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。