污水源热泵文献综述

城市污水源热泵的探析摘 要：随着全球气候变化、不可再生能源的日益枯竭问题的日益凸显，节能与环保重要性更加突出。

城市污水作为一种清洁能源，对其所携带的废热的利用的研究受到国内外专家的关注。

污水源热泵技术作为一种新型能源技术，可充分利用污水中得废热，实现污水的资源化。

本文简要介绍了我国污水资源的现状，污水源热泵的工作原理、分类，污水源热泵系统在国内外研究现状，分析了污水热泵节能环保方面的优势,以及污水源热泵当前遇到的难题及解决方法。

关键词：节能环保； 污水源热泵； 废热利用； 经济0、前言随着经济的迅速发展、人口的增加、常规能源的大量消耗，能源供需形式日趋紧张。

能源资源短缺对世界经济发展的约束性日益突出。

据世界能源年鉴数据统计，截止到2010年，中国石油可采储量为148亿吨，占世界总量的1.1%，世界排名第14；天然气可采储量为2.8万亿立方米，占世界总量的1.5%，世界排名第14；煤炭储量为1145万吨，占世界总量的66.8%，世界排名第3。

可见中国能源储量在总量十分丰富。

但是人均水平却只相当于世界人均水平的 6.4%、5.6%、66.8%，人均资源储量非常，远远低于世界水平。

20世纪50年代以来,中国的能源工业开始发展，特别是改革开放以后，能源的开采和供给能力不断的增强，促进经济的快速发展；20世纪90年代末，能源对外开放和投入的增加缓解了能源对经济发展的制约。

1993年，中国成为石油净进口国，1996年中国成为原油净进口国；21世纪以来，能源供需形势又日趋紧张，中国经济面临着能源的严重挑战[1]。

中国能源的开采和供需面临着资源约束，特别石油是对外依存度的提高[2]。

能源的短缺严重制约着中国经济的发展，开发洁净能源和可再生能源越来越受到国内外专家学者的关注。

高污染、高耗能、低效益的发展模式不仅极大的浪费了一次性资源，对环境的污染也非常严重，因而改善能源结构、提高能源利用率尤为重要。

对开发地热能、太阳能等新能源、煤炭净化、余热回收等研究的推广称为如今的热点。

一．余热利用余热利用是指回收生产工艺过程中排出的具有高于环境温度的气态（如高温废气）、液态（如冷却水、生活废水）、固态（如各种高温钢材）物质所载有的热能，并加以重复利用的过程。

余热是能源利用过程中没有被利用的、废弃的能源，它包括高温废气余热、冷却介质余热、废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热、可燃废气废液和废料余热以及高压流体余热等七种。

我国余热普遍存在，特别冶金、化工、纺织等行业的生产过程中、城市排放生活污水中存着这丰富的余热资源。

这些余热余压以及其它没有得到利用的余能不仅造成能源的浪费，而且还污染了环境。

1.1工业余热统计数据表明，我国工业余热资源的回收率仅为33.5%[3]。

回收利用潜力巨大。

城市消耗了全球近60%的水资源，它排放的污水中的余热巨大，回收价值高。

工业余热按照能量形态分为三大类，即载热性余热、可燃性余热和有压性余热。

（1）载热性余热载热性余热指的是工业生产过程中排出的废气和物料、产物等所带走得高温热以及化学反应热等。

例如：燃气轮机、内燃机等动力机械的排气，钢厂产品所携带的热，钢厂厂冷却水、凝结水所携带的显热，炉窑产生的高温烟气、高温炉渣、高温产品等。

（2）可燃性余热可燃性余热是指工艺装置排放出来的、具有化学热值和物理显热还可以做燃料利用的可燃物。

例如焦炉气、木屑、炼油气、矿井瓦斯、油田伴生气等。

（3）有压性余热有压性余热通常又叫余压（能），它是指排气、排水等有压液体的能量。

因为工业温度的温度是衡量其质量的重要标准，而其温度的高低亦影响余热回收利用的方式，所以余热也通常按照温度高低分为：高温余热(高于650度的余热资源)；中温余热（温度在200-500度的余热资源）；低温余热（温度低于200度的气体以及温度低于100度的液体）。

1.2生活余热（1）空调冷凝热目前空调制冷系统依然是电制冷机组。

电制冷的工作原理决定了其在制冷过程中产生巨大的废热，这些废热排放到大气中构成热污染，加大城市的“热岛效应”。

据测算，一座面积5万平方米的现代建筑，冷负荷为5000KW ，而冷凝废热排放高达6500KW[4]。

如果将这些废热回收，不仅可以减少向大气中排放的废热，减少大气污染，而且可以减少能源的消耗。

（2）污水废热城市污水具有流量大，温度波动范围小，冬暖夏凉，可靠性强等优点，是一种理想的冷热源。

截止1996年底，全国600余座城市年排污总量约353亿,处理量为83亿，处理率23%。

1998年，城市污水处理量已经增加到350亿[5]。

2007年，全国城市生活污水集中处理率达到51.95%。

截止到2008年，全国生活污水排放量达到330.1吨[6]。

由上述的数据可以看出，城市污水中的废热具有巨大的资源潜能，有效的利用城市中污水的热能可以大量省去大量燃煤、燃气、燃油等锅炉放系统。

这种能源利用方式没有燃烧的过程，避免了排烟污染，既节约了能源，减缓能源危机的压力，并且对环境没有任何污染。

据日本东京地下水道局的测算，如按照东京区10个污水处理厂的污水量计算，可利用电能约,相当于KW 的电采暖或的液化气的热值[7]。

我国每年污水排放量约为464[8],可以利用的热量可供采暖空调面积为5亿立方米以上[8]。

根据以上所述，污水中含有大量的可用废热，且作为一种清洁能源，对环境没有污染，节约能源，因而具有很大的研究价值。

1.3中国城市污水源现状随着经济高速的发展，我国城市化进程加快，城市污水排放量增大。

1997，我国城市污水排放量为189亿吨，占总废水排放量的45.4%。

2008年我国城市污水量达到330亿吨，占总废水量的57.7%[9]。

在这种背景下，合理地开发适合城市污水中的废热资源具有重要的意义。

城市污水分为三大类：原生态污水、一级污水、二级污水。

原生态污水指未经过任何处理的污水。

一级污水指经过格栅截留、沉淀、离心分离等物理方法去除污水中的悬浮物，砂砾等物质后的污水。

二级污水指经过大幅度去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物生物处理后的污水。

城市污水具有以下特点特点：（1）.水温稳定。

城市污水冬暖夏凉，常年水温稳定，污水温度在冬季比环境温度高15-20度；夏季比环境温度低10-15度，因而是良好的热冷源。

（2）.污水资源大，可利用热量大。

全国每年排放的城市污水接近600亿吨，使用每一立方米的水温降低亿吨较一立方米的空气多放出1.16KW 的热量。

（3）.水质。

城市污水排放后，其自身含有的悬浮物、油脂类物质对管路、换热设备造成污染和堵塞。

城市污水涉及到两个问题，一是大尺度污染物（如塑料袋、废纸）对系统的堵塞；二是小尺度污染物（如固体颗粒与纤维状杂物）堆流动与换热的影响[10]。

二．热泵技术的发展及分类2.1热泵技术的发展1854年，热泵技术被提出后，经历了曲折的发展过程。

随着能源危机和全球变暖的环境压力日益增强，热泵技术以其优越的节能环保性能受到世界各国的关注。

从20世纪90年代开始，热泵发展总体处于上升趋势，21世纪以来，热泵技术的发展和推广进入了高速发展的阶段。

我国各种低温余热资源丰富，各产业余热资源占燃料消耗量的17%-67%，其中可回收利用的占余热资源总数的60%[11]。

因而，利用热泵技术对余热进行回收利用，可以缓解能源危机，具有巨大的节能潜能。

热泵不仅能够利用余热资源，它还可以与清洁的太阳能热利用系统有机结合，实现优势互补，进一步降低能耗[12]。

热泵技术作为节能减排的一种技术，具有广阔的推广前景。

它的推广也会给国家和企业带来节能和环保效益。

随着热泵技术的发展，它在生活中的应用越来越广。

生活热水供应以及热水采暖是热泵技术在供暖方面的一项重要应用。

作为一种新型的热水系统，热泵热水器相比于电热水器、燃气热水器具有高效节能、环保、经济、安全等优点。

同太阳能热水器系统相比，热泵热水系统虽然消耗一定量的电能，但是它受气候影响较小，且可以全天候运行。

随着建筑生活热水供应及采暖方面的能耗的日益增加，热泵热水系统的应用得以推广[13-14]。

热泵干燥是近年来热泵系统技术应用于加工生产的主要方面之一。

20世纪70年代以来，美、日、法等过就开始了对热泵干燥技术的研究。

热泵干燥相对传统干燥技术，其干燥温度接近于自然干燥，因而用其来干燥粮食、水果（例如荔枝、龙眼等）、鱼类等，能够充分保持被干燥物的品质。

节约能源是热泵干燥的初衷。

热泵干燥技术相比于传统的干燥机组节能50%左右。

热泵技术在暖通方面的应用也很广泛，例如：通过四通换向阀的切换，空气源热泵即可应用于冬季制热也可应用于夏季制冷。

换热器结霜问题是影响其推广的重要因素，但是随着近年来，醉着蒸发器除霜技术的逐渐成熟，热泵技术在冷暖空调方面的应用也越来越广泛[15-16]。

2.2热泵的分类热泵按其热源来分主要有：水源热泵、地源热泵、空气源热泵和复合热泵。

2.2.1 水源热泵水源热泵是利用水作为冷源的热泵。

水源热泵是通过输入少量高品位能源，实现低温位热能向高温位热能转移的目的。

其系统如图1所示。

地下水、地表的河流、湖泊海洋等千层水源富含太阳辐射的能量，在冬季可以借助水源热泵，通过输入少量的高位电能，使其中的低温热能向高位热能转换，可以用来加热生活用水等。

水源热泵具有高效节能、节水省地、环保效益显著、维护方便等优点，应用范围广泛。

目前，水源热泵技术发展迅速。

例如：瑞典有40%的建筑物采用热泵技术供热，其中10%是采用污水处理厂的出水[17-18]。

图1 水源热泵系统2.2.2 地源热泵地源热泵是以土壤、地下水作为低温热源，是低品位热能向高品位热能转移的一种装置。

其系统如图2所示。

20世纪70年代以前，地源热泵因为初投资、能源价格等原因，一直发展缓慢。

在进入21世纪后，才得以迅速发展。

我国地源热泵的推广和应用起源于20世纪90年代，但是热泵以其优越的性能在我国迅速发展。

地源热泵系统的关键组成地埋管方式有水平埋管、竖直埋管、桩埋管等[19-21]，前两者为常用埋管形式。

水平埋管是在浅层土壤中水平埋设管道，特点是，埋设深度浅、占地面积大、施工简单、初投资较低；竖直埋管是指在地层中竖直穿孔埋设到地下，特点是：埋管具有较深的敷设深度、深层土壤具有较为恒定的温度，受地表温度的影响小，因而较前者具有较好的换热能力，但是初投资大。

图2 地源热泵系统2.2.2 空气源热泵空气源热泵是一种以室外空气为冷源的热泵，通过利用空气中的能量来产生热能。

空气源热泵按照逆卡诺原理工作，通过制冷压缩机按热泵方式将空气中的低品位热能升为高品位热能。

其系统图如图3 。

空气源热泵使用方便，运行管理安全，初投资相对较低，但是当室外空气相对适度大于70%，温度在3°C-5°C之间时，机组室外花惹起就会结霜，使得系统的COP和可靠性下降[11]。