（制冷及低温工程专业论文）污水源热泵空调系统技术经济性研究.pdf

摘要 摘要 能源与环境是可持续发展的两大主题。目前以燃烧石化原料为主的建筑物供暖空调不仅能耗量大， 而且污染环境。城市污水水量巨大，温度适宜，属清洁可再生能源，是暖通空调非常重要的不可多得的 新能源。本文主要对以城市二级污水为冷热源的热泵空调系统进行了系统的技术经济性研究旨在能指 导污永源热泵空调系统更好地推广应用。 ( 1 ) 对全国范围内的主要城市污水的捧放情况进行了资料收集，重点对南京地区的城市二级污水的 水源特点进行了现场调查包括污水的水质特点，污水的温度与水量随季节与时刻的变化特点，同时还 对南京地区的污水处理厂的分布和各污水厂的二级污水排放量进行了调查，所总结的数据与曲线对该能 源的规模开发利用具有重要价值。 ( 2 ) 利用烟分析方法比较了1 1 2 2 、r 1 3 4 a 、r 4 0 7 c 三种不同工质时污水源热泵空调系统的热力学性 能得出r 4 0 7 c 是r 2 2 理想替代工质的结论，比较了污水源热泵空调系统、空气源热泵冷热水机组、 冷水机组+ 燃气锅炉这三种不同方案夏季制冷和冬季供热工况的c o p 、机组总烟效率、次能源利用率 等。夏季制冷季节，各方案中污水源热泵空调系统的c o p 值最高，比冷水机组高2 6 左右，比空气源 熟泵冷热水机组高3 7 左右i 各方案中污水源热泵空调系统的总姆效率最高，达到3 8 左右。冬季供 热季节，污水源的一次能源利用率p e 晟高可达到1 3 ，污水源热泵的冬季总；j 曰数率达到5 3 左右。 ( 3 ) 提出了经济性分析的原则和冷热源的热经济学模型及供冷( 热) 成本模型，比较了三种冷热源 方案的初投资和年总成本，污水源热泵空调机组的单位制冷成本比空气源冷热水机组低2 0 0 比冷水机 组+ 锅炉低2 6 2 ；污水源热泵空调机组的单位供熟成本比空气源冷热水机组低1 7 4 ，比冷水机组+ 燃 气锅炉低8 9 8 。分析了能源价格对运行成本的影响，各个方案比较存在热电价格平衡点。 ( 4 ) 以城市二级污水为冷热源的热泵空调系统，具有良好的环保效益，利用1 0 0 m 3 污水量的热能， 污水源热泵空调机组在夏季制冷工况时，相对于冷水机组c 0 2 的削减量为0 2 3 s k g s 0 2 的削减量为 1 6 8 1 9 ：相对于空气源热泵机组c 0 2 的削减量为0 2 6 5 k g ，s 0 2 的削减量为1 8 6 8 9 。冬季供热工况时。 相对于燃气锅炉c o ：的自减量为1 1 5 7 k g ，s 0 2 的削减量为8 1 6 9 9 ：相对于空气源热泵机组c 0 2 的削减 量为02 2 7 k g ，s 0 2 的削减量为1 6 9 。 通过本文分析，不难看出污水源热泵空调系统节能和环保效益显著，将为全国建设小康社会提供新 的清洁再生能源，实现能源结构的优质化转变，如今环境保护和可持续发展列入国家发展纲要，污水源 热泵在我国的应用与推广将会有广阔的前景。 关键词：城市污水源：冷热源；热泵：蠲盼析：经济性：一次能源利用率；环保 东南大学硕士学位论文 t h ee n c l g ya n de n v i r o n m e n ta t w o p r i n c i p a lt h e m e so f s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tt h ep r e s e n te n e r g y c o m t m l p t i o nf o rb u i l d i n gh v a cb yb u m i n gt h er a wm a t e r i a l so f p e t r o c h e m i c a li sn o tm e r e l yg r e a ti nm o u n t , a n da l s op o l l u t e st h ee n v i r o n m e n tt h el u n o u n to f u r b a nw a s t e rw l l l hi sl a r g e ，a n di t st e m p c r b t u r ei ss u i t a b l e b e l o n g i n g t oc l e a n i n g a n d r e g e n e r a t ee n e r g y t h eu r b a n w a s t e w a t e r i s v e r y i m p o r t a n t a n d r f l l e i l e v , r e n e r g y f o r i t v a c i no r d e rt og u i d ew a s t e rw 岫b o u r c eh e a tp u m pr i g h t l yu s e di ni n o l , es i t u a t i o n s t h er e s e a r c ho f t b e s y s t e m st e c h n o l o g i ca n de c o n o m i ci sm a d ev e r ys y s l e m a t i e a l l y ( 1 ) t h ei n f o r m a t i o na b o u tt h eu r b a ns e w a g ea l lo v e l t h ec o u n t r yi sc o l l e c t e d , s e e o n d a r yb i o l o g i c a lt r e a t e d s e w a g e sc h a r a c t e r i s t i ci sr l - , a r e l a e dm a i n l yt ot h es i t eo f s e w a g e 蛐a l t * o l a f f , si nr 峋t n g , i n c l u d i n gm l e r p r o p e r t y c h a n g e so f w a t e rt e m o e r a t u r ea n dw a t e r f l o wa l o n gw i t hs e 8 4 t o na n dt i m e a tt h es a m et i m e d i s t r i b u t i o na n dd i s c h a r g ev a l u eo f s e w a g et r e a t l l l e n tw o l k si sr e s e a r c h e di nn a n j i n 舀1 1 ”d a t aa n dc i v 懿i s i m p o r t a n tt od e v e l o pal a r g es c a l eu t i l i z a t i o n ( 2 ) m ep e r f o m m e eo ft h es e w a g es o u r c ep l , tb o t h a 、v 龆c h i l l e ra n dah e a tp m n pi sc o m p a r e do i l c o n d i t i o no fd i f f e r e n tr e f r i g e r a n t ss u c h r 2 2 ，r 1 3 4 a , r 4 0 7 ca p p l y i n gt h ee x c l g ya n a l y s i s 。t h ec o n c l u s i o n t h a tr 4 0 7 ci st h ei d e a ls u b s t i t u t i o no f1 1 2 2i sg o t c o p t o t a le x e l 舒je f f i c i e n c ya n dp e ro ft h es y s t e mi s c o m p a r e di n m 日a n di nw i n t e rm 印硎v e l y ( 3 ) 1 k p r i n e i p l e o f e c o n o m i ca n a l y s i sa n d t h e m o d e l o f c o o la n d h e a ts o u i c i o m p u t f o r w a r d , t h e m o d e l o f c o s to f r e f r i g e r a t i o na n dh e a ts u p p l yi ss e tu p i n i t i a lc o s ta n d t o t a le 珥删a n n u a lc o s to f t l a r e es c h e m e so f c o o la n dh e a ts o u i c em c o m p a r e d , t h es e w a g e8 0 u l h e a tp u m p su n i tr e f r i g e r a t ec o s ti sl e s s2 0 t h a nt h e a i rs o u r c eh e a tp u m p 1 e s s2 6 2 t h a nw a t e r - c o o l e dc h i l l e r t h es e w a g es 0 1 1 1 c eh e a tp u m p su n i th e a tc o s ti s l e s s1 7 4 t h a nt h ea i rs o u i h e a tp u m p 1 e s s8 9 8 t h a ng a sf i r e db o i l e r r u n n i n gc o s ti sa f f e c t e db ye n e r l 酣 c o s t t h e r ei sab a l a n c ep o i n ta b o u tt h ec o s to f h e a ta n de l e e t r i e i t y ( 4 ) s e c o n d a r y i z e a t m e n ts e w a g es o u i c e h e a t p u m ph a s g o o de n v i r o n m e n t a l b e n e f i t s ，a p p l y i n 9 1 0 0 c u b i c m e t 口s e w a g e ，i tc a n 山a 雠c 0 2 d i s c h a r g eo 2 3 8 k g s 0 21 6 8 1 9 t h a n w a t e r - c o o l e d c h i l l e r i ns u m m e r , d e c r e a s e0 0 2d i s c h a r g e0 2 6 5 k g , s 0 21 8 6 8 9t h a na i rs o u r c eh e a tp u m pi n m m 口i tm d e c r e a s ec 0 2 d i s c h a r g e0 2 6 5 l 【g ，s 0 21 8 6 8 9t h a ng a sf i r e db o i l e ri nw i l m 日, d e c r e a s ec 0 2d i s c h a r g eo 2 2 7 k g ，s 0 21 6 9 t h a na i rs o u l eh e a tp u m pi nw i n n e r a c c o r d i n gt ot h ed i s s e r t a t i o n sa n a l y s i s a p p a r e n t l yt h ee n e r g y - s a v i n ga n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nb e n e f i ti s q u i t eg r e a tb ya p p l y i n gs e w a g e - s eh e a tp u m p i tw i l la l s op r o v i d en w k i n do f c l e a na n dr e c y c l e de n e r g y i no r d e rt ob u i l d i n go u re a s ys o c i e t ya n do p t i m i z et h ee n e r g ys 1 1 3 1 c t l l r e a c c o m p a n y i n gc l a i m se n t e r i n g e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dc o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n ta i ef i s t e di no u rd e v e l o p m e n t a ls y l l a b u st o d a y a n dt h e f u t u r eo f t h es e w a g e - s o u r c eh e a tp u m pi sh i g h l yp r o m i s i n g k e y w o r d s ：u r b a nw l l s t 日w a t e rs o u l r c e ；c o o la n dh e a t9 m l r c e ： p i i ye n e n g yu t i l i z a t i o nr d l e ；v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n 主要符号袁 压力 比容 开氏温度 摄氏温度 换热量 烟 烟损 焓 内能 熵 比焓 比内能 比熵 冷凝压力 冷凝温度 蒸发压力 蒸发温度 质量流量 单位制冷量 单位供热量 单位容积制冷量 压缩机单位耗功 性能系数 烟效率 ：j 母损率 烟损系数 一次能源利用率 一次能源发电效率 电网的输送效率 供热一次能耗用能系数 制冷一次能耗用能系数 平均负荷因数 运行成本 维护成本 投资成本 绝热效率 主要符号表 万元 万元 万元 制冷 供热 环境状态 冷凝器 蒸发器 压缩机 节流阀 制冷剂 用户侧热水 用户侧冷水 污水 制冷 供热 塬。髓 隔。m唧唧。h w w 。咿 m机k研u u u u崃圭f!薹胁炒鹏鹏叭吣 p ，r ，q e 毛h u 。h u。攻见乞g靠吼w鲫珥鼻陬9包俨旷；以乃乞仉 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：蟛 导师签名：日期：9 矽7 i 9 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 自2 0 世纪7 0 年代以来，世界能源形势变得日益严峻，能源的大量、广泛使用所带来的环境问题也日 益加剧。人们普遍开始关注节约能源、有效利用能源、开发利用新能源等问题。本课题是以南京市建筑 设计院所承接的南通某大型小区的以污水为冷热源的大型空调系统为研究背景，对城市污水的水温、水 量、水质做了调查对以城市污水为冷热源的热泵空调系统进行了性能分析 1 1 1 我国的能源和环境状况 近几年来，我国的能源工业有了很大的发展，据中华人民共和国2 0 0 6 年国民经济和社会发展统 计公报统计资料显示，2 0 0 6 年全年一次能源生产总量2 2 1 亿吨标准煤，比上年增长7 3 ；发电 量2 8 3 4 4 亿千瓦时，增长1 3 4 ；原煤2 3 8 亿吨，增长8 0 ：原油1 8 4 亿吨，增长1 7 。我 国在进入2 l 世纪时，己拥有世界第三位的能源生产系统。 但由于我国人口众多( 人均耗能是经合发展组织o e c d 国家平均数的1 ，8 ) 资源分布不均( 8 0 的能 源资源分布在西、北部地区，6 0 的能源消耗在经济比较发达的东，南部地区) ，能源结构不合理( 煤在 能源的生产和消费中占7 0 以上) 及其利用率低下( 能源平均利用率只有3 0 左右) ，直接导致了我国能 源消耗巨大。据预测，到2 0 1 0 年我国能源消耗将赶上西欧各国的总和，2 0 2 0 年将超过美国而成为世界上 第一大能源消耗国。 据能源机构测算表明，2 0 5 0 年我国能源需求量将为5 0 亿吨标煤，按目前水平可开采量为3 0 亿吨标煤， 水力、风力等发电开发量为5 亿吨标煤届时有1 5 亿吨标煤缺口量，该量只能靠进一步开发核能铀资源、 太阳能及其它可再生性能源填补。能源问题将面l 临严峻挑战“。而我国建筑能耗历年平均为总能耗的 1 9 8 。建筑能耗中，暖通空调能耗约占8 5 ，且能源利用效率极低，同纬度气候条件接近地带单位 面积的平均制冷供暖耗能量为发达国家的3 倍“”。目前我国住房建筑面积为3 4 7 亿, m 2 ，以每年1 3 - 1 4 亿 m 2 速度增长，预；目u 2 0 2 0 年我国暖通空调能耗量将达l o 亿吨标煤，占总能耗量的3 0 0 , 4 以上”“，暖通空调 在能源消耗中将占有举足轻重的位置。 我国能源消耗中，煤占7 0 以上，以煤为主的能源结构下，暖通空调用能是大气污染的主要因素之 一。在全球空气污染最严重的1 0 个城市中，中国占有5 个，包括北京、上海、沈阳、西安和广州，北京 冬季供暖期中t s p ( 总悬浮颗粒物) 、c 0 2 s 0 2 ，h o x 等严重超标。资料表明7 0 的t s p 、9 0 的s 0 2 t 6 0 的n o x 和8 5 的矿物燃料生成的c 0 2 来自燃煤，暖通空调引起的污染物排放量占总排放量的1 5 以 上”“1 ，燃煤排放s 0 2 引起的酸雨污染已扩展至全国整个面积的3 0 - 4 0 ，造成的经济损失接近国民生 产总值的2 。另外，全球c c h 等温室气体的排放给人类带来重大损失，全球温暖化的经济成本是全球 经济总产值( g w p ) 的1 0 0 一2 0 0 o 。暖通空调的能源消耗给环境带来了巨大压力。 我国的水资源短缺，水污染也非常严重。据环境监测我国每天约有一亿吨污水未经处理就直接捧 入水体。全国因污染而不能饮用的地表水占全部监测水体的4 0 ，流经城市的河段中7 8 不适合作为饮 用水，5 0 0 6 地下水受到污染，6 4 的人正在使用不合格的水源“”，南方城市总缺水量的6 0 - 7 0 是由于 水源污染造成的。很多地区不是没有水，而是无可用之水。 1 1 2 城市污水是理想的冷热源 开发利用低位清洁可再生能源是暖通空调能源消耗的新模式。可再生性清洁能源包括太阳能、风能、 水能、生物质能、地热能和工业余热、城市废热等等，我们利用其中的部分低位能源作为熟泵冷热源为 建筑物供热时，按电驱动热泵制热性能系数4 o 计算，其系统的一次能源利用率大于l _ 3 ，而利用其他矿 物燃料供暖时一次能源利用率则在0 7 卸9 之间，因此低温热源+ 熟泵供暖空调是缓解能源紧张、保护环 境的有效途径之一” 1 东南大学硕士学位论文 从热力学角度来看，建筑物供暖空调只需要低品位热能，而燃煤、燃气、燃油、用电等是高品位的 一次能源消耗，这些能源贮存的化学能或热能具有很高的烟值供暖空调时，大量的姗在无做功的热 量转换或传递过程中损耗。因此，根据热力学第二定律，开发利用低位可再生性清洁能源供暖空调，改 变“以热源消耗高位能源，向建筑物室内提供低温热量向环境捧放废热”的不合理能源消耗模式，符 合生态建筑的发展趋势，可将暖通空调和谐地纳入到自然生态循环之中。 城市污水是工业废水与生活污水的总和，是城市余热型可再生性清洁能源，包括城市原生污水与= 级出水，是一种理想的低位冷热源。作为热泵空调冷热源具有如下特点： ( 1 ) 城市污水水量为城市供水量的8 5 以上“，数量巨大，据 2 0 0 5 年国民经济和社会发展统计公 报显示：我国2 0 0 5 年全年城市污水排放量达3 5 9 5 2 亿立方米，城市污水处理率达n 4 8 4 。 ( 2 ) 城市污水水温相对较高且其随季节变化幅度较小，通常在1 0 c 以内，具有冬暖夏凉的特点，温 度全年在1 0 c - 2 5 c 之间，适合暖通空调冬夏两季制热及制冷双工况运行，供暖时水温较地下水温高 3 巧，制冷时较空气温度低1 0 一1 5 i b j e ( 3 ) 作为城市废热之一城市污水占城市区域废热百分比很高，日本东京占近4 0 e “”，我国各城市 所占比例在1 0 e 一1 6 之间，是城市废热回收潜力最大的部分1 。 ( 4 ) 城市污水是载热水体，热容量大，相对空气源、土壤源而言换热设备具有很高的传热效率， 热泵空调系统运行效率高，空气源、土壤源热泵制热系数在3 5 以下而污水源热泵可高达4 5 甚至以 上1 “1 “。 ( 5 ) 城市污水量大面广，在市区内既可分散性小规模应用，也可建设大型热泵站，系统机组装机容 量可在i o o k w - 2 0 0 0 k w 之间，甚至更大。开发利用城市污水作为热泵冷热源为建筑物供暖空调不仅具有 节能环保效益，而且符合生态建筑的发展趋势。 ( 6 ) 城市污水能源区域分布优越。我国能源资源分布不均煤炭等矿产资源有6 0 0 分布在华北，水 力资源有7 0 分布在西南，而经济发达、工业和人口比较集中( 约占全国人口总数的3 7 ) 的南方八省一 市的能源却比较缺乏，煤炭量仅占全国的2 ，水力资源仅为1 0 0 0 “”1 。而城市污水热能分布于各大中城 市市区内，与人口及城市工业化程度成正比，将城市污水作为一种新能源，在适当优化能源结构的同时， 缓解了能源缺乏及分布的不均匀性问愿。 依上述可知，城市污水是理想的暖通空调冷热源，因此对以城市污水为冷热源的热泵空调系统进行 深入的研究具有很重要的意义。 1 2 国内外研究及应用现状 城市污水热能回收与利用是将赋存于处理或未处理的污水中的热能回收后并加以有效利用的一项 新技术，是以利用热泵回收低位能源为理论基础的。水源热泵( w a t e r s o u r c e h e a t p u m p ) 是以水为热源 的可进行制冷制热循环的一种热泵装置，最早在2 0 世纪6 0 年代由美国加州热泵公司发明1 。城市污水 热能回收与利用，主要是通过水源热泵来实现的。所谓城市污水热能利用系统，就是以城市污水作为提 取和储存能量的基本源体，通过水源热泵来实现对建筑物的冬季供热和夏季制冷双重要求的系统，也叫 污水源熟泵系统( s e w a g es o u r c eh e a tp u m p ，简称s s h p ) 。对城市污水源热泵空调系统的研究，日本、挪 威、瑞典及一些其他北欧等供热发达国家起步很早”“，但由于城市污水水质的特殊性，一直以来进展 缓慢2 ”。我国在热泵空调技术方面的研究与国外还有一定的差距。 1 2 1 国外研究及应用现状 1 8 5 2 年汤姆逊( w t h o m s o n ) 教授发表的论文中指出制冷机可用于供热，他第一个提出了一个正式的 热泵系统，当时称为“热量倍增器”。1 9 3 0 年霍尔丹( o l a l d a a e ) 报道了他1 9 2 7 年在苏格兰安装与实验的 家用热泵，其工质为氨，用空气作热源，供室内采暖及水加热之用。可以认为这一装置是现代蒸汽压缩 式热泵的真正原型。1 9 2 8 - - 1 9 3 9 年在瑞士苏黎士议会大厦安装了欧洲第一个大型热泵采暖装置。压缩机 用离心机，工质为r 1 2 ，以河水为热源，输出热量达1 7 5 k w 。由此开始，压缩式热泵在欧美得到了发 展。 2 第一章绪论 1 9 8 7 年，原苏联的杨图夫斯基等人对热泵站供热与热化电站、区域锅炉房集中供热进行比较得出 利用热泵站供热可节约燃料2 9 7 - - 3 2 ，并提出利用莫斯科河水作低位热能的热泵站区域供热方案。 挪威奥斯陆1 9 8 0 年开始建设利用城市污水干管的污水作为热源的热泵站。第一台热泵机组己在1 9 8 3 年投 入使用。由于能源危机及环境问题的日益突出，在美国、日本、德国等发达国家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。瑞典斯德歌尔摩有4 0 的建筑物采用热泵供热，其中1 0 利 用城市二级出水2 6 】。东京政府从1 9 8 7 年开始建设污水源热泵系统项目现有1 2 个系统在运行，日使用 水量7 0 0 0 m 3 ，总供热能力为8 9 0 0k w ，总供冷能力为1 1 6 4 0k w i 明。俄罗斯莫斯科乌赫托姆斯基小区也 建有城市二级出水的系统供热站 2 9 l 。日本东京落合污水处理厂使用的是处理后的污水，汤岛污水泵站 使用的是未经处理的污水，根据运行情况得知以未处理污水作为热源热泵系统的供热系数和制冷系数均 小于处理后污水作为热源的情况，其原因主要是由于未处理污水的水质较差，影响换热器传热效果所 致1 2 9 1 。 污水源热泵空调系统按换热器换热类型分为浸泡式、淋水式与壳管式。国外研究应用很典型的两个 工艺形式为淋水式与壳管式，早在1 9 8 3 年就开始了工程实践，而且一直沿用至今，一些典型的工程事例 如表1 1 所示。 表1 1 国外比较典型的污水源热泵系统工程 地点水质容量( k w )投入时间系统工艺制熟系数 挪威一奥斯陆。一级出水” 8 5 0 0 1 9 8 3 笠淋水式2 6 瑞典一塞勒净化水3 9 0 0 01 9 8 2 芷壳管式3 4 东京落合水处理厂二级出水5 8 01 9 8 7 笠壳管式3 4 东京汤岛水处理厂。一级出水”2 1 01 9 8 7 笠壳管式3 2 东京后乐水处理厂。一级出水” 3 0 0 0 壳管式 3 5 1 2 2 国内研究及应用现状 近几年随着水源热泵的推广应用，一些开发商对城市污水源热泵系统产生了兴趣，国内学者也逐渐 认识到该系统的重要性，开展了一系列相关研究，但由于应用技术的相对滞后，研究仅处于系统工艺的 初步探讨及可行性分析，主要是对节能性、环保性与应用前景预测的一些讨论。”“。尹军教授等人经 对国内某企业回收污水热能的可行性分析表明，在相同的供热量和制冷量的条件下，以污水为热源的热 泵系统要比以空气为热源的热泵系统更为节能；污水热能供热与锅炉供热相比，既可明显节能，又可节 省运行费用在国内具有很好的可行性。 1 9 9 0 年，天津大学热能研究所研制了变电站中利用调相机冷却水余热为低位热源的熟泵供热和空调 系统，该系统在河北省街水变电站安装使用，这是我国首台小型熟泵站。2 0 0 0 年，北京市排水集团在高 碑店污水处理厂开发了一套污水源熟泵试验工程，利用热泵装置向一个3 0 0 m 2 的车间和一个6 0 0 m 2 的机 房冬季供暖、夏季供冷。继高碑店污水源热泵试验工程后，北京市捧水集团又在北京北小河污水处理厂 安装了一套规模更大的污水源热泵，为本厂6 0 0 0 r f l 2 的办公楼和厂房供熟与供冷。 2 0 0 1 年吉林建筑工程学院环境工程实验室研制了一套城市污水热能回收与利用的实验装置。该实 验装置将一定长度的铝塑盘管布置于污水池( 曝气池) 中，管内通入自来水或其它的工质，以强迫对流的 方式将污水中的热能置换出来。实验采用d n 2 5 的铝塑管作螺旋布置，管间距0 1 5 m ，长度1 0 0 m 。实验结 果是：在室内温度为1 0 污水温度为8 5 、室外温度为8 的条件下启动热泵，当铝塑盘管内流体流量 为1 o k g ，s 时，最大换热量可达8 3 2 k w ，满足污水热能利用系统的换热需求( 为6 0 u 1 2 建筑供热) ，热泵机 组的平均性能系数为2 6 1 1 。 我国目前已经建造了些污水源热泵空调系统，大都浸泡式系统，几个小型工程实例见表1 2 。 3 东南大学硕士学位论文 表1 2 我国近期水源热泵系统实例 地点水质建筑面积投入时间系统工艺制热系数 高碑店水处理厂二级出水9 0 0 l n 2 0 0 1 芷浸泡式3 9 6 秦皇岛海港区 二级出水3 0 3 8 m 2 2 0 0 3 生 壳管式 4 2 污水处理厂 大庆某办公楼 原生污水7 0 0 m s2 0 0 1 焦浸泡式4 0 哈尔滨马家沟原生污水6 0 0 m 2 2 伽已 浸泡式3 7 5 哈尔滨望江宾馆原生污水 1 6 0 0 0 m 。2 0 0 3 浸泡式 4 0 大庆恒茂商城原生污水1 5 0 0 0 2 0 0 4 浸泡式3 9 哈尔滨太古商城原生污水3 4 0 0 0 m 2 2 0 0 4 浸泡式 4 0 国内还有学者对污水源热泵空调系统的节能性和环保性作了一定的研究，文献1 3 5 - 3 6 基于假定的 能耗参数得出污水源热泵空调系统有节能、环保的特性，这一结论在文献 3 7 3 8 中通过实验研究得到 验证。文献【3 9 】基于工程实践参数，定量的比较了城市污水源热泵与其他冷热源的一次能源利用率，在 单位污水量条件下提出了一次能源用能系数与节能系数的概念，并给出了计算式，做了定量对比计算， 评价预测了节能和环保效益。环保性是用污染物削减量来描述的，所谓污染物削减量是指采用城市污水 源热泵系统较其他系统减少的污染物排放量。文献 4 0 1 比较了污水源热泵系统与常规水源热泵系统、燃 煤+ 空调、燃油+ 空调、燃气+ 空调及电锅炉+ 空调系统的节能性和环保性论证了污水源热泵系统的经 济性和应用前景。文献t 4 1 阐述了污水源熟泵系统的主要特点，讨论了系统运行中可能存在的问题及应 采取的措施。 1 3 本课题的研究内容及意义 现有文献关于污水源热泵的分析都是以r 2 2 为工质的，对于r 1 3 4 a ，r 4 0 7 c 等环保工质的热泵系统 研究很少。虽然国内外对于污水源热泵已经有实际工程应用，但对污水源热泵性能的研究大都集中在以 热力学第一定律为基础的系统c o p 值的研究上，对于系统的有效能分析很少，对于污水源热泵空调系统 的环保及节水方面的研究也不足。对污水源热泵空调系统的全面合理的节能性、经济性分析和评价上存 在欠缺。 本文从环境保护、能源有效利用的角度出发，按照。可持续发展”的暖通空调设计理念，对污水资 源化的方式之一城市污水热能回收与利用系统( 污水源热泵空调系统) 进行分析和评价，为污水源热 泵空调系统在我国的应用和推广提供技术参考。本文结合目前污水源热泵空调系统的研究应用现状，系 统地研究如下内容： ( 1 ) 调研城市污水冷热源的水源特点，包括城市污水的水量、水质、水温及分布情况。主要现场调 查南京地区的污水处理厂出来的二级污水全年的温度变化情况，根据南京地区近十年的气象统计资料， 比较污水温度与环境大气温度的相对大小及其随季节的变化为污水源热泵的研究提供基础数据。 ( 2 ) 污水源热泵系统的技术分析对污水源热泵系统在不同工况条件下的性能模拟分析( 主要是研 究在污水侧温度变化时系统性能的变化) 以及在不同的环保工质( r 1 3 4 a 、r 4 0 7 c 等) 下系统的热力学性 能变化，包括系统的能量分析、有用能分析( 利用姆损失的概念进行分析计算) ，并从一次能源利用的 角度与空气源冷热水机组，水冷机组+ 燃气锅炉这两种传统的空调供暖方式进行热力学性能的比较，并 对污水源热泵空调系统的节能性、环保性进行研究。 ( 3 ) 污水源热泵系统的熟经济学分析，找到一种能较全面衡量地源热泵系统技术特性和经济性的方 法，为这项技术在我国的不断完善和推广作出努力。提出热经济学分析的原则并建立系统的单位制冷 成本和单位供热成本分析数学模型，对系统进行了制冷和供热费用分摊并与空气源冷热水机组、水冷 机组+ 燃气锅炉这两种传统的空调供暖方式进行初投资和全年运行费用比较。 4 第二章棚分析方法基础 2 1 基本概念 2 1 1 系统、环境与娜 2 1 1 1 系统 第二章炯分析方法基础 发生在物质世界的能量传递和转化过程是与物质状况的变化密切相关的。为了研究能量转化的规 律，首先要观察和分析发生这种转化的物质系统的变化。工程热力学把包含在规定边界内的物质的总和 称为热力学系统，简称系统 4 2 j 。系统以外的一切事物叫做外界系统与外界之间的分界面叫做边界。 边界可以是实际存在的，也可以是假想的。另外，系统和外界之间的边界可以是固定不变的，也可以有 位移和变形。 根据热力系统和外界之间的能量和质量交换情况，热力系统可分为不同的类型。一个热力系统如果 和外界只有能量交换而无物质交换，则称该系统为闭口系统又叫控制质量。如果热力系统和外界同时 存在能量和物质的交换，则该系统叫做开口系统，又叫控制容积1 。根据系统与外界是否发生质和能 的交换，系统还可分为绝热系统和孤立系统。系统与外界之间没有热量传递的系统称为绝热系统，绝热 系统是系统与外界传递的能量小到可以忽略不计时的一种简化模式。热力系统与外界之间既无能量交换 又无物质交换的系统称为孤立系统，一切热力系统连同与之相互作用的外界都可以抽象为孤立系统。必 须明确的一点是系统并不是固定不变的，它随着研究目的和研究对象的不同而不同。那么绝热系统和孤 立系统也不是实际存在的，它们只是人们为了研究的方便而人为划分出来的1 。 2 1 1 2 环境 在系统的边界以外并与系统相互作用的物体称为环境1 。烟是以环境为基准的相对量，这里所说 的“环境”是指系统外特定的一部分外界，我们把环境理解为无限广阔的、内部保持均匀一致而且相对 静止的、专由地表、海洋和大气构成的理想外界。环境可以看作是一种无限大的物质源与能源，而且是 一种提供与蓄积姬的能源。当其参与系统所经历的过程时，它可能吸收或放出能量与质量，但不会改 变其自身的强度量而且它吸收、积聚或放出的能量，其能质系数均为零，不能转化为有用功。 环境是确定的基准物质的集合，基准物质及其热力状态和浓度是物质系统娜的计算基准，作为基准 物质和基准物质集合的环境应满足两个基本要求1 ： ( 1 ) 要保证基准物质和环境处于寂态，即处于确定的物质系统烟的计算基准状态，在此状态下，环 境物质的；蛆值为零。 ( 2 ) 要保证基准物质和环境稳定地处于寂态，即不因它与系统间的种种相互作用而偏离寂态。 2 1 1 3 物质系统与环境的平衡 系统与环境之间的平衡。依其性质可以分为约束性平衡和非约束性平衡两类。 约束性平衡是指系统与环境达到热与力的平衡。系统与环境之间不发生任何质量的迁移，既不会发 生混合扩散，也不会发生化学反应，所以这类平衡不涉及浓度与组成变化引起的化学平衡问题。环境只 是作为一种无限大的妩源其物质组成及其成分是无关紧要的。系统与环境达到约束性平衡时的状态 称为“约束性死态”或“物理死态”1 。在此情况下，只需给出环境的热力状态，而不需给出环境的 各种基准物质及其浓度，此时环境为一无穷大零级热源和功源“”。 非约束性平衡是指系统与环境之间不仅达到了热与力的平衡，而且还达到了化学平衡，亦即达到了 完全平衡。系统与环境达到非约束性平衡时的状态称为“非约束性死态”或。化学死态”。对于非约束 性平衡环境的物质构成及其成分就至关重要了，不仅要求系统的温度与压力应等于环境的温度与压力， 而且系统的物质组成应与环境的物质组成有相同的部分。在这种情况下，环境不仅是无限大姬源，而 奎堕查兰堡主兰垡丝茎 且是无限大的物质源1 。在此情况下，不仅要给出环境的热力状态，而且要给出环境的各种基准物质 及其浓度，此时环境实际为一无穷大零级热源、功源和物质源1 2 i i 4 能量与炯 在周围环境条件下，任一形式的能量中能最大限度地转变为有用功的那部分能量称为该能量的烟； 能量中不能转变为有用功的那部分能量称为该能量的妊。能的质是与能量转换的能力密切相关的，而 能量转换的能力又受热力学第二定律的约束。这种约束对能量转换的深度提出了限制。根据能量转换时 是否受热力学第二定律的制约，可以划分为三种不同质的能量：可无限转换的能量、可有限转换的能量、 不可转换的能量。其中可无限转换的能量用。姻”加以概括，不可转换的能量全部都是姬。烟是一种 能量，具有能的量纲和属性，但又与能的含义并不全同。一般能的“量”与“质”是不统一的，而娜代 表了能量中“量”与“质”的统一部分。这样就可以以姗来评价和比较各种不同形态的能量，这就提供 了评价能量的统一尺度。娜不仅反映了能的。量”的大小而且还反映了“质”的高低，解决了热力学 长期以来没有任何一定种物理量可以单独评价能量价值的问题，改变了人们对能的性质、能的损失和能 的转换效率等传统看法，提供了热工分析的科学基础，深刻揭示能量转换过程中能量变质退化的本质， 为合理利用能指明了方向。 能量系统中任一点的烟都可由其它参数算出，这些参数则可通过对系统的每个过程建立能量平衡关 系来确定。系统中某一点相对于基准状态的；i 瞄可用下面的普遍方程计算1 ： r矿2 。 一 e = 坍l ( 一) 一瓦。一) + 暑+ ( z z o ) 叫i + 艺一风) 札4 - ( 2 1 ) l “ 占一j c 上式中的下标o 代表基准状态，在大多数系统的分析中，只会用到某一些项，并不是所有的项都是 必需的。 烟具有如下性质：第一、烟具有能的属性，可以是状态量，也可以是过程量，含蓄形式的能量所含 有的烟是状态量，迁移形式的能量所含有的烟则是过程量；第二、烟具有等价性。它是一种用以度量各 种形态能量转换能力的物理量，表示能量转换时可能的极限值。各种形态能量的姗都是等价的；第三、 烟具有互比性，它从量与质相结合的角度反映了能的价值，代表了能量中量与质相统一的部分；第四、 烟具有相对性它是以环境作为基准所取的相对量；第五、烟具有可分性，可分为多种不同形式的姗， 如物理姗、化学烟、动能姗等；第六、在可逆过程中，烟具有守恒性姗的总值不变，而不可逆过程烟具 有非守恒性。 2 1 1 5 内能烟和焓烟 当系统与环境处于非热力学平衡时，工质所具有的各种形式的能量都具有烟。任意闭口系统从给定 状态以可逆形式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所做的最大有用功称为给定状态下闭口系统的 烟。宏观动能和位能全是姆，因此一般所谈及的闭1 ：3 系统的烟就是指闭口系统的内能姗。闭口系统从任 意给定状态可逆变化到基准环境状态时所能提供的最大有用功就是闭口系统工质的烟，即内能姻。内能 烟的计算表达式为： e ，= u v o + p o ( v 一) 一r o ( s s o ) ( 2 2 ) 其中下标0 代表基准状态，以下同。内能烟县有下列性质：( 1 ) 内能j 艉状态参数，它与系统的状态 和环境状态有关；( 2 ) 物理死态的内能烟为零：( 3 ) 在除环境外无其它熟源的条件下，闭口系统由一个状 态变化到另一个状态时对外做的最大有用功等于两个状态内能娜9 差值，与所经历的过程无关。( 4 ) 内 能舸以分解为单纯由力不平衡和单纯由热不平衡引起的两部分。 在无其他热源的情况下，稳定流动系统的所做有用功的能量来源是流入系统时稳定物流( 工质) 所 具有的能量。稳定流动系统工质的姆定义为：稳定物流从任一给定状态流经开口系统以可逆方式转变到 环境状态，并且只与环境交换热量时所能做的最大有用功。稳定流动系统从任意给定状态可逆变化到基 准环境状态时稳定物流的烟的计算表达式为： 6 第二章翊分析方法基础 e = 日一风一r o ( s s ) + 吉肌( c c o ) 2 + 以g 。一) ( 2 3 ) 当忽略流动工质的宏观动能和位能时，稳定流动系统的工质烟叫焓烟。焓烟的计算表达式为： e j ：= 日一月i 一写( s s o ) ( 2 4 ) 稳定流动工质的焓烟具有下列性质：( 1 ) 它是状态参数取决于工质的状态和环境的状态。当给定 环境状态后，焓姆只取决于工质本身的状态。( 2 ) 与环境处于约束性平衡的稳流工质，其焓烟为零。( 3 ) 初、终两态之间的焓姻差就是除环境外无其他热源的条件下，稳流工质在这两个状态之间所能作出的最 大有用功。 在制冷、热泵系统中，工质的动能、位能相对内能和焓值来说很小，可以忽略不计，因此闭口系统 的姻都是用内能娜表示，稳定流动系统的工质；噼口是用焓娜表示 2 1 2 热量姗和冷量烟 2 1 2 1 热量烟 。热量舸是指高于环境温度的系统，在给定环境条件下发生可逆变化时，通过外界传递的热量所 能做出的最大有用功，也就是说，热量媚就是热量q 相对于环境所能做出的最大有用功1 。 图2 1 微卡诺熟机工作在环境和热源之问图2 2 微卡诺热机工作在环境和冷源之间 设环境温度为t 0 ，有一温度为t 的系统，该系统的温度高于环境温度，i 那t o o ( 2 1 h 由热力学第二定律可知摩擦生热是一种典型的不可逆过程，通过摩擦方式使全部为烟的有用功转 变为某一温度水平下系统的热量，而该热量中只有一部分为烟，其余部分为姬，有用功通过摩擦生热使 烟的