污水源热泵技术及其应用

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减少 ＣＯ２ 的排放量 １３％， 减少 ＮＯｘ 排放量 １３％。 ２ 结论
①驱动能源的消耗方面， 燃气和空气源热泵 系统耗能最少， 污水源热泵系统与地源热泵系统 则较高， 但考虑其综合经济效益， 当功率低于 ２５０ ｋＷ 时， 电动热泵比燃气热泵的效益好。
② 假 定 电 力 增 容 费 、燃 气 增 容 费 不 计 算 在 系统初投资内， 污水源热泵的初投资为 １ １８３．８１ 元 ／ｋＷ， 燃 气 和 空 气 源 热 泵 的 最 少 ， 仅 为 ５２２．２ 元 ／ｋＷ， 而 地 源 热 泵 系 统 的 最 多 ， 达 到 １ ６４０．９３ 元 ／ｋＷ。由 此 可 见 ， 地 源 热 泵 系 统 的 初 投资是燃气和空气源热泵系统的 ３ 倍多， 而污 水源热泵系统的初投资仅为地源热泵系统的 ７０％ 左 右 。
根据北京高碑店污水处理厂的污水源热泵系 统试验工程测得的数据， 与燃气和空气源热泵系 统、地下水水源热泵系统相比， 污水源热泵系统的 运 行 费 用 最 少 ， 在 投 资 有 效 期 （ 取 ２０ ａ） 内 ， 污 水 源热泵系统的总运行费用大约是地下水水源热泵 系统的 ７０％左右， 是燃气和空气源热泵系统运行 费用的 ４５％左右。
统简单， 初投资较低， 其主要缺点是在夏季高温和 冬季寒冷天气时， 热泵的效率大大降低。系统制热 量随室外空气温度降低而减少， 这与建筑热负荷 需求趋势正好相反。此外， 在供热工况下空气源热 泵的蒸发器上会结霜， 需要定期除霜。
方案三采用地源热泵系统。该系统大大提高 了一次能源的利用率， 具有高效节能的优点［３］。迄 今为止， 制约该系统在我国应用的主要障碍是地 下埋管的初投资较高， 政府、建筑设计人员和公众 对这一技术还缺乏了解。
全 ， 我 们 应 该 树 立 和 落 实 互 利 合 作 、多 元 发 展 、协 同
保 障 的 新 能 源 安 全 观 。一 是 要 加 强 能 源 开 发 利 用 的
互 利 合 作 。确 保 稳 定 的 可 持 续 的 国 际 能 源 供 应 及 合
理 的 国 际 能 源 价 格 。二 是 要 形 成 先 进 能 源 技 术 的 研
DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2006.05.028
实用技术
ＲＥＮＥＷＡＢＬＥ ＥＮＥＲＧＹ Ｎｏ．５ ２００６ （１２９ Ｉｓｓｕｅ ｉｎ Ａｌｌ）
污水源热泵技术及其应用
李 洪， 曲云霞 （ 山东建筑大学 热能工程学院， 山东 济南 ２５０１０１）
摘 要： 介绍了污水源热泵的特点。通过对空气源热泵、地源热泵和污水源热泵等不同采暖系统的经济性和环 保效果分析显示， 污水源热泵系统的初投资为地源热泵的 ７０％左右。综合考虑初投资和运行费用等因素， 污水 源热泵系统的经济效果和环保效果最为显著。 关键词： 污水源热泵； 节能； 环保 中图分类号： ＴＥ０８ 文献标志码： Ｂ 文章编号： １６７１－ ５２９２（ ２００６） ０５－ ００９０－ ０３
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｅｗａｇｅ － ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐｓ ａｎｄ ｓｅｗａｇｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｉｎ ｃｈｉｎａ． Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ａ ｆｅｗ ｅｘａｍｐｌｅｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｓｅｗａｇｅ－ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ＇ｓ ｈｅａｔｉｎｇ ｉｎ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｓ ｅｘａｍｐｌｅ， ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｈｅａｔｉｎｇ， ｓｕｃｈ ａｓ ａｉｒ－ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐｓ， ｇｒｏｕｎｄ－ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐｓ ａｎｄ ｓｅｗａｇｅ－ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐｓ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｅｗａｇｅ－ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｒｅ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｉｎ ｅｎｅｒｇｙ－ ｓａｖｉｎｇ， ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｓｅｗａｇｅ－ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ； ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ； ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
图 １ 污水源热泵系统原理图
在冬季循环中， 换热器 １ 作为冷凝器， 工 作系统中的循环工质经压缩机压缩后， 变成高 温高压的热蒸气， 流经换热器 １ 与循环水进行 热交换， 放出热量为用户提供热水供热； 同时， 热蒸气冷凝成为液态工质， 经膨胀阀的降压节 流转变为低温低压的液态工质， 经换热器 ２ 与 中水进行热交换； 工质吸收污水中的热量后温 度升高， 蒸发为低温低压的气态工质， 被吸入 压缩机进行压缩。至此， 工质进行下一个工作 循环。通过这样的循环过程， 工作系统可以将 污水中的低位热能转化为可以直接利用的高 品位热能。
树立新能源安全观 确保合理能源价格
国家主席胡锦涛在俄罗斯圣彼得堡举行的八国 集团同发展中国家领导人对话会议上， 就全球能源 安全问题着重作了阐述。
胡锦涛强调， 全球能源安全关系各国的经济命 脉 和 民 生 大 计 ， 对 维 护 世 界 和 平 稳 定 、促 进 各 国 共 同 发 展 至 关 重 要 。每 个 国 家 都 有 充 分 利 用 能 源 资 源 促进自身发展的权利， 绝大多数国家都不可能离开 国 际 合 作 而 获 得 能 源 安 全 保 障 。为 保 障 全 球 能 源 安
在夏季循环中， 利用四通阀和单向阀的换 向作用， 循环工质在工作系统中的流向恰好与 冬季相反， 故换热器 ２ 作为冷凝器， 换热器 １ 作 为 蒸 发 器 。工 质 经 过 类 似 冬 季 的 循 环 过 程 后 ， 吸 收室内的热量， 然后释放到污水中， 从而达到制 冷的目的。
方 案 二 采 用 上 海 某 厂 家 生 产 的 ＳＡ－ ３０ＣＤＨ 型双机风冷热泵机组， 其制冷性能系数为 ２．５６， 供 热性能系数为 ２．９６。
０ 引言 城市污水中所赋存的热能是一种可回收和利
用的清洁能源， 弃之为废， 用之为宝。因此， 在对城 市污水进行处理的同时利用其中的热能， 是城市 污 水 资 源 化 利 用 的 有 效 途 径 ［ １］ 。
污水处理厂的出水量大， 水质稳定， 常年温度 在 １３～２５ ℃， 污水源热泵是以污水作为热源进行 制冷、制热循环的一种空调装置。污水源热泵具有 热量输出稳定， ＣＯＰ 值高， 换热效果好， 机组结构 紧凑等优点。 １ 污水源热泵技术的应用
收稿日期： ２００５－ １１－ １４。 作者简介： 李 洪（ １９８０－ ） ， 女， 山东泰安人， 硕士研究生， 研究方向为污水源热泵模型与仿真。Ｅ－ ｍａｉｌ： ｌｉｈｏｎｇｎｖ＠ｓｄａｉ．ｅｄｕ．ｃｎ
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可再生能源 ２００６．５（ 总第 １２９ 期）
实用技术
成熟。 方案二采用燃气／空气源热泵系统。本方案系
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｅｗａｇｅ－ ｓｏｕｒ ｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐｓ
ＬＩ Ｈｏｎｇ， ＱＵ Ｙｕｎ－ ｘｉａ （ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｊｉｎａｎ ２５０１０１， Ｃｈｉｎａ）
ｋ＝Ｋ／Ｎ 式中： ｋ— ——单位负荷设备投资量， 元／ｋＷ；
Ｋ— ——设备投资费用， 元； Ｎ— ——系统工作负荷能力， ｋＷ。
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各系统主要设备初投资量见表 ２。
表 ２ ３ 种方案的初投资比较
初 投 资 费 用／元·ｋＷ－ １
设备名称
污水源热 燃气和空 地源热
泵系统
气源热泵 泵系统
竖井费用
４７．７８
热泵系统
９１３．３３
３９９．３４ ４３２．６２
竖井及土壤热交换器
１ ０２８．５７
换热器
２５６．８２
１０９．２０ １１８．３０
循环水泵
本文以山东建筑大学某教学楼为例， 分别采 用空气源热泵、地源热泵和污水源热泵 ３ 种不同 的供暖方式， 充分验证污水源热泵系统的经济性 和环保特性。
方案一采用污水水源热泵系统。本方案可以 充分利用学校的中水系统， 利用中水管线将水输 送到用户处， 采用半集中式系统进行供热。该系统 工程建设期短， 运行稳定， 工作性能较好， 操作简 单， 无须设专人管理。但是该技术目前在我国还未
ｑ＝（ Ｑｘ＋Ｑｄ） ／Ｗ 式中： ｑ— ——单位负荷耗能量， ｋＪ／ｋＷ；
Ｑｘ— ——夏季制冷耗能量， ｋＪ； Ｑｄ— ——冬季供热耗能量， ｋＪ； Ｗ— ——年累积工作负荷量， ｋＷ。 方案一中， 与污水直接接触的换热器采用沉 浸式换热器， 另一换热器则采用常用的壳管式换 热器， 其工作原理如图 １ 所示。
据有关资料显示， 污水源热泵系统与地源热 泵系统的运行费用都仅为普通中央空调系统的 ５０％￣６０％［４］。 １．４ 排入环境的 ＣＯ２ 和 ＮＯｘ 量
据文献［５］介绍， 与传统空调方式相比， 污水源 热泵集中空调系统， 可减少 ＣＯ２ 的排放量 ４０％￣ ５１％， 减少 ＮＯｘ 排放量 ３６％￣４９％； 分散空调系统可
该工 程 空 调 面 积 约 １ ０００ ｍ２，在 各 方 案 的 比 较 过 程 中 ， 取 济 南 市 的 暑 期 为 ９０ ｄ， 供 热 期 为 １２０ ｄ。 １．１ 各方案的耗能情况
耗能是指系统为设计负荷提供能量时所消耗 的外界能量（ 如电能、天然气等） 。该工程中， 各方 案的耗能情况以平均单位负荷耗能量为计量单 位， 计算公式为
１３．６６
１３．６６
１３．６６
电力增容费
２５９．３６
２５９．３６
天然气增容费
１ ３４９．９９
合计 不计增容费 １ １８３．８１
５２２．２０ １ ６４０．９３
计入增容费 １ ４４３．１７
１ ８７２．１９ １ ９００．２９
１．３ 运行费用比较 根据日本某公司对不同供冷（ 供热） 方式的经
济分析结果， 污水源热泵系统与传统的制冷加锅 炉 系 统 相 比 ， 可 节 约 ４０％的 运 行 费 用 ， 比 空 气 源 热泵系统节约 ３０％［２］。
３６０．１０ ３２８．６５ ３１．４５
０．１４１
Βιβλιοθήκη Baidu
地源热 泵系统 ４１９．８５ ２８４．３８
５５．６４ ７９．８３
１．２ 各种系统主要设备的初投资 初投资是指技术方案中各部分设备的初
投 资 之 和 ， 主 要 包 括 ： 土 建 费 、设 备 购 置 费 、安 装 费 及 其 它 费 用 等 。以 单 位 负 荷 能 力 的 投 资 量 计算
发 推 广 体 系 。 探 讨 建 立 清 洁 、安 全 、经 济 、可 靠 的 世
界 未 来 能 源 供 应 体 系 。三 是 要 维 护 能 源 安 全 稳 定 的
良好政治环境。共同维护产油地区的稳定， 确保国
际能源通道安全。
（ 摘自人民网）
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方案三采用竖井埋管和水／水热泵机组系统， 埋管总长为 １ ６００ ｍ。
各方案耗能情况统计如下表 １ 所示。
表 １ ３ 种方案的耗能情况表
能源种类
年耗能量／１×１０６ ｋＪ 热泵机组 循环水泵 竖井水泵 天 然 气 耗 量／ｍ３·ｈ－ １
污水源热 泵系统
３６８．４７ ３１２．８３ ５５．６４
方案类别 燃气和空 气源热泵
对于城市污水中低位能源的开发利用， 前苏联 和北欧等区域供热较发达的国家对此方面的研究比 较活跃。由于能源危机及环境问题的日益突出， 美 国、日本、德国等发达国家都纷纷投入大量的财力和 人力进行此项研究， 并取得了一定的发展。
我国的污水源热泵应用目前还刚刚起步。北 京高碑店污水处理厂、北京北小河污水处理厂、河 北秦皇岛污水处理厂和哈尔滨马家沟截流渠污水 项目等分别在这方面进行了有益的尝试， 且运行 效果良好。但目前应用的供热供冷面积较小， 与污 水中含有的巨大能量相比不成比例， 污水源热能 利 用 是 大 有 潜 力 的 ［ ２］ 。