污水源热泵系统介绍

污水源热泵系统介绍
供热空调的能源消耗占社会总能耗的比例大达30%，而环境污染的20%也是由供热空调燃煤引起的。

因此，采用热泵技术，开发低位的、可再生的清洁能源用于建筑物的供热空调意义重大，是建筑节能减排的有效途径之一。

这些能源包括：大气、土壤、地下水、地表水、工业余热及城市污水等等。

其中污水在数量（水量）、质量（水温）及分布规律上（地理位置）具有明显优势。

预计2010年我国污水排放量达720亿t/a，水温全年在10-25℃之间，按开发50%的水量计算，可供热空调的面积至少在5亿㎡以上。

另外，原生污水均匀地分布在城市地下空间，为因地制宜地有效利用及建设分散式的热泵供热空调系统创造了有利条件。

而地表水源在南方水源丰富的地区以及沿海城市更具有广阔的应用前景。

1 热泵原理
各类低位的清洁能源利用是通过热泵技术实现的。

热泵空调技术是根据逆卡诺循环原理，将低温热源或低位能源（如城市污水、地下水等）中的低品位热能进行回收，转换为高品位热能的一种节能与环保性技术，利用这项技术的逆过程同时还可以达到制冷的目的，是以存在合适的低位能源为必要条件的。

3-膨胀阀
图1 热泵工作原理示意图
图1示意了一种水源热泵向建筑物供热的工作原理。

所谓水源热泵，就是指以环
境中的水（污水、地表水、地下水等）作为热源。

热泵工质（例如氟利昂）在压缩机1的驱动下，在压缩机1、冷凝器2、膨胀装置3、蒸发器4几个主要部件中循环运动。

工质的热力性质决定了蒸发器中的工质温度可以保持在例如2℃（称为蒸发温度）左右，而冷凝器中则为60℃（称为冷凝温度）左右。

这里的水源虽然在冬季可能仅为11℃，但却可以作为热泵系统的热源，因为当将它引入温度为2℃的蒸发器时，它必然要把自身中的热能（称为内能）交给机组，变为例如6℃排放出去。

获取了水源热能的工质被压缩机压缩到例如60℃，在冷凝器中加热来自建筑物的系统循环水，由该水将热量带到建筑物的散热设备中。

总的来看，热泵能够从常温或低温（11℃）的环境中提取热量，以较高的温度（50℃）向建筑物供热。

过程中机组每消耗1份高位能源（例如电能），能够从环境中提取3份以上的温差热量，建筑物实际可以得到的热量则为4份以上。

然而热泵技术应用的关键问题已不是热泵机组的效率有多高，而是需要有合适的低位能源或低温热源，以及整个系统的全面高效低能耗运行，以保证节能性。

2 污水源热泵
污水热泵是以污水（包括地表水）作为低温热源，利用热泵技术回收或提取污水中的低温热能，其中污水包括市政管网中未处理的原生污水、污水处理厂已处理污水，地表水包括江河湖水、海水及污水处理后的再生水。

由于污水及地表水的水质条件较差，利用过程中又是开式循环，悬浮物和杂质成迅速的累积过程，因此提取热量时需要解决防堵、防垢及低能耗运行等一系列可能影响到系统的运行效果、运行维护、投资、运行费的相关问题。

2.1 污水特性
2.1.1 污水源流量特性—量大且稳定
我国主要城市日污水排放量极其可满足供暖面积
注：△t=5℃
2.1.2污水温度特性—冬暖夏凉
冬季，即使在严寒地区，污水温度也在10－18 ℃以上，是丰富的热源；夏季污水温度20－28 ℃，是废热理想的排放处。

2.1.3 科学能源配置的需求
城市污水分布与人口及城市工业化程度基本成正比，将城市污水作为一种新能源，在优化能源结构的同时，还能有效缓解能源缺乏及分布不均匀的问题。

2.2 污水源热泵系统优势
高效节能该项目消耗约25%的电能即可提取75%以上的污水热能，得到100%的供热热能，系统能耗模式如图2所示。

使电能的利用率提高到4倍，若按火力发电0.33的效率计算，系统的一次能源利用率高达1.33，再高效的锅炉效率也在0.9以下，考虑辅助能耗及热损耗，污水热泵空调系统的一次能源的节能幅度达45%以上。

.另外，就具体项目本身而言，由于一套系统冬夏两用，全年供应卫生热水，具有显著的经济效益。

较燃煤锅炉加冷水机组、城市热网加冷水机组、直燃机组等供热空调方式相比，节省初投资及运行费用均在25%以上。

图2 污水热泵供热空调系统能耗模式示意图
经济环保系统70%以上的能量是来自于大自然或废弃物，无须“付费”，30%以下的能量来自耗电，不污染环境，不消耗任何水源，不向空气中排放任何有害气体。

同时，CO2、NOx、SO2及粉尘的排放量也相应减少45%以上。

效果稳定全年污水的温度相对稳定，受环境温度的影响很小，因此其制冷制热效果稳定
安全可靠可靠的保护系统、监护系统，没有任何安全隐患
一机三用供暖、供冷、供生活热水，一套系统可以代替原来的锅炉+空调两套装置
初投资低较地下水源、土壤源以及其他常规系统，初投资要低
2.3 污水源热泵特点
污水作为低位热源或冷源有三个明显的特点，即“防堵塞”、“非清洁”与“小温差”换热，这三个特点都集中在污水循环子系统内，妥善地解决好污水循环是系统的关键换热技术，而三个循环子系统的合理有效匹配是保证系统高效低能耗运行的另外一个关键配置技术。

2.3.1防堵塞。

未处理原生污水中含有大尺度悬浮物，包括纤维状的发丝类、纸屑类、藻状类，普通的换热设备是根本无法承受的。

而实践证明：已处理污水和地表水中的
悬浮物含量相对较少，尽管与未处理原水不在同一数量级，但随着运行时间增长，堵塞问题也立即突现，原水的堵塞时间为1~3d，而地表水则为7~10d。

图3是未处理原生污水的堵塞现象，图4是已处理污水的堵塞状况。

图3 未处理原生污水的堵塞现象
图4 已处理污水的堵塞状况
2.3.2 非清洁。

污水（未处理原生水）中含有大量的小尺度悬浮固体、油类，以及溶解与非溶解化合物，很容易造成换热面的“瞬时污染”（2~3d），换热器内换热面上的软垢增长速度快，成分复杂（油膜、生物膜、颗粒等粘泥），严重地增大热阻，降低传热效果，并增大流动阻力，使流量减少，换热工况严重恶化。

已处理污水与地表水（江河湖海水）属同类，与未处理原水相比，相对清洁，但水源的利用为开式循环，小时流量数百至上千立方米，污染成迅速的累积过程，易“短时污染”（7~10d），因此对热泵系统或换热过程也是“非清洁”的水源。

图5 某污水源热泵工程换热器热热量衰减幅度图
2.3.3 小温差。

我国大部分地区的冬季时段，污水水温15℃以下，地表水7℃以下，渤海与黄海近海域水温3℃左右，提取水源的显热热能温差在2~6℃范围内。

这使得换热设备的传热温差非常小，例如污水15℃降至10℃，中介介质由6℃升至11℃，则平均传热温差4℃左右；若海水由3℃降至0℃，中介介质由-2℃升至1℃，则平均传热温差2℃左右。

如此小的取热温差，要求的水源水量则很大，对“非清洁”引起的污染问题就更不利。

而更小的传热温差，则需要增大换热面积或换热设备的数量，这不仅加大系统的建设投资，而且又增加了换热器的维护工作量。

防堵塞是系统的基本功能要求，污水循环若不具备防堵的能力，则系统根本不能运行，而非清洁则需要防污垢，防污垢与小温差换热直接影响到系统的经济性和维护操作的难易程度与工作量。

3 污水源热泵发展历程
2003年我国第一套间接式污水源热泵系统在哈尔滨望江宾馆成功应用，至此间接式污水源热泵系统步入了人们的视野。

现在市场上绝大部分的污水源系统都为间接式的。

随着污水源技术的发展，2009年世界上第一套直接式污水源热泵系统在北京悦都酒店成功投入使用。

3.1 间接式污水源热泵系统
即污水通过中间换热装置，将热量传递给清水（中介水），再将清水（中介水）输送到热泵机组中进行换热的系统。

间接式污水源热泵系统分为两种，第一种为防阻机+壳管换热器（或宽-宽板式换热器）+热泵机组，第二种为智能自清防堵塞热能采集器+热泵机组
3.1.1防阻机+壳管换热器（或宽-宽板式换热器）+热泵机组间接式污水源热泵系统
第一种系统配置：一级污水泵+防阻机+二级污水泵+污水专用壳管式换热器+中介水泵+热泵机组
优点：污水不直接进入热泵机组，从而避免了热泵机组的堵塞
缺点：1、由于设备配置比较多，系统设计和安装都相对复杂；
2、初投资高，机房占地面积大；
3、由于有了中间换热装置，致使热泵机组的能效比降低；
4、由于存在了3台水泵，使整个系统的耗功增加，系统能效比降低。

第二种系统配置：一级污水泵+防阻机+二级污水泵+宽-宽流道式污水专用板式换热器+中介水泵+热泵机组
优点：1、污水不直接进入热泵机组，从而避免了热泵机组的堵塞；
2、由于板式换热器的换热系数高，其占地面积相对于壳管换热器小。

缺点：1、由于设备配置比较多，系统设计和安装都相对复杂；
2、初投资高，机房占地面积大；
3、由于有了中间换热装置，致使热泵机组的能效比降低；
4、由于存在了3台水泵，使整个系统的耗功增加，系统能效比降低。

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3.1.2 智能自清防堵塞热能采集器+热泵机组间接式污水源热泵系统
系统配置：污水提升泵+原生污水智能自清式热能采集器+中介水泵+热泵机组
优点：1、污水不直接进入热泵机组，从而避免了热泵机组的堵塞；
2、由于减少了防阻机和二级污水泵，其占地面积相对于防阻机式间接式污水源系统小。

3、减少了二级污水泵，其系统能效比相对于防阻机式间接式污水源系统高。

缺点：1、由于设备配置比较多，系统设计和安装都相对复杂；
2、初投资高，机房占地面积大；
3、由于有了中间换热装置，致使热泵机组的能效比降低；
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3.2直接式污水源热泵系统
即污水不通过中间换热装置，直接进入专用的污水源热泵机组进行换热的系统。

系统配置：一级污水泵+防阻机+二级污水泵+原生污水专用热泵机组
原生污水由一级污水泵提升，经过智能污水防阻机过滤后，进入原生污水专用热泵机组；在机组提温（或降温）后，流经污水防阻机并携带污杂物回到污水干渠。

优点：
1、设备配置少，系统配置简单；
2、节省了换热器的投入，减小设备占地面积，并降低机房初次投资费用和运行费用；
3、避免了二次换热时热量损失，提高了系统能效比；
4、机组冷热工况的转换是通过冷媒切换完成，省去了管线切换的安装费用，并解决了使用端与污水系统污染的问题。

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4 污水源专利产品介绍
4.1 防阻机
第一代防阻机是从哈尔滨望江宾馆的污水采集发展而来，其原理是过滤面连续再生。

图6 望江宾馆干渠取水点图7 过滤面连续再生原理图
图8 第一代防阻机图9 第一代防阻机原理图
随着污水源技术的不断发展，北京瑞宝利热能有限公司已经将污水防阻机发展到第七代智能防阻机。

第3代：混水、混温
第5代：消除了混水、混温，智能自控；但是体积大，耗功大，过滤精度不高第6代：体积小、无混水、智能自控、过滤精度高，但是耗功大(与第7代相比）第7代：耗功小、体积小、无混水、智能自控、过滤精度高
4.1.1 第七代智能防阻机概况
第七代智能污水防阻机主要解决原生污水直接进行换热存在污水中的污杂物堵塞
换热管这一技术难题。

第七代智能污水防阻机的特点主要为内部采用活塞式挤出式的原理，图10所示为其外观图。

其原理为原生污水进入设备内部后，水与杂物进行分离，分为相对独立的两个通路，并利用污水回水将容污区内将污杂物冲回干渠中，保证污水正常进行换热。

图10 活塞式挤出型污水防阻机
4.1.2 第七代智能防阻机原理
应用原理：原生污水从污水进水口（17）进入内筒过滤区（18），经过滤网（3）过滤后由过滤水出口（4）进入换热设备进行换热，换热后的过滤水由过滤水进口（9）进入冲洗区（11），冲洗容污区（14）内污杂物，并携同污杂物由污水出水口（15）排出。

减速电机（1）带动螺旋推杆（6）旋转，可将内筒过滤区（18）过滤后遗留的污杂物推向容污区（14），由内筒活塞（16）、容污区（14）、冲洗区活塞（13）、活塞拉杆（12）组成活塞运动构件，由电动推杆（19）带动往复运行，内筒活塞（16）与螺旋推杆密封（7）紧密接触，时时进行密封，防止原生污水进入螺旋推杆内区（23），冲洗区活塞（13）与活塞密封（8）紧密接触，时时进行密封，防止原生污水进入冲洗区（11）。

活塞运动构件往复进行运动，受上限位开关（21）和下限位开关（22）控制，容污区（14）运动至内筒过滤区（18）时，螺旋推杆（6）将过滤后遗留的污杂物推进容污区（14）内，此时连杆触动上限位开关（21），活塞运动构件转变方向，反向运动。

容污区（14）进入冲洗区（11）后，换热后的过滤水由过滤水进口（9）进入冲
洗区（11），冲洗容污区（14）内污杂物，并携同污杂物由污水出水口（15）排出。

图11 第七代智能污水防阻机剖面图
图11所示，1-减速电机；2-轴承座；3-过滤网；4-过滤水出口；5-外筒过滤区；6-螺旋推杆；7-螺旋推杆密封；8-活塞密封；9-过滤水进口；10-外密封装置；11-冲洗区；12-活塞拉杆；13-冲洗区活塞；14-容污区；15-污水出水口；16-内筒活塞；17-污水进水口；18-内筒过滤区；19-电动推杆；20-主体；21-上限位开关；22-下限位开关；23-螺旋推杆内区；24-连杆。

4.1.3第七代智能污水防阻机技术特征：
1、过滤网采用不锈钢无缝钢管（壁厚10mm，加工完成后为5~6mm）人工钻2mm 直径的圆孔，通过实践工程，结出污杂物影响机组正常运行的主要原因在于绒泥通过过滤装置多少及其大小，先期过滤网为梯形孔，长×宽=10mm×2mm，截面积是现有的2mm圆孔的6.37倍，所以对机组运行有一定的影响。

实践也证明，新一代的防阻机也确实解决了这一问题。

2、从原理上，彻底解决了原生污水连续过滤、无堵塞换热的世界性技术难题，并从节构上最优化设计，增加了加工难度，解决内部混水、混温的现象，并采用智能化控制系统，温度监控系统、报警保护系统，外型美观等优点。

3、螺旋推杆（6）螺旋侧壁镶有螺旋切刀，螺旋切刀的主要作用将过滤网壁粘连的污物进行连续切割，使过滤网网孔连续再生，达到充分过滤污物的目的。

螺旋切刀的材质选用弹簧钢，保证螺旋切刀的耐磨性。

4、第七代智能污水防阻机内部密封均采用间隙密封。

4.2 直接式污水源热泵机组
污水源热泵直接式系统较间接式系统有以下两个明显优势：
无中间水循环系统，系统简洁，机房面积小，节省设备初投资、设备安装费用及机房土建成本；
由于无中介水循环，避免了二次传热所产生的热品位损失，冬季时提高了机组蒸发温度，夏季降低了机组冷凝温度，因而热泵机组运行效率高较间接式COP高5%；无中介水循环泵，系统综合效率较间接式高10%以上，亦即系统运行费用较间接式低10%以上；
针对污水这一特殊冷热源、直接式污水热泵机组在结构上作了如下设计：
（1）直接式污水源换热泵机组的污水换热器为特殊构造：
换热管为铜镍合金管，该换热管耐腐蚀；
换热管管内流经污水，管子内壁为平滑结构，污垢物难以附着；
在换热器设计时，管内污垢系数按照清水数倍设计，换热面积大于普通水源热泵机组；
污水换热器端盖为铰链结构，清洗时可方便打开。

（2）对于制冷制热型污水热泵机组，为了方便客户日常操作，简化机房管路系统，将冷暖切换做成了氟路换向：
制冷制热转换时只需将机组氟路的八个阀门开关反过来，即完成了冷暖切换在系统和结构设计上，做到了污水换热器换热器既可冬天作为蒸发器，又可夏天作为冷凝器。