能源,而这些能源原本会被浪费掉。

空气质量和热舒适

住宅和招待所的室内空气质量和最大户外率采用ASHRAE标准62.1.2004进行测定。根据ASHRAE标准55-2007,每个建筑都设置了控制,以提供舒适的条件。每个附属的住宅单元都有自己的热泵或泵,从DESS获取能量,并将其分配到各个空间。

在夏季,当热泵处于冷却模式时,DESS系统中的多余热量通过热交换器返回到污水处理厂的出水。生活用水由从DESS提取的能量加热。生活用水维持在54.4°C被来自DESS的能量加热。招待所有点不同。一楼被改造成餐厅,而上层则配有独立租用的双层床。热泵回收装置从所有的排气中回收热量,并使用这些空气作为租赁区域的通风。

屋顶上的空气-水热泵为底层风机盘管机组提供热水或冷水。为了获得60%热辐射和40%热对流的最佳热舒适(ASHRAE HVAC应用2007),采暖由辐射地板提供。根据ASHRAE标准55-2004,温度控制设定点始终在可接受的范围内,提供热舒适。

实际结果

该项目的一期工程已经运行了整整两年,目前正在监测实际负荷。连接的楼宇82%为住宅楼宇,18%为商业/工业楼宇。节省所用的负荷是实际的,虽然由于启动、控制系统调整和污水过滤等原因出现了一些问题,但与原来的计算数字相比还是不错的。
节约的部分原因是,从污水中提取的能量、所有泵上使用的变速驱动器以及从连接的建筑物回收的能量。测量范围从2010年8月到2011年8月。

截至2013年6月,与传统天然气加热系统相比,DESS节能47%,与电力系统相比节能39%。结果是基于从安装的监测设备接收到的数据,将初始计算与总节能进行比较。已完成项目的场地估计为4.69GW。

通过使用每层面积的一般能源强度值,并将这些数字插入内部能源软件,估计了场地总负荷。每日供暖负荷最初是用2004年的温度数据为基地建模的,并假设平衡温度。为了估计测量年(2010年8月至2011年8月)的总负荷,将初始天气数据替换为20102011年的天气数据,并调整平衡温度,使模拟的DESS负荷与实测的DESS负荷相匹配。

成本效益

建成的村庄DESS的资本成本估计为4500万美元(200万至300万英镑)。一套类似的传统区域供热系统,绝缘钢管的造价估计在2500万美元至3300万美元至2000万至2500万美元之间,能源中心的造价估计在500万至800万美元之间。DESS:使用高密度聚乙烯,无绝缘管道;在环境温度下工作;在供暖和制冷模式的建筑之间共享能源的好处;并且需要更少的资金和运营成本。

环境影响

温室气体的减少是安装DESS的一个关键因素。为所有地下管道提供聚乙烯,以及未来可能将三级污水用于无毒水分配,例如用于冲厕所的处理污水,都是减少影响的例子。利用电力和天然气消耗计算了与空间供暖、空间制冷和生活热水相关的温室气体(GHG)排放。据估计,不列颠哥伦比亚省的电力产生0.022吨二氧化碳当量。按照标准分布式天然气加热和电加热和冷却各占一半的混合方式,计算每年的温室气体排放量为497吨二氧化碳当量。

DESS利用废水热回收,减少了典型的285吨二氧化碳当量的排放,减少了57%,相当于减少了大约57辆汽车。建成后,预计将减少70%的温室气体排放。CJ

操作与维护

该项目由技术先进的ESC自动化管理系统控制,该系统协调和优化DESS,以确保最大程度的节能和最大程度的室内舒适条件。

该控制系统采用了完全开放的网络协议(BACNET),与多个分布式控制面板通信,包括第三方制造商的控制(随机组提供),为一个完全集成的无缝控制系统。DDC控制系统由污水处理厂运营商和外部咨询公司独立监控。