污水源熱泵工作原理及效益分析

1、污水源熱本調(diào)研報(bào)告所謂污水源熱泵，主要是以城市污水做為提取和儲(chǔ)存能量的冷熱源，借助熱泵機(jī)組系統(tǒng)內(nèi)部制冷劑的物態(tài)循環(huán)變化，消耗少量的電能，從而達(dá)到制冷制暖效果的一種創(chuàng)新技術(shù)。城市污水源熱泵空調(diào)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)冬季供暖、夏季空調(diào)、全年生活熱水供應(yīng)（很廉價(jià)的熱水供應(yīng)方案）、夏季部分免費(fèi)生活熱水供應(yīng)。城市污水熱泵空調(diào)是一項(xiàng)高新技術(shù)，具有節(jié)能、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)效益，符合經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略。城市污水源熱泵機(jī)組以污水為冷熱源，冬季采集來(lái)自污水的低品位熱能，借助熱泵系統(tǒng)，通過(guò)消耗部分電能（ 1 份），將所取得的能量（大于 4 份）供給室內(nèi)取暖；在夏季把室內(nèi)的熱量取出，釋放到水中，以達(dá)到夏季空調(diào)的目的。1、污水源

2、熱泵的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(jī)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(lái)，為用戶供熱，夏季則把室內(nèi)的熱量 “提取 ”出來(lái)，釋放到水中，從而降低室溫，達(dá)到制冷的效果。其能量流動(dòng)是利用熱泵機(jī)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?zé)嵩?，而起所消耗能量作用的是使介質(zhì)壓縮至高溫高壓狀態(tài)，從而達(dá)到吸收低溫?zé)嵩粗袩崮艿淖饔?。污水源熱泵系統(tǒng)由通過(guò)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(jìn)熱泵機(jī)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

3、的熱量通過(guò)熱泵回收后輸送到采暖空調(diào)建筑物；間接利用方式是指污水先通過(guò)熱交換器進(jìn)行熱交換后，再把污水中的熱量通過(guò)熱泵進(jìn)行回收輸送到采暖空調(diào)建筑物。2、污水源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)：（ 1）環(huán)保效益顯著1 / 6城市污水源熱泵是利用了污水作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。供熱時(shí)省去了燃煤、燃?xì)狻⑷挥偷儒仩t房系統(tǒng)，沒(méi)有燃燒過(guò)程，避免了排煙污染；供冷時(shí)省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音及霉菌污染。不產(chǎn)生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵，環(huán)境效益顯著。（ 2）高效節(jié)能冬季，污水溫度比環(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。而夏季污水溫度比環(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

4、風(fēng)冷式和冷卻塔式，機(jī)組效率提高。（ 3）運(yùn)行穩(wěn)定可靠污水的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，其波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動(dòng)。是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)問(wèn)題。（ 4）一機(jī)多用，應(yīng)用xx此熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，生活熱水供應(yīng)（夏季免費(fèi)）等。一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來(lái)的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。（ 5）投資運(yùn)行費(fèi)用低城市污水源熱泵具有初投資低，運(yùn)行費(fèi)低的巨大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。運(yùn)行效果良好，經(jīng)濟(jì)效益顯著。污水熱泵系統(tǒng)的機(jī)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(nèi)溫度要求自動(dòng)調(diào)節(jié)，可做到無(wú)人看管

5、，同時(shí)也可做到聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。污水源熱泵系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單，設(shè)備的可靠性強(qiáng)，維護(hù)量小，平時(shí)無(wú)設(shè)備的維護(hù)問(wèn)題。3、污水源熱泵系統(tǒng)目前在國(guó)內(nèi)主要有兩種應(yīng)用方式一種是利用防堵機(jī)技術(shù)把污水過(guò)濾后直接進(jìn)入熱泵機(jī)組，此種是對(duì)污水的直接利用，污水直接利用，進(jìn)入熱泵機(jī)組的熱源溫度較高，從理論上，系統(tǒng)能效比較高；但是在實(shí)際應(yīng)用中，防堵機(jī)和污水熱泵需要經(jīng)常清洗，防堵機(jī)和熱2 / 6泵機(jī)組都為電氣機(jī)械產(chǎn)品，經(jīng)常堵塞、腐蝕等問(wèn)題，使得的系統(tǒng)運(yùn)行壽命降低，且清洗時(shí)，系統(tǒng)不能運(yùn)行。另一種污水的利用方式是，污水經(jīng)過(guò)離心污水換熱器，間接利用，離心污水換熱器不存在堵塞及腐蝕且清洗周期較長(zhǎng)，由于間接利用，中介質(zhì)水為軟化水，進(jìn)入熱泵機(jī)組，不影

6、響機(jī)組的壽命，清洗周期較長(zhǎng)。4、污水源熱泵的缺陷的控制：在污水利用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的水質(zhì)問(wèn)題是結(jié)垢、腐蝕、生物生長(zhǎng)、淤塞和起泡，這些問(wèn)題都是由污水中的污染物引起。因此針對(duì)不同材質(zhì)的換熱器為了保證污水的水質(zhì)不影響污水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用，處理主要從以下幾個(gè)方面考慮。（ 1）控制結(jié)垢通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)污水源熱泵系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，換熱器表面會(huì)形成一層軟垢，通常的穩(wěn)定期在15 天左右，而控制軟垢的增長(zhǎng)可提高換熱器內(nèi)污水流速來(lái)進(jìn)行抑制軟垢的增長(zhǎng)。另一種方法是定期清洗換熱器，通過(guò)實(shí)踐記錄，采暖季過(guò)后或制冷期過(guò)后可定期進(jìn)行清洗。（ 2）防止腐蝕如果總?cè)芙夤腆w (TDS)的數(shù)值高就提高了水的電導(dǎo)性，這就

7、造成了高的腐蝕性。另溶解的氣體和高氧化狀態(tài)下的金屬離子也能造成腐蝕。冷卻水處于酸性狀態(tài)下也容易形成腐蝕。據(jù)美國(guó)得克薩斯州的Lubbock 市的 Jones Station電廠報(bào)道，當(dāng)循環(huán)冷卻水中存在氨離子時(shí)，氨離子轉(zhuǎn)化成硝酸，使pH 值從7.47.9 降低到6.5 甚至更低。對(duì)此，可以加入二氧化碳，通過(guò)提高重碳酸鹽堿度而調(diào)節(jié)pH 值阻垢劑 (如鉻酸鹽、聚磷酸鹽、鋅離子和聚硅酸鹽)能夠減少污水的潛在腐蝕性。另外，熱泵換熱器采用抗腐蝕性強(qiáng)的海軍銅管作為換熱器的換熱管，從材質(zhì)上解決污水具有的腐蝕性。3 / 6（ 3）減少淤塞通過(guò)阻止顆粒性物質(zhì)的形成和沉降能夠控制淤塞。智能污水防阻機(jī)過(guò)濾網(wǎng)孔徑 2mm

8、，只有小于 2mm 的雜質(zhì)才可進(jìn)入熱泵系統(tǒng)，換熱直徑 18 mm，完全可避免換熱管淤積的情況，實(shí)踐也證明這一點(diǎn)。5、污水源熱泵系統(tǒng)效益分析（ 1）、環(huán)境效益原生污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是利用污水作為冷熱源（夏天制冷時(shí)往污水干渠里排放多余的熱量，冬天采暖時(shí)從污水里提取熱量為室內(nèi)供暖；因?yàn)榻?jīng)測(cè)量污水的溫度夏天低于室外溫度 10 度左右，冬天溫度可達(dá) 10-15 度左右，故此可以利用此溫差與室內(nèi)供冷和供暖），無(wú)燃燒、無(wú)排渣、無(wú)排煙等過(guò)程，無(wú)環(huán)境污染問(wèn)題。另外，污水經(jīng)過(guò)換熱設(shè)備后留下冷量或熱量返回到污水干渠，污水與其他設(shè)備或系統(tǒng)不接觸，密閉循環(huán)，不污染環(huán)境與其他設(shè)備或水系統(tǒng)。利用污水源熱泵系統(tǒng)供暖空調(diào)除具有

9、重要的節(jié)能、環(huán)保意義（ 2）、經(jīng)濟(jì)效益以廊坊地區(qū)為例，采暖天數(shù)120 天，城市熱電采暖費(fèi)21.5 元/m2。由于熱泵系統(tǒng)的主要能源消耗為電，因此電價(jià)費(fèi)用的高低直接決定了該系統(tǒng)的運(yùn)行成本，目前很多區(qū)域均享受民用電價(jià)，我們以民用電價(jià)0.55 元/ 度來(lái)比較熱泵系統(tǒng)與集中供熱的運(yùn)行費(fèi)用。以該地區(qū)建筑面積1 萬(wàn)m2 為例，供暖設(shè)計(jì)負(fù)荷按40w/ m2 （實(shí)際發(fā)生量）計(jì)算，供熱負(fù)荷為400kW，污水源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用為：供熱設(shè)計(jì)負(fù)荷 ÷熱泵制熱系數(shù) ×輔助能耗系數(shù) ×供暖平均負(fù)荷系數(shù) ×運(yùn)行天數(shù) × 天運(yùn)行小時(shí)數(shù) ×電價(jià) =400÷4&

10、#215;1.10 ×0.7 × 120× 24×0.55=4 / 612.2（萬(wàn)元）地區(qū)集中供熱系統(tǒng)按面積分?jǐn)傎M(fèi)用為建筑面積21.5 元/ m2 。每萬(wàn) m2 建筑面積分?jǐn)傎M(fèi)用為21.5 萬(wàn)元。因此熱泵系統(tǒng)較集中供熱系統(tǒng)每萬(wàn)m2 節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用9.3 萬(wàn)元，節(jié)省率為43.3%。原生污水源熱泵系統(tǒng)與其他各系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用估算比較如表1 所示（燃煤等系統(tǒng)未計(jì)排污費(fèi)）。表 1 所示的對(duì)比結(jié)果表明污水源熱泵系統(tǒng)（ USSHP）較其他系統(tǒng)節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用最為節(jié)省。這是在末端耗熱量相同條件下，通過(guò)比較所花燃料成本計(jì)算得到的。而實(shí)際污水源熱泵系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上還可節(jié)省30%左右的運(yùn)行費(fèi)，是系統(tǒng)實(shí)施自動(dòng)控制后，在節(jié)能與運(yùn)行維護(hù)方面獲得的效益。這就是通常熱泵廠家在計(jì)算熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)時(shí)，在考慮平均熱負(fù)荷系數(shù)之后，又提出其機(jī)組的負(fù)載率為 70%，因此運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)一步減少了 30%。表 11 萬(wàn)平方米初投資比較總投資（萬(wàn)元）空調(diào)類型熱（泠）源設(shè)備其它費(fèi)合計(jì)功能用采暖制冷生活熱水污水源熱泵系統(tǒng)采暖制冷生活熱水地下水源熱泵系統(tǒng)熱網(wǎng)水冷機(jī)采暖制冷組采暖制冷生活熱水土壤源熱泵0直燃機(jī)采暖制