科 技 動 態(tài)
第 十 期
青島水務集團有限公司科技中心
污水源熱泵技術專刊
污水源熱泵，主要是以城市污水作為提取和儲存能量的冷熱源，借助熱泵機組系統(tǒng)內部制冷劑的物態(tài)循環(huán)變化，消耗少量的電能，從而達到制冷制暖效果的一種創(chuàng)新技術。與其他熱源相比，污水源熱泵的技術關鍵和難點在于防堵塞、防污染與防腐蝕。
1、發(fā)展
據(jù)統(tǒng)計，全球煤炭預計可采200年，石油可采30-40年，天然氣可采60年，在全球能耗以每年5%的增長速度下，化石燃料能源預計還能使用一二百年，世界能源短缺形勢嚴峻;我國人均能源貧乏，人均擁有量僅為世界平均值的1/2和美國的1/10。能源短缺問題更加嚴重。節(jié)約用能和開發(fā)新的能源已經(jīng)成為全人類共同面對的迫切問題。我國已將節(jié)約資源和保護環(huán)境作為基本國策，將其提高到關系人民群眾切身利益和中華民族生存發(fā)展的高度，放在工業(yè)化、現(xiàn)代化發(fā)展戰(zhàn)略的突出位置，要求落實到每個單位、每個家庭。
能源與環(huán)境是可持續(xù)發(fā)展的兩大主題，目前以燃燒石化原料為主的建筑物供暖空調不僅能耗量大，而且對環(huán)境造成極大污染。城市污水是由工業(yè)廢水和生活污水組成，水量巨大，是一種蘊含豐富低位熱能的可再生熱能資源，污水源熱泵空調系統(tǒng)則是以城市污水作為建筑的冷熱源，解決建筑物冬季采暖、夏季空調和全年熱水供應的重要技術，也是城市污水資源化開發(fā)利用的思路和有效途徑。同時減少了城市廢熱和CO2、SO2、NOX、粉塵等污染物的排放。
污水源熱泵系統(tǒng)是我國當前各類熱泵技術中發(fā)展和應用前景最被看好的一種。目前，該技術較為成熟，國內外工程實例很多，20世紀80年代初在瑞典、挪威等北歐國家就已經(jīng)開始對污水源熱泵技術的應用，而現(xiàn)在我國污水源熱泵也得到一定程度的應用。數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，應用污水源熱泵系統(tǒng)比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能，比傳統(tǒng)的燃煤鍋爐節(jié)省l/2以上的煤炭資源。由于污水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，其制冷、制熱系數(shù)比傳統(tǒng)的空氣源熱泵高出40%左右，其運行費用僅為普通中央空調的50-60%。
在清潔供熱方式對比方面，污水源熱泵的經(jīng)濟效益十分顯著：設備投資、年運行費用、年運行成本3個方面分別為地下水熱源系統(tǒng)的84.1%、85.0%、72.5%，為燃氣空冷空調系統(tǒng)的77.1%、35.0%、46.2%。
2、工作原理
污水源熱泵的主要工作原理是借助污水源熱泵壓縮機系統(tǒng)，消耗少量電能，在冬季把存于水中的低位熱能“提取”出來，為用戶供熱，夏季則把室內的熱量“提取”出來，釋放到水中，從而降低室溫，達到制冷的效果。其能量流動是利用熱泵機組所消耗能量（電能）吸取的全部熱能（即電能+吸收的熱能）一起排輸至高溫熱源，而起所消耗能量作用的是使介質壓縮至高溫高壓狀態(tài)，從而達到吸收低溫熱源中熱能的作用。
污水源熱泵系統(tǒng)由通過水源水管路和冷熱水管路的水源系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、末端系統(tǒng)等部分相連接組成。根據(jù)原生污水是否直接進熱泵機組蒸發(fā)器或者冷凝器可以將該系統(tǒng)分為直接利用和間接利用兩種方式。直接利用方式是指將污水中的熱量通過熱泵回收后輸送到采暖空調建筑物；間接利用方式是指污水先通過熱交換器進行熱交換后，再把污水中的熱量通過熱泵進行回收輸送到采暖空調建筑物。
3、特點
我國北方地區(qū)，冬季采暖主要是依靠煤、石油、天然氣等石化燃料的燃燒來獲得。采暖與環(huán)保成為一對難以解決的矛盾。城市污水是北方寒冷地區(qū)不可多得的熱泵冷熱源。它的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，這種溫度特性使得污水源熱泵比傳統(tǒng)空調系統(tǒng)運行效率要高，節(jié)能和節(jié)省運行費用效果顯著。
環(huán)保效益
原生污水源熱泵空調系統(tǒng)是利用了城市廢熱作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統(tǒng)，污水經(jīng)過換熱設備后留下冷量或熱量返回污水干渠，污水與其他設備或系統(tǒng)不接觸，污水密閉循環(huán)，不污染環(huán)境與其他設備或水系統(tǒng)。供熱時省去了燃煤、燃氣、然油等鍋爐房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，避免了排煙污染；供冷時省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音及霉菌污染。不產生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵，環(huán)境效益顯著。
高效節(jié)能
冬季，污水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。而夏季水體溫度比環(huán)境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風冷式和冷卻塔式，機組效率提高。供暖制冷所投入的電能在1KW時可得到5KW左右的熱能或冷能。能源利用效率遠高于其他形式的中央空調系統(tǒng)。
運行穩(wěn)定
水體的溫度一年四季相對穩(wěn)定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動，是很好的熱泵熱源和空調冷源，水體溫度較恒定的特性，使得污水源熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點問題。
一機多用
污水源熱泵可供暖、空調，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統(tǒng)。城市污水熱泵空調系統(tǒng)利用城市污水，冬季取熱供暖，夏季排熱制冷，全年取熱供應生活熱水，夏季空調季節(jié)可實施部分免費生活熱水供應。一套系統(tǒng)冬夏兩用，實現(xiàn)三聯(lián)供。
投資費用
城市污水源熱泵具有初投資低，運行費低的巨大經(jīng)濟優(yōu)勢。運行效果良好，經(jīng)濟效益顯著。污水熱泵系統(tǒng)的機房面積僅為其他系統(tǒng)的50%。系統(tǒng)根據(jù)室外溫度及室內溫度要求自動調節(jié)，可做到無人看管，同時也可做到聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。污水源熱泵系統(tǒng)原理簡單，設備的可靠性強，維護量小，平時無設備的維護問題。
優(yōu)勢表現(xiàn)：
◆ 與燃煤、燃氣、然油等鍋爐房系統(tǒng)相比，我國年污水排放量超過500億m3，可節(jié)省用煤量0.33億噸，以全國年總能耗30億噸標煤計算，達到了1.1%，若按暖通空調的一次能源消耗量10億噸標煤計算，達3.3%。同時每年可減少排放量達72萬噸。據(jù)相關統(tǒng)計，15萬平方米供冷、供熱、以及供生活熱水，年可節(jié)約標煤1萬噸，減排二氧化硫300噸、煙量2200萬立方米、顆粒物6400噸，年少排爐渣2800噸、廢水600噸。
◆ 另外，污水源熱泵系統(tǒng)將污水熱能連同熱泵機組本身產生熱能一并轉移到室內,能效比高達4.5-6.0,能源利用率是電采暖的3-4倍, 污水源熱泵與空氣源熱泵相比,夏季冷凝溫度低,冬季蒸發(fā)溫度高, 能效比和性能系數(shù)大大提高,而運行工況穩(wěn)定,比傳統(tǒng)中央空調節(jié)省30﹪-40﹪的運行費用。且污水源熱泵技術系統(tǒng)無需設冷卻塔,利用的是城市原生污水，節(jié)約了大量水資源的同時又開發(fā)創(chuàng)造出新的清潔型新能源。
4、投資比較
污水源熱泵系統(tǒng)有良好的經(jīng)濟效益，與地下水源熱泵、直燃機、熱網(wǎng)+水冷機組、燃煤+水冷機組等系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)經(jīng)濟優(yōu)勢十分明顯。
1萬平米列表
|
序號 |
空調類型 |
熱（冷）源設備（萬元） |
其他費用（萬元） |
合計（萬元） |
功能 |
|
1 |
污水源熱泵系統(tǒng) |
100 |
80 |
180 |
采暖+制冷+生活用水 |
|
2 |
地下水源熱泵系統(tǒng) |
80 |
110 |
190 |
采暖+制冷+生活用水 |
|
3 |
熱網(wǎng)+水冷機組 |
70 |
150 |
220 |
采暖+制冷 |
|
4 |
土壤源熱泵 |
80 |
160 |
240 |
采暖+制冷+生活用水 |
|
5 |
直燃機 |
120 |
130 |
250 |
采暖+制冷 |
|
6 |
燃煤+水冷機組 |
160 |
100 |
260 |
采暖+制冷 |
|
序號 |
空調類型 |
熱（冷）源設備（萬元） |
其他費用（萬元） |
合計（萬元） |
功能 |
|
1 |
污水源熱泵系統(tǒng) |
600 |
400 |
1000 |
采暖+制冷+生活用水 |
|
2 |
地下水源熱泵系統(tǒng) |
480 |
600 |
1080 |
采暖+制冷+生活用水 |
|
3 |
熱網(wǎng)+水冷機組 |
420 |
800 |
1220 |
采暖+制冷 |
|
4 |
土壤源熱泵 |
480 |
800 |
1280 |
采暖+制冷+生活用水 |
|
5 |
直燃機 |
700 |
650 |
1350 |
采暖+制冷 |
|
6 |
燃煤+水冷機組 |
900 |
500 |
1400 |
采暖+制冷 |
|
序號 |
空調類型 |
采暖費（120天/萬元） |
空調費（120天/萬元） |
全年合計（萬元） |
備注 |
|
1 |
污水源熱泵系統(tǒng) |
16 |
12 |
28 |
0.8元/度 |
|
2 |
地下水源熱泵系統(tǒng) |
17 |
13 |
30 |
0.8元/度 |
|
3 |
土壤源熱泵 |
18 |
14 |
32 |
0.8元/度 |
|
4 |
直燃機 |
25 |
18 |
43 |
2.1元/立方 |
|
5 |
熱網(wǎng)+水冷機組 |
27 |
20 |
47 |
0.8元/度 |
|
6 |
燃煤+水冷機組 |
36 |
20 |
56 |
0.8元/度 |
|
序號 |
空調類型 |
采暖費（120天/萬元） |
空調費（120天/萬元） |
全年合計（萬元） |
備注 |
|
1 |
污水源熱泵系統(tǒng) |
156 |
110 |
266 |
0.8元/度 |
|
2 |
地下水源熱泵系統(tǒng) |
167 |
116 |
283 |
0.8元/度 |
|
3 |
土壤源熱泵 |
168 |
140 |
308 |
0.8元/度 |
|
4 |
直燃機 |
238 |
178 |
416 |
2.1元/立方 |
|
5 |
熱網(wǎng)+水冷機組 |
255 |
189 |
444 |
0.8元/度 |
|
6 |
燃煤+水冷機組 |
344 |
200 |
544 |
0.8元/度 |
5、技術發(fā)展
對城市污水源熱泵空調系統(tǒng)的研究，日本、挪威、瑞典及一些其它北歐等供熱發(fā)達國家比較活躍。最早起源于楊圖夫斯基(前蘇聯(lián))等人對河水、污水、海水的利用探討，1978年，楊圖夫斯基等人對熱泵站供熱與熱化電站、區(qū)域鍋爐房集中供熱進行比較，得出熱泵站供熱可節(jié)省燃料20%-30%，并提出利用莫斯科河水作水源熱泵站區(qū)域供熱方案。1981年6月，瑞典在塞勒研究開發(fā)了第一個凈化污水源熱泵系統(tǒng)。自此發(fā)達國家紛紛投入大量的財力和人力進行此項研究，并取得了一定的發(fā)展。
國內應用較早、較為突出的是北京高碑店污水處理廠的二級出水。2000年，北京市排水集團在高碑店污水處理廠開發(fā)了污水源熱泵實驗工程，空調建筑面積900㎡，這是我國最早的城市污水源熱泵系統(tǒng)。
城市原生污水成分及其復雜，且不穩(wěn)定，含有多種懸浮物質，絮狀物，油脂，固體顆粒，以及生活垃圾，隨著污水源熱泵的使用越來越廣泛，很多的弊病也被彰顯出來，其中最重要的就是要按時把污水源熱泵進行拆開來進行清洗，需要耗費大量的人力和精力，而且一般清洗時建筑物無法進行供暖制冷。一般解決辦法分為兩種：一個是采用化學液體或者是高壓水槍進行清洗內部結構，但是由于污水源熱泵的結構較為復雜，所以給清洗造成了很大的不便；另一個就是在污水源熱泵前面加離心污水換熱器使其構成一整套的污水源熱泵系統(tǒng)的方法，污水換熱器使用防堵塞免拆洗的離心污水換熱器，這樣就避免了污水源熱泵的沖洗。
但是無論如何，污水源熱泵的節(jié)能與環(huán)保都使得其成為現(xiàn)在采暖制冷的主流趨勢，以后估計也會得到越來越多得普及。
6、應用因素
包括能源的價格（電能、煤、油、燃氣等的比價）和能源的豐富性。當不同能源間的比價合 理或者能源緊張時，污水源熱泵機組技術就有較好的發(fā)展大環(huán)境。
當出于環(huán)境保護的考慮，對其他制熱方式（如燃煤制取熱能）有嚴格限制時，原生污水源熱 泵技術就具有更大的應用空間。
包括通過熱泵循環(huán)、部件、工質的改進提高污水源熱泵機組運行效率，利用材料技術簡化熱 泵結構、降低熱泵造價，利用測控技術提高熱泵的可靠性和操作維護的簡易性等，可是熱泵技術比其他簡 單加熱方式具有更強的綜合競爭優(yōu)勢。
7、運行因素
城市污水包括工業(yè)廢水,工業(yè)冷卻水及生活污水,而城市二級污水是經(jīng)過一級物化處理和二級生化處理,去除了污水中大量的雜質，降低了污水的腐蝕度,更有利于污水中熱能提取。
城市污冬暖夏涼,常年溫度穩(wěn)定,污水水溫在冬季比環(huán)境溫度高15--20度,夏季溫度比環(huán)境溫度低10--15度.因此熱泵具有良好的熱源,污水源熱泵利用溫差在5度,因此污水源熱泵完全可以在高效率運行。
城市污水水量的變化主要是生活污水的變化,而生活污水的出水量基本保持不變。
8、原生污水防阻技術分析
城市原生污水源及地表水熱泵智能型污水防阻機濾面自身旋轉，在任意時刻均有部分濾面位于過濾的工作區(qū)，污水中制定粒徑以上的固體、懸浮物被濾面截留，使含有該粒徑以下固體懸浮物去污水換熱器無堵塞換熱。另一部分濾面位于水力反沖區(qū)。
在濾面旋轉一周的時間內，每一個濾孔都有部分時間在過濾的工作區(qū)行使過濾功能，另一部分在反沖洗區(qū)被反洗，以恢復過濾功能。污水經(jīng)由過濾后去換熱設備無堵塞換熱，換熱后的污水回到污水防阻機的反沖洗區(qū)對過濾面進行反沖洗，并將反沖洗掉的污雜物全部帶走并排回污水渠中。成功解決原生污水中大量雜物造成設備與管路的堵塞污染問題。采用該項設備可以保證城市原生污水換熱設備無堵塞地長時間運行，從而使大規(guī)模應用城市原生污水作為熱泵冷熱源成為現(xiàn)實。
蒸發(fā)器內部結構專有設計，增強增大換熱效率。噴淋式蒸發(fā)器可以有效地提高機組的蒸發(fā)溫度。專用噴射泵在無能耗狀態(tài)下，完成系統(tǒng)的連續(xù)回油，安全可靠。專項設計的高效能冷凝器，可降低機組的冷凝溫度。
9、污水源熱泵雜物堵塞問題的解決
大顆粒物體堵住管徑的問題：智能污水防阻機中濾網(wǎng)的孔徑為φ2（毫米）。換熱管內的銅管內徑為φ17（毫米）。污水源熱泵機組之前采用污水專用防阻機，其濾網(wǎng)的孔徑為2 毫米，故直徑大于2 毫米的污雜物將會被防阻機阻止進入。
一般掛在內壁的長型污雜物直徑較細，所以將流經(jīng)污水的通道表壁處理光滑，除了采用具體的專業(yè)處理外，同時還采用了納米涂層技術解決內壁表面光滑的問題，來杜絕污雜物掛在內壁的可能性。采用冷媒側作機組運行工況（即冬季制熱工況及夏季制冷工況）轉換時，污水源熱泵機組中冷凝器和蒸發(fā)器的功效將產生互換，因此該機組設計兩種工況下的換熱效果及水流量的適用性，又由于污水源熱泵機組的污水在不同城市是不一樣的，該技術根據(jù)具體情況對機組進行修正，來滿足機組在不同工況下的正常運作。
造成流經(jīng)換熱器中的污水流速及流量的突變的原因是流通管道的形狀改變，出現(xiàn)此種狀況的位置是換熱管與管箱的配合處，采用專項的方法將污雜物處于懸浮狀態(tài)來避免污雜物的沉積。
防阻機與污水源熱泵機組中間設計二級泵，一方面為機組供水，另一方面控制水流量和流速。
由于毛發(fā)和牛羊動物脂肪較輕，只要控制好污水流量和流速就不會使其大量附著在管道內，少量脂肪的附著可以起到防腐的作用。例如在北京地區(qū)牛羊肉的吃法以涮為主，污水中的脂肪含量更大，而采用該技術在北京的很多項目都成功的解決了堵塞的問題，不會造成機組堵塞現(xiàn)象的產生。
換熱器材主要采用海軍銅（軍用技術）。海軍銅主要成份：有機樹脂、納米SiO2。納米粒徑：30-100nm（納米SiO2）。乾膜厚度：5-20μm。此種合金具有較好的抗腐蝕性。
