污水源热泵技术介绍

城市原生污水源热泵系统技术解析报告

北京和利时恒业热能科技有限公司

二零一一年五月

目录

一. 建设污水源热泵的意义 (3)

二、污水的热能利用 (4)

三．污水源热泵的实现 (7)

四．污水源热泵系统的效益分析 (8)

一. 建设污水源热泵的意义：

（1）缓解能源消耗紧张：

在全国建筑能耗占总能耗的很大比例，而在建筑能耗中暖通空调的能耗更是占有举足轻重的位置，预测2020年我国暖通空调能耗量将达到10亿吨标煤，占总能耗的30%以上。开发利用低位可再生洁净能源是暖通空调能源消耗的新模式。可再生性清洁能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和工业余热、城市废热等等，相对其他类型的冷热源，城市污水具有独特优势，是一种理想的低位冷热源。利用污水作为冷热源对建筑进行采暖空调可以直接减少其他短缺能源的消耗，同时还可以达到废物利用的目的，是资源再生利用，发展循环经济，建设节约型社会，友好环境的重要措施。目前满液式热泵机组在蒸发器进水温度1℃以上时，机组制热性能系数也在4以上，以火力发电效率0.33计算，热泵机组的一次能源利用率大于1.33。而效率较高的集中供热系统（燃煤或燃气）一次能源利用率也仅在0.65-0.9之间。因此热泵系统节能量达50%。

（2）保护、友好环境：

我国能源消耗中，煤占70%以上，以煤为主的能源结构下，暖通空调用能是大气污染的主要因素之一。在全球空气污染最严重的10个城市中，中国占有5个，包括北京、上海、沈阳、西安和广州，北京冬季供暖期中TSP （总悬浮颗粒物）、2CO 、2SO 、x NO 等严重超标。资料表明，70%的TSP 、90%的2SO 、60%的x NO 和85%的矿物燃料生成的2CO 来自燃煤，暖通空调引起的污染物排放量占总排放量的15%以上。燃煤排放2SO 引起的酸雨污染已扩展全国整个面积的30%-40%，造成的经济损失接近国民生产总值的2%。另外，全球2CO 等温室气体的排放给人类带来重大损失，全球温暖化的经济成本是全球经济总产值（GWP ）的10%~20%。暖通空调的能源消耗给环境带来了巨大压力。原生污水源热泵空调系统是利用污水作为冷热源（夏天制冷时往污水干渠里排放多余的热量，冬天采暖时从污水里提取热量为室内供暖；因为经测量污水的温度夏天低于室外温度10度左右，冬天温度可达10-15度左右，故此可以利用此温差与室内供冷和供暖），无燃烧、无排渣、无排烟等过程，无环境污染问题。另外，污水经过换热设备后留下冷量或热量返回到污水干渠，污水与其他设备或系统不接触，密闭循环，不污染环境与其他设备或水系统。

（3）有显著经济效益：

利用污水源热泵系统供暖空调除具有重要的节能、环保意义以外，同时具有巨大的经济效益。由于热泵系统的主要能源消耗为电，因此电价费用的高低直接决定了该系统的运行成本，目前很多区域均享受民用电价，例如哈尔滨地区、沈阳地区等，我们以民用电价0.55元/度来比较热泵系统与集中供热的运行费用。以该地区建筑面积1万m2为例，供暖设计负荷按40w/ m2（实际发生量）计算，供热负荷为400kW，污水源热泵的运行费用为：

供热设计负荷÷热泵制热系数×辅助能耗系数×供暖平均负荷系数×运行天数×天运行小时数×电价=400÷4×1.10×0.7×141×24×0.55=14.3（万元）地区集中供热系统按面积分摊费用为建筑面积19.8元/ m2。每万m2建筑面积分摊费用为19.8万元。因此热泵系统较集中供热系统每万m2节省运行费用5.5万元，节省率为27.7%。当然在收取19.8元/ m2的分摊费用中，集中供热系统的热力公司也含有部分经济利润，单纯利用热泵的运行成本与集中供热的分摊费用来比较有欠妥之处。但热泵系统具有较大的一次能源节能潜力，从国民经济的角度上看，经济效益是非常显著的，因为实际的火力发电成本也就0.2~0.3元/度，而且我国冬季供暖期间电力是过剩的。

二、污水的热能利用

城市污水是一种宝贵的可再生资源，包括污水回用、污泥利用和热能回收，其中污水热能回收是城市污水资源化的重要组成部分之一。城市污水携带的热量是城市废热之一，占城市废热排放的很大比例，据调查日本城市污水废热比例占40%，我国平均比例在16%左右，经济发达地区占30%以上，随着居民生活水平的不断提高，该比例还会逐年大幅度增加。因此，要节能环保，要进行废热回收利用，城市污水是必不可少的重要的一项。另外，城市污水是通过市政污水管网排放至污水处理厂，即可通过污水干线分散利用，也可在污水处理厂集中利用建设热泵站。

2.1 污水特性分析

城市污水源热泵空调系统是利用污水流量大，水质稳定，常年温度在13℃至25℃等特点，以污水作为冷、热源进行制冷、制热循环的一种空调系统。以北京地区为例，监测资料显示，冬季城市污水的温度在12—20℃，水中蕴藏着大量的

低温热能，是污水源热泵空调较好的低温热源；夏季城市污水的温度在20—25℃之间，且日变幅较小，可以作为污水源热泵空调冷凝热量的散热体。但是城市原生污水的水质不能适应现有的水源热泵机组。由于污水成分很复杂，会造成换热器表面结垢、阻塞甚至是腐蚀的现象。由于这些现象的存在。使得换热器的传热效率降低。流体的流动阻力加大。降低换热器的使用寿命。有时甚至使换热器无法工作。

在污水利用过程中．经常出现的水质问题是结垢、腐蚀、生物生长、淤塞和起泡，这些问题都是由污水中的污染物引起。因此针对不同材质的换热器．为了保证污水的水质不影响污水源热泵系统的应用，处理主要从以下几个方面考虑。

2.1.1控制结垢

通过长时间对污水源热泵系统的监测，系统经过一段时间的运行，换热器表面会形成一层软垢，通常的稳定期在15 天左右，而控制软垢的增长可提高换热器内污水流速来进行抑制软垢的增长。另一种方法是定期清洗换热器，通过实践记录，采暖季过后或制冷期过后可定期进行清洗。

2.1.2 防止腐蚀

如果总溶解固体(TDS)的数值高就提高了水的电导性，这就造成了高的腐蚀性。另溶解的气体和高氧化状态下的金属离子也能造成腐蚀。冷却水处于酸性状态下也容易形成腐蚀。据美国得克萨斯州的Lubbock 市的Jones Station 电厂报道，当循环冷却水中存在氨离子时，氨离子转化成硝酸，使pH 值从7.4—7.9 降低到6.5 甚至更低。对此，可以加入二氧化碳，通过提高重碳酸盐碱度而调节pH 值阻垢剂(如铬酸盐、聚磷酸盐、锌离子和聚硅酸盐)能够减少污水的潜在腐蚀性。另外，热泵换热器采用抗腐蚀性强的海军铜管作为换热器的换热管，从材质上解决污水具有的腐蚀性。

2.1.3 减少淤塞

通过阻止颗粒性物质的形成和沉降能够控制淤塞。智能污水防阻机过滤网孔径2mm，只有小于2mm 的杂质才可进入热泵系统，换热直径18 mm，完全可避免换热管淤积的情况，实践也证明这一点。

2.2自主研发污水源热泵系统

基于对污水特性的研究，北京和利时公司自主研发污水专用热泵系统。在污水侧利用智能防阻机防止大颗粒污杂物进入系统，同时研发污水专用热泵机组，