污水源热泵应用现状与性能分析研究

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摘要：文章介绍了污水源热泵的分类，总结了国内应用研究现状，概括了优缺点，分析了性能影响因素与节能减排效果，以供相关人士参考。

关键词：热泵；城市污水；性能；节能减排；换热器

中图分类号：TE08 文献标识码： A

引言

城市污水是一种余热型低品位清洁能源，可作为热泵冷热源为建筑物供暖或制冷，污水源热泵的应用可减少环境污染和石化类燃料的消耗。污水源热泵冬季供暖时吸收污水中的热能，夏季制冷时把室内热量转移到低温污水中。

一、污水源热泵的种类

污水源热泵按不同的标准分类有多种，主要有以下几种分类：①按污水是否经过处理可分为原生式和中水/二级出水式；②按污水和热泵的换热方式，可分为直接式和间接式；③按污水侧换热器形式的不同，可分为浸泡式、淋激式、壳管式三类；④按热泵的工作原理，可分为蒸汽压缩式和吸收式等。直接式污水源热泵是指污水直接与热泵的蒸发器或冷凝器换热，如图 1 所示。间接式污水源热泵是指污水先和中介水换热，再由中介水与热泵的蒸发器或冷凝器换热，如图 2 所示。直接式可就近利用城市污水，并能就近供给用户冷热量，可显著增加区域供热供冷范围；间接式增加了中间换热器，中介水水质好，对热泵机组设备影响较小。

图 1 直接式污水源热泵系统示意图 图 2间接式污水源热泵系统示意图

二、水源热泵国外内工程应用现状

1、国外工程应用现状

热泵回收低位热源的理论研究起步于19世纪初。20世纪20年代前后，欧洲部分地区开始出现了地表水热源热泵供暖。20世纪70年代前后，北欧一些发达国家研发使用城市污水作为热源的供热制冷技术。1978年，杨图夫斯基等分析了间接式污水源热泵的应用价值与应用前景。上世纪80年代初，瑞典、挪威等供热发达国家紧跟其后，着手间接式污水源热泵的设计与研发。北欧发达国家则使用粗效处理后的城市原生污水作为热源的直接式热泵。随着能源结构的不断变化，环境问题的日益突出，美国、德国等一些发达国家陆续开始投入科研力度致力于污水源热泵的研究，并积累了丰富的经验。受到城市原生污水水质复杂性和特殊性的限制，污水源热泵的研究进展依然缓慢。1987年，东京市政府启动了城市污水热能回收项目，截止到2003年，该市建立的污水源热泵已有10多处。1990年，韩国开始对城市污水源热泵进行研究，Baek以某宾馆生活供水情况为实例，选择其公共浴池与桑拿中的污水作为热源。莫斯科于1999年，投入运行容量为9.5MW的污水源热泵。

2、国内工程应用现状

我国的热泵研究历史迄今已经有60年，但是，受到能源价格等多方面因素的限制，热泵特别是水源热泵，一直没有得以全方位的应用。近年来，污水源热泵的研究开始起步。个别地区出现了少量的直接式污水源热泵，热泵热源为污水处理厂一级出水或原生污水。北京市高碑店污水处理厂于2000年开发使用了我国首个直接式污水源热泵。我国第一个原生污水源热泵系统于2001年，由大庆开发区富尔达公司研发投入使用。哈尔滨某制药厂利用热泵技术回收二级处理后的污水中的热能。2008年，北京奥运村换热站的污水源热泵的热源选择为清河污水处理厂的二级排水，它的水质接近二级水水质，直接进入机组换热器进行换热。河北秦皇岛污水处理厂、北小河污水处理厂项目等以污水厂二级出水为热源。哈尔滨望江宾馆、北京悦都等采用原生污水为热源。

三、污水源热泵优缺点

1、污水源热泵优点

我国污水资源排放量每年约为550×108m3，其低位热能储量十分丰富。对比地下水水源热泵，可节省打井开支，避免了抽水和回灌的动力消耗，避免了回灌不当对地下水资源破坏的问题。对比风冷热泵，其冬季不结霜且污水水温波动小，相应的热泵工作性能稳定。对比土壤源热泵，其同样不需要钻地打井，土地日趋紧张，受占地面积的约束，土壤源热泵在有限的打井数量下，必须加深打井深度，其打井费用也呈指数型上升。将污水的水量和热量同时回收与利用是可持续发展的综合表现，是城市污水资源化的有效途径。污水源热泵对比其它热泵在性能上也有一定的优势，特别是冬季，由于排放的污水温度普遍偏高，部分污水源热泵的出水温度能达到直接供暖的标准。

2、污水源热泵缺点

污水源热泵在使用地域上受很大限制，只适用于有大量污水排放的地区，如发电厂、大中型城市、油田等。污水源热泵要求污水的排放流量稳定，至少达到热泵正常工作的水量要求。污水源热泵对污水的水质要求较高，污水水质有强酸性、强碱性，含有大量难去除的固体、胶体等，使用前都必须要进行水质处理，增加了运行费用。污水源热泵的初投资较高，由于热用户离污水处理站或污水干渠的距离太远，敷设污水导入管会产生很高的费用。冬季使用污水源热泵直接供暖时，需要配备高温热泵，高温热泵的购置费用是普通中低温热泵的数倍。常规国产污水换热器的性能较低，限制了污水源热泵的发展，进口高效污水换热器，购置费高，日常维护、清理困难。

四、污水源热泵的性能影响因素与节能减排分析

1、污水源热泵的性能影响因素

①热泵系统形式：间接式比直接式增加了换热器和中介水循环水泵，传热环节增多且耗电量增加；②污水品质：二级出水和中水的水质比原生污水好，换热效果更好，热泵可长期稳定运行，减少设备的清洗次数；③热泵质量：如表 1 所示，大品牌热泵的额定和测试 COP 值都比较高，因此选择高质量的生产厂家是基础。

表 1 污水源热泵供热工况下的额定和实测 COP值

2、污水源热泵的节能减排分析

节能分析―――污水源热泵的高COP值使其能源利用率是电采暖的3倍-4 倍；夏季制冷时比传统中央空调节省30%-40%的运行费用；在冬季供暖时相比燃煤锅炉节省煤量48.79% ，比燃油锅炉节省煤量 37.45% ，比燃气锅炉节省煤量 34.55%。

减排分析―――与空气源热泵相比，利用污水热能可显著减轻大气污染：长沙市利用 60% 的城市污水的减排效果如表2 所示。

表2 与空气源热泵相比污染物的减排量

结束语

污水源热泵有效利用了污水余热，节能减排效果显著，对能源和环境的可持续发展具有重要意义，制约其发展的主要因素是污水导致换热器的阻塞、结垢与腐蚀，严重影响换热性能并增加了运行成本，应着重从污水流动与换热特性、换热器的结构工艺设计及开发新的原生污水源热泵工艺等方面开展研究工作，保证污水源热泵的长期稳定经济运行，宜建立大型机组来减少单位平均投资，为污水源热泵的大规模推广应用提供指导和依据。

参考文献

[1]张磊.污水源热泵供热系统的节能运行分析[D].天津：天津大学，2009.

[2]吴荣华，张承虎，孙德兴，等.城市原生污水冷热源换热管软垢特性研究[J].流体机械，2006，34（1）：59-62.

[3]吴荣华，马广兴，孙德兴.城市原生污水冷热源污水流动阻力特性研究[J].哈尔滨工业大学学报，2006，38， （11）：1847-1849.

[4]吴荣华.城市原生污水源热泵系统研究与工程应用[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005.