真空废水收集系统能耗分析

作者：华中科技大学 李旻 周敬

欢迎访问e展厅 展厅 2 真空设备/泵展厅 水泵, 罗茨泵, 螺杆泵, 齿轮泵, 离心泵, ... 真空污水收集系统（VWCS）的原理是基于真空管道的压力梯度来收集生活污水并逐步运送到真空站进行集中处理。与重力污水收集系统相比，VWCS系统在某些场合是非常理想的方案。 常规的VWCS系统包括所谓的室外真空排水系统（VSS）(EN 1091:1997)以及室内排水系统（VDS）(EN 12109:1999)。自从2003年香港大型私人住宅“淘大花园”大规模爆发非典牵扯出排水系统的种种问题之后，VDS因在公共卫生方面的出色表现而开始受到更多的关注。 我们需要通过电能驱动真空泵将真空罐和管网抽真空，并且驱动排水泵将污水排出真空系统。欧标(EN 1091:1997)给出了VSS系统对能源需求的一个较大的范围。然而，此文将从理论角度分析并确定VSS系统收集污水或VDS系统冲洗卫生设施所需的能耗。尽管该问题已在过往的文献中通过从案例分析或试验台获得的统计数据得以阐释，但此文将通过VWCS系统的机理，直接剖析问题的核心。 简化的模型 假设VWCS系统的运作处于稳定状态，即当真空泵和排水泵持续在恒定速率下工作，维持了恒定的压力和真空罐液位时，进入真空罐的气体和液体流量保持不变（图1）。换言之，若考虑气体在负压(Psystem)情况下的膨胀，真空泵的吸入流量(Qvp)等于气体体积流量(Qg为在大气压 Patm下的流量)，而排水泵的流量(Qdp)等于污水的体积流量(Ql)。 能耗需求 VWCS系统的总能耗需求是真空泵和排水泵能耗的总和。对于VWCS系统可以采用不同类型的真空发生装置，这里所选用的是液环泵。对所选定的液环泵，其效率(ηvp)由其吸入压力(Psystem)所确定。所需耗能(Nvp)可以通过方程1计算得出。而排污泵的耗能(Ndp)可通过方程2计算。 假设空气-水在大气压（1.01×105 Pa）下的气液比为aatm，忽略后续压力干管用来将废水运送至处理厂或重力污水管道所需的压头，所需能耗（(Wtotal， kWh/m3，即千瓦时/每立方米废水)可由aatm、系统工作压力(Psystem)以及两种泵的效率(ηvp与ηdp)的函数推导得出： 结果和讨论 通过使用水环境联合会（Water Environment Federation）以及澳大利亚水资源服务协会（Water Services Association of Australia）所推荐的气-液比（平均为40×103 Pa），并假设典型的泵效（ηvp= 40%, ηdp = 70%），室外VSS系统的所需能耗可通过方程3计算得出。从图2可以发现，当真空污水管道的范围增加，所需能耗由0.15 kWh/m3至0.31 kWh/m3递增，而真空泵占用了大部分的能源。忽略后续压力干管和造成低性能的某些因素（如泄漏和管线均压）所产生的耗能，该能耗范围大致接近欧标(EN 1091:1997)所给出的0.2~1 kWh/m3这一典型的低值区间。 通过假设真空卫生设施典型的污水容量和气液比，能够得出室内VDS系统每次冲洗的理论能耗（表1）。图2和表1还显示，较大的气液比将导致高能耗。假设三者的气液比恒定，系统工作压力(Psystem)对系统能耗(Wtotal)的影响如图3所示。 总结 总体而言，高性能真空泵和排水泵将有效降低VWCS系统的耗能。 尽管低度真空度或较小的气液比可以缩短真空泵的运行时间以达到理想的能耗，但是真空范围的下限还是要足以开启真空界面阀，且能够将废水从管道末端运送至真空站。此外，进入系统的空气若不够充足，将增加压头的损失从而导致摩擦和静提升损失，降低管路的真空度，最终引起积水。 因此，在设计可靠和节能的真空管路系统时，压降的计算尤为关键。要精确计算压力还需要具备对流体特性的全面认识，而这个课题将成为今后研究的重点。(end)

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