污水余熱大棚防凍系統設計

王立寧 齊松平

摘要 為促進污水有效利用，提出了用污水處理余熱解決冬季大棚防凍的方法，污水余熱大棚防凍法是利用處理后的污水，通過換熱器換取污水余熱，使用地熱、風機盤管聯合為大棚升溫。該方法可以使大棚溫度在極端天氣下保持在接近污水排水的水溫，能夠確保大棚防凍，溫度可以達到耐低溫果蔬生長需要，適用于北方臨近污水處理廠的設施農場應用。

關鍵詞 污水余熱；大棚防凍；污水利用；節能

中圖分類號 S273.5 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）27-09623-02

Design of Sewage Waste Heat Greenhouse Antifreeze System

WANG Lining¹， QI Songping²

（1.Liaoning Institute of Saline Alkali Land Use， Panjin， Liaoning 124010； 2.Dawa County Sewage Treatment Plant， Panjin， Liaoning 1242002）

Abstract In order to promote the effective use of sewage， the method to resolve winter greenhouse antifreeze through sewage waste processing heat was put forward. Waste heat in sewage antifreeze method is the use of treated sewage， through the heat exchanger for The use of sewage waste heat， geothermal， fan coil plus for greenhouse heating. This method can make the greenhouse temperature in extreme weather conditions remain near sewage discharge temperature， so as to ensure the greenhouse antifreeze， temperature can satisfy growth demands of low temperature resistance vegetable and fruit， which is suitable for facility farm around sewage treatment plant in north area.

Key words Sewage waste heat； Greenhouse antifreeze； Sewage utilization； Energy saving

隨著國家農業政策改革，農村經濟得到迅速發展，北方冬季蔬菜生產成為增加農民經濟收入的重要途徑之一。在溫室蔬菜周年生產中，蔬菜越冬生產的關鍵是如何解決好冬季溫室在持續低溫、連陰等極端氣候條件下，溫室內溫度過低的問題。經濟、高效、節能型日光溫室在反季生產中得到廣泛應用，我國學者針對日光溫室墻體、土壤保溫性能進行了較為深入的研究，提出了一些切實可行的優化方案。在普通日光溫室中，通常于11月中旬至第2年2月份由于早晚溫室內溫度過低而不能進行蔬菜生產，在3月份要靠煙道給溫室加溫，才能滿足育苗的要求。在日光溫室中，當天氣晴朗時，即使是冬季，室內溫度也可達到25～28 ℃，甚至達到30 ℃以上的高溫，超過一般喜溫作物的要求（20～24 ℃），而在凌晨溫室內氣溫則降到3～0 ℃。因此，如何有效利用太陽能，貯存太陽能成為提高日光溫室生產效益的關鍵問題，也是解決冬季溫室內果菜生產的關鍵。解決這些問題，對日光溫室來講除解決好采光和保溫兩個重要環節外，采用地下熱交換系統貯能增溫也是一項有效措施^[1-6]。

地下熱交換系統設想是在20世紀60年代末期日本的山本雄二郎提出來的，但直到70年代世界性的石油危機爆發之后，研究工作才大量開展起來。日、美、法等國均進行過利用地中熱交換系統貯能加溫的研究；國內從1983年開始，一些科研單位也相繼進行了溫室（塑料大棚）地下熱交換系統的試驗，并已在華北、東北地區的一些塑料大棚和日光溫室中得到推廣應用^[3]。污水余熱大棚防凍系統是在前人研究的基礎上，利用污水處理廠排水的余熱，以地熱和風機盤管聯合為大棚送熱方式，使大棚在極端氣候條件下仍能保證生產需求。

溫度也是影響污水生物處理效果的重要因素之一。自然條件下，污水處理廠水溫通常在15～25 ℃之間，在這個溫度范圍內，溫度越高越有利于硝化反應的進行^[7]。有關研究表明，當水溫低于13 ℃時，生物處理效果開始加速降低；當水溫低于4 ℃時，幾乎無處理效果^[8]。通過以上分析，北方地區低溫污水就是可靠的熱源來源，可以利用它給大棚升溫防凍。低溫污水主要是指在我國北緯40度以北的城鎮（一般在6～10 ℃，少數在4～6 ℃）的冬季城市污水。由于我國寒冷地區一年中的大部分時間處于低溫環境，地面排水溫度一般在10 ℃左右^[9]，如盤錦市地處北緯41° 11′，年平均氣溫97 ℃，冬季平均氣溫-4.6 ℃，最低氣溫-18.5 ℃^[10]。盤錦市大洼縣城市污水處理廠日處理能力2萬m³，冬季排水水溫12～15 ℃。由此可以看出，污水中蘊藏著大量熱量可以為大棚冬季生產服務，其工藝流程如圖1。

設計計算：采用指標估算法。

根據張亞紅^[11]的研究，該方案選取大棚熱負荷為270 W/m²。

設熱負荷為270 kW；

根據公式Q=cmΔT；m=ρ V ；

經計算，最不利工況下水流量為116 m³/h。

設備選型：30 kW風機盤管，7臺；流量116 m³/h，揚程10 m抽水泵、循環泵各2臺（一用一備）；換熱量270 kW、水量116 m³/h換熱器2臺（一用一備）。

1.2 方案的實施

由圖2可知，抽水泵由污水排水口取水輸送經過換熱器換取余熱，再排到取水口下游；取水口周圍設置過濾格柵，過濾精度逐漸提高；地熱管、風機盤管分別和換熱器形成閉式循環，共用一道主管線，由循環水泵強制循環；設置溫控開關控制抽水泵和循環水泵啟停，并聯動；溫控開關設置為低于10 ℃啟動，高于11 ℃停止，溫差感溫探頭置于棚內；風機盤管均勻懸掛于棚內，采用并聯方式；地熱管由棚內向四壁逐漸加密，布置于大棚四壁內側0.8 m范圍內，地埋；與換熱器相連的主管道均采用黃夾克管地埋至凍層以下。棚內效果見圖3。

此套系統大部分熱量是由風機盤管對棚內空氣加熱，地熱在棚四壁環形布置可阻隔四周地面冷量入侵。在生產結束后應將系統排空，以防管道、設備凍壞，再次使用前重新為系統注水。膨脹補水箱在圖2中未畫出，實施時可按規范將其置于循環泵吸水口后方，高于系統3 m，注水即由水箱補水。系統中的涉及的設備和材料均為成熟產品，價格低廉、易于采購。

1.3 數據分析

方案取水量不足大洼縣城市污水處理廠日處理量的七分之一，耗電設備僅為兩臺水泵，每臺水泵功率5 kW左右，耗電量低，如某品牌水泵流量112.2 m³/h、揚程97 m、功率5.5 kW。取水流經換熱器換取余熱后回歸排水口，對水資源零消耗。

2 結果與分析

該方案從理論上論證了污水余熱大棚防凍法的可行性和經濟性。試驗證明，利用七分之一的日處理量即滿足了冬季大棚防凍的需求，仍有大部分的富余熱量可被利用，安全性很高；運轉設備僅為兩臺水泵，能耗低；核心設備為單臺換熱器，維護簡單可靠性強；系統運行不消耗自然資源、不產生排放，具有環保性；實現自動控制，無需人員管理，解放勞動力；該方法可將大棚升溫到接近水溫的溫度，對提高污水利用、促進大棚生產都有實際意義，且該方法的普遍適用性強。

3 結論與討論

在前人對冬季大棚防凍研究的基礎上，探討了利用污水余熱解決大棚防凍問題的新方法。從設計方案可以看出，如果該廠日處理2萬t污水的余熱完全被利用，可以確保7 000 m²大棚不凍。大洼縣污水處理廠位于大洼縣新園社區，屬于城郊地區，周邊300 m內就有規模化的連棟大棚，該地種植的香瓜和堿地柿子深受市場歡迎，如果能夠利用污水余熱對大棚進行防凍改造，對保證農民收益和促進當地棚菜增產增收將起到積極的作用。

污水余熱大棚防凍法是利用處理后的污水，通過換熱器換取余熱，使用地熱、風機盤管共同為大棚升溫的一種大棚防凍方法，該方法可以將大棚升溫至接近水溫的溫度，適用于寒冷地區臨近污水處理廠的大棚，是對污水余熱的一種有效利用，有利于提高農民收益。污水余熱大棚防凍是對污水有效利用和污水處理與農業生產相結合的一種新探索，它具有安全、可靠、節能、環保等特點。

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