科 技 動(dòng) 態(tài)
第 十 期
青島水務(wù)集團(tuán)有限公司科技中心
污水源熱泵技術(shù)專(zhuān)刊
污水源熱泵，主要是以城市污水作為提取和儲(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)。與其他熱源相比，污水源熱泵的技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn)在于防堵塞、防污染與防腐蝕。
1、發(fā)展
據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球煤炭預(yù)計(jì)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(zhǎng)速度下，化石燃料能源預(yù)計(jì)還能使用一二百年，世界能源短缺形勢(shì)嚴(yán)峻;我國(guó)人均能源貧乏，人均擁有量?jī)H為世界平均值的1/2和美國(guó)的1/10。能源短缺問(wèn)題更加嚴(yán)重。節(jié)約用能和開(kāi)發(fā)新的能源已經(jīng)成為全人類(lèi)共同面對(duì)的迫切問(wèn)題。我國(guó)已將節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境作為基本國(guó)策，將其提高到關(guān)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(shí)到每個(gè)單位、每個(gè)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(diào)不僅能耗量大，而且對(duì)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(yùn)含豐富低位熱能的可再生熱能資源，污水源熱泵空調(diào)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(diào)和全年熱水供應(yīng)的重要技術(shù)，也是城市污水資源化開(kāi)發(fā)利用的思路和有效途徑。同時(shí)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(guó)當(dāng)前各類(lèi)熱泵技術(shù)中發(fā)展和應(yīng)用前景最被看好的一種。目前，該技術(shù)較為成熟，國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例很多，20世紀(jì)80年代初在瑞典、挪威等北歐國(guó)家就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)污水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用，而現(xiàn)在我國(guó)污水源熱泵也得到一定程度的應(yīng)用。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，應(yīng)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(yùn)行費(fèi)用僅為普通中央空調(diào)的50-60%。
在清潔供熱方式對(duì)比方面，污水源熱泵的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著：設(shè)備投資、年運(yùn)行費(fèi)用、年運(yùn)行成本3個(gè)方面分別為地下水熱源系統(tǒng)的84.1%、85.0%、72.5%，為燃?xì)饪绽淇照{(diào)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(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)嵩粗袩崮艿淖饔谩?span>
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。
3、特點(diǎn)
我國(guó)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(lái)獲得。采暖與環(huán)保成為一對(duì)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(duì)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(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高，節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用效果顯著。
環(huán)保效益
原生污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是利用了城市廢熱作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)，污水經(jīng)過(guò)換熱設(shè)備后留下冷量或熱量返回污水干渠，污水與其他設(shè)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(shè)備或水系統(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。
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(fēng)冷式和冷卻塔式，機(jī)組效率提高。供暖制冷所投入的電能在1KW時(shí)可得到5KW左右的熱能或冷能。能源利用效率遠(yuǎn)高于其他形式的中央空調(diào)系統(tǒng)。
運(yùn)行穩(wěn)定
水體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，使得污水源熱泵機(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。
一機(jī)多用
污水源熱泵可供暖、空調(diào)，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)。城市污水熱泵空調(diào)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(yīng)生活熱水，夏季空調(diào)季節(jié)可實(shí)施部分免費(fèi)生活熱水供應(yīng)。一套系統(tǒng)冬夏兩用，實(shí)現(xiàn)三聯(lián)供。
投資費(fèi)用
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，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。
優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)：
◆ 與燃煤、燃?xì)?、然油等鍋爐房系統(tǒng)相比，我國(guó)年污水排放量超過(guò)500億m3，可節(jié)省用煤量0.33億噸，以全國(guó)年總能耗30億噸標(biāo)煤計(jì)算，達(dá)到了1.1%，若按暖通空調(diào)的一次能源消耗量10億噸標(biāo)煤計(jì)算，達(dá)3.3%。同時(shí)每年可減少排放量達(dá)72萬(wàn)噸。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，15萬(wàn)平方米供冷、供熱、以及供生活熱水，年可節(jié)約標(biāo)煤1萬(wàn)噸，減排二氧化硫300噸、煙量2200萬(wàn)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(jī)組本身產(chǎn)生熱能一并轉(zhuǎn)移到室內(nèi),能效比高達(dá)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(yùn)行工況穩(wěn)定,比傳統(tǒng)中央空調(diào)節(jié)省30﹪-40﹪的運(yùn)行費(fèi)用。且污水源熱泵技術(shù)系統(tǒng)無(wú)需設(shè)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(shí)又開(kāi)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(jì)效益，與地下水源熱泵、直燃機(jī)、熱網(wǎng)+水冷機(jī)組、燃煤+水冷機(jī)組等系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)十分明顯。
1萬(wàn)平米列表
|
序號(hào) |
空調(diào)類(lèi)型 |
熱（冷）源設(shè)備（萬(wàn)元） |
其他費(fèi)用（萬(wàn)元） |
合計(jì)（萬(wàn)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(jī)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(jī) |
120 |
130 |
250 |
采暖+制冷 |
|
6 |
燃煤+水冷機(jī)組 |
160 |
100 |
260 |
采暖+制冷 |
|
序號(hào) |
空調(diào)類(lèi)型 |
熱（冷）源設(shè)備（萬(wàn)元） |
其他費(fèi)用（萬(wàn)元） |
合計(jì)（萬(wàn)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(jī)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(jī) |
700 |
650 |
1350 |
采暖+制冷 |
|
6 |
燃煤+水冷機(jī)組 |
900 |
500 |
1400 |
采暖+制冷 |
|
序號(hào) |
空調(diào)類(lèi)型 |
采暖費(fèi)（120天/萬(wàn)元） |
空調(diào)費(fèi)（120天/萬(wàn)元） |
全年合計(jì)（萬(wàn)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(jī) |
25 |
18 |
43 |
2.1元/立方 |
|
5 |
熱網(wǎng)+水冷機(jī)組 |
27 |
20 |
47 |
0.8元/度 |
|
6 |
燃煤+水冷機(jī)組 |
36 |
20 |
56 |
0.8元/度 |
|
序號(hào) |
空調(diào)類(lèi)型 |
采暖費(fèi)（120天/萬(wàn)元） |
空調(diào)費(fèi)（120天/萬(wàn)元） |
全年合計(jì)（萬(wàn)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(jī) |
238 |
178 |
416 |
2.1元/立方 |
|
5 |
熱網(wǎng)+水冷機(jī)組 |
255 |
189 |
444 |
0.8元/度 |
|
6 |
燃煤+水冷機(jī)組 |
344 |
200 |
544 |
0.8元/度 |
5、技術(shù)發(fā)展
對(duì)城市污水源熱泵空調(diào)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(dá)國(guó)家比較活躍。最早起源于楊圖夫斯基(前蘇聯(lián))等人對(duì)河水、污水、海水的利用探討，1978年，楊圖夫斯基等人對(duì)熱泵站供熱與熱化電站、區(qū)域鍋爐房集中供熱進(jìn)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(kāi)發(fā)了第一個(gè)凈化污水源熱泵系統(tǒng)。自此發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入大量的財(cái)力和人力進(jìn)行此項(xiàng)研究，并取得了一定的發(fā)展。
國(guó)內(nèi)應(yīng)用較早、較為突出的是北京高碑店污水處理廠的二級(jí)出水。2000年，北京市排水集團(tuán)在高碑店污水處理廠開(kāi)發(fā)了污水源熱泵實(shí)驗(yàn)工程，空調(diào)建筑面積900㎡，這是我國(guó)最早的城市污水源熱泵系統(tǒng)。
城市原生污水成分及其復(fù)雜，且不穩(wěn)定，含有多種懸浮物質(zhì)，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(lái)越廣泛，很多的弊病也被彰顯出來(lái)，其中最重要的就是要按時(shí)把污水源熱泵進(jìn)行拆開(kāi)來(lái)進(jìn)行清洗，需要耗費(fèi)大量的人力和精力，而且一般清洗時(shí)建筑物無(wú)法進(jìn)行供暖制冷。一般解決辦法分為兩種：一個(gè)是采用化學(xué)液體或者是高壓水槍進(jìn)行清洗內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但是由于污水源熱泵的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以給清洗造成了很大的不便；另一個(gè)就是在污水源熱泵前面加離心污水換熱器使其構(gòu)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(wú)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(shì)，以后估計(jì)也會(huì)得到越來(lái)越多得普及。
6、應(yīng)用因素
包括能源的價(jià)格（電能、煤、油、燃?xì)獾鹊谋葍r(jià)）和能源的豐富性。當(dāng)不同能源間的比價(jià)合 理或者能源緊張時(shí)，污水源熱泵機(jī)組技術(shù)就有較好的發(fā)展大環(huán)境。
當(dāng)出于環(huán)境保護(hù)的考慮，對(duì)其他制熱方式（如燃煤制取熱能）有嚴(yán)格限制時(shí)，原生污水源熱 泵技術(shù)就具有更大的應(yīng)用空間。
包括通過(guò)熱泵循環(huán)、部件、工質(zhì)的改進(jìn)提高污水源熱泵機(jī)組運(yùn)行效率，利用材料技術(shù)簡(jiǎn)化熱 泵結(jié)構(gòu)、降低熱泵造價(jià)，利用測(cè)控技術(shù)提高熱泵的可靠性和操作維護(hù)的簡(jiǎn)易性等，可是熱泵技術(shù)比其他簡(jiǎn) 單加熱方式具有更強(qiáng)的綜合競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
7、運(yùn)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(jí)污水是經(jīng)過(guò)一級(jí)物化處理和二級(jí)生化處理,去除了污水中大量的雜質(zhì)，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(yùn)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(shù)分析
城市原生污水源及地表水熱泵智能型污水防阻機(jī)濾面自身旋轉(zhuǎn)，在任意時(shí)刻均有部分濾面位于過(guò)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(wú)堵塞換熱。另一部分濾面位于水力反沖區(qū)。
在濾面旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間內(nèi)，每一個(gè)濾孔都有部分時(shí)間在過(guò)濾的工作區(qū)行使過(guò)濾功能，另一部分在反沖洗區(qū)被反洗，以恢復(fù)過(guò)濾功能。污水經(jīng)由過(guò)濾后去換熱設(shè)備無(wú)堵塞換熱，換熱后的污水回到污水防阻機(jī)的反沖洗區(qū)對(duì)過(guò)濾面進(jìn)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(shè)備與管路的堵塞污染問(wèn)題。采用該項(xiàng)設(shè)備可以保證城市原生污水換熱設(shè)備無(wú)堵塞地長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，從而使大規(guī)模應(yīng)用城市原生污水作為熱泵冷熱源成為現(xiàn)實(shí)。
蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)專(zhuān)有設(shè)計(jì)，增強(qiáng)增大換熱效率。噴淋式蒸發(fā)器可以有效地提高機(jī)組的蒸發(fā)溫度。專(zhuān)用噴射泵在無(wú)能耗狀態(tài)下，完成系統(tǒng)的連續(xù)回油，安全可靠。專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)的高效能冷凝器，可降低機(jī)組的冷凝溫度。
9、污水源熱泵雜物堵塞問(wèn)題的解決
大顆粒物體堵住管徑的問(wèn)題：智能污水防阻機(jī)中濾網(wǎng)的孔徑為φ2（毫米）。換熱管內(nèi)的銅管內(nèi)徑為φ17（毫米）。污水源熱泵機(jī)組之前采用污水專(zhuān)用防阻機(jī)，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(huì)被防阻機(jī)阻止進(jìn)入。
一般掛在內(nèi)壁的長(zhǎng)型污雜物直徑較細(xì)，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(zhuān)業(yè)處理外，同時(shí)還采用了納米涂層技術(shù)解決內(nèi)壁表面光滑的問(wèn)題，來(lái)杜絕污雜物掛在內(nèi)壁的可能性。采用冷媒側(cè)作機(jī)組運(yùn)行工況（即冬季制熱工況及夏季制冷工況）轉(zhuǎn)換時(shí)，污水源熱泵機(jī)組中冷凝器和蒸發(fā)器的功效將產(chǎn)生互換，因此該機(jī)組設(shè)計(jì)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(jī)組的污水在不同城市是不一樣的，該技術(shù)根據(jù)具體情況對(duì)機(jī)組進(jìn)行修正，來(lái)滿足機(jī)組在不同工況下的正常運(yùn)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(zhuān)項(xiàng)的方法將污雜物處于懸浮狀態(tài)來(lái)避免污雜物的沉積。
防阻機(jī)與污水源熱泵機(jī)組中間設(shè)計(jì)二級(jí)泵，一方面為機(jī)組供水，另一方面控制水流量和流速。
由于毛發(fā)和牛羊動(dòng)物脂肪較輕，只要控制好污水流量和流速就不會(huì)使其大量附著在管道內(nèi)，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(shù)在北京的很多項(xiàng)目都成功的解決了堵塞的問(wèn)題，不會(huì)造成機(jī)組堵塞現(xiàn)象的產(chǎn)生。
換熱器材主要采用海軍銅（軍用技術(shù)）。海軍銅主要成份：有機(jī)樹(shù)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。
