污水源热泵技术介绍

1、城市原生污水源热泵系统技术解析报告北京和利时恒业热能科技有限公司二零一一年五月目录一. 建设污水源热泵的意义3二、污水的热能利用4三污水源热泵的实现7四污水源热泵系统的效益分析8一. 建设污水源热泵的意义：（1）缓解能源消耗紧张：在全国建筑能耗占总能耗的很大比例，而在建筑能耗中暖通空调的能耗更是占有举足轻重的位置，预测2020年我国暖通空调能耗量将达到10亿吨标煤，占总能耗的30%以上。开发利用低位可再生洁净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，相对其他类型的冷热源，城市污水具有独特优势，是一种理想的低位冷热源。利用污

2、水作为冷热源对建筑进行采暖空调可以直接减少其他短缺能源的消耗，同时还可以达到废物利用的目的，是资源再生利用，发展循环经济，建设节约型社会，友好环境的重要措施。目前满液式热泵机组在蒸发器进水温度1以上时，机组制热性能系数也在4以上，以火力发电效率0.33计算，热泵机组的一次能源利用率大于1.33。而效率较高的集中供热系统（燃煤或燃气）一次能源利用率也仅在0.65-0.9之间。因此热泵系统节能量达50%。（2）保护、友好环境：我国能源消耗中，煤占70%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10个城市中，中国占有5个，包括北京、上海、沈阳、西安和广州

3、，北京冬季供暖期中（总悬浮颗粒物）、等严重超标。资料表明，70%的、90%的、60%的和85%的矿物燃料生成的来自燃煤，暖通空调引起的污染物排放量占总排放量的15%以上。燃煤排放引起的酸雨污染已扩展全国整个面积的30%-40%，造成的经济损失接近国民生产总值的2%。另外，全球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（gwp）的10%20%。暖通空调的能源消耗给环境带来了巨大压力。原生污水源热泵空调系统是利用污水作为冷热源（夏天制冷时往污水干渠里排放多余的热量，冬天采暖时从污水里提取热量为室内供暖；因为经测量污水的温度夏天低于室外温度10度左右，冬天温度可达10-

4、15度左右，故此可以利用此温差与室内供冷和供暖），无燃烧、无排渣、无排烟等过程，无环境污染问题。另外，污水经过换热设备后留下冷量或热量返回到污水干渠，污水与其他设备或系统不接触，密闭循环，不污染环境与其他设备或水系统。（3）有显著经济效益：利用污水源热泵系统供暖空调除具有重要的节能、环保意义以外，同时具有巨大的经济效益。由于热泵系统的主要能源消耗为电，因此电价费用的高低直接决定了该系统的运行成本，目前很多区域均享受民用电价，例如哈尔滨地区、沈阳地区等，我们以民用电价0.55元/度来比较热泵系统与集中供热的运行费用。以该地区建筑面积1万m2为例，供暖设计负荷按40w/ m2（实际发生量）计算，供

5、热负荷为400kw，污水源热泵的运行费用为：供热设计负荷÷热泵制热系数×辅助能耗系数×供暖平均负荷系数×运行天数×天运行小时数×电价=400÷4×1.10×0.7×141×24×0.55=14.3（万元）地区集中供热系统按面积分摊费用为建筑面积19.8元/ m2。每万m2建筑面积分摊费用为19.8万元。因此热泵系统较集中供热系统每万m2节省运行费用5.5万元，节省率为27.7%。当然在收取19.8元/ m2的分摊费用中，集中供热系统的热力公司也含有部分经济利润，单纯利用热泵的

6、运行成本与集中供热的分摊费用来比较有欠妥之处。但热泵系统具有较大的一次能源节能潜力，从国民经济的角度上看，经济效益是非常显著的，因为实际的火力发电成本也就0.20.3元/度，而且我国冬季供暖期间电力是过剩的。二、污水的热能利用城市污水是一种宝贵的可再生资源，包括污水回用、污泥利用和热能回收，其中污水热能回收是城市污水资源化的重要组成部分之一。城市污水携带的热量是城市废热之一，占城市废热排放的很大比例，据调查日本城市污水废热比例占40%，我国平均比例在16%左右，经济发达地区占30%以上，随着居民生活水平的不断提高，该比例还会逐年大幅度增加。因此，要节能环保，要进行废热回收利用，城市污水是必不可

7、少的重要的一项。另外，城市污水是通过市政污水管网排放至污水处理厂，即可通过污水干线分散利用，也可在污水处理厂集中利用建设热泵站。2.1 污水特性分析城市污水源热泵空调系统是利用污水流量大，水质稳定，常年温度在13至25等特点，以污水作为冷、热源进行制冷、制热循环的一种空调系统。以北京地区为例，监测资料显示，冬季城市污水的温度在1220，水中蕴藏着大量的低温热能，是污水源热泵空调较好的低温热源；夏季城市污水的温度在2025之间，且日变幅较小，可以作为污水源热泵空调冷凝热量的散热体。但是城市原生污水的水质不能适应现有的水源热泵机组。由于污水成分很复杂，会造成换热器表面结垢、阻塞甚至是腐蚀的现象。由

8、于这些现象的存在。使得换热器的传热效率降低。流体的流动阻力加大。降低换热器的使用寿命。有时甚至使换热器无法工作。在污水利用过程中经常出现的水质问题是结垢、腐蚀、生物生长、淤塞和起泡，这些问题都是由污水中的污染物引起。因此针对不同材质的换热器为了保证污水的水质不影响污水源热泵系统的应用，处理主要从以下几个方面考虑。2.1.1控制结垢通过长时间对污水源热泵系统的监测，系统经过一段时间的运行，换热器表面会形成一层软垢，通常的稳定期在15 天左右，而控制软垢的增长可提高换热器内污水流速来进行抑制软垢的增长。另一种方法是定期清洗换热器，通过实践记录，采暖季过后或制冷期过后可定期进行清洗。2.1.2 防止

9、腐蚀如果总溶解固体(tds)的数值高就提高了水的电导性，这就造成了高的腐蚀性。另溶解的气体和高氧化状态下的金属离子也能造成腐蚀。冷却水处于酸性状态下也容易形成腐蚀。据美国得克萨斯州的lubbock 市的jones station 电厂报道，当循环冷却水中存在氨离子时，氨离子转化成硝酸，使ph 值从7.47.9 降低到6.5 甚至更低。对此，可以加入二氧化碳，通过提高重碳酸盐碱度而调节ph 值阻垢剂(如铬酸盐、聚磷酸盐、锌离子和聚硅酸盐)能够减少污水的潜在腐蚀性。另外，热泵换热器采用抗腐蚀性强的海军铜管作为换热器的换热管，从材质上解决污水具有的腐蚀性。2.1.3 减少淤塞通过阻止颗粒性物质的形成

10、和沉降能够控制淤塞。智能污水防阻机过滤网孔径2mm，只有小于2mm 的杂质才可进入热泵系统，换热直径18 mm，完全可避免换热管淤积的情况，实践也证明这一点。2.2自主研发污水源热泵系统 基于对污水特性的研究，北京和利时公司自主研发污水专用热泵系统。在污水侧利用智能防阻机防止大颗粒污杂物进入系统，同时研发污水专用热泵机组，使机组满足污水的使用要求，使利用污水成为现实。2.3 举例分析污水热能的利用以北京地区为例，冬季污水温度最低取12，夏季温度最高取28，主渠污水流量为1000m3/h。按设计污水温差可利用冷热量情况如下表所示。表1 污水可利用冷热量（按1000m3/h计算）污水温差（）可提取

11、的热量（kw）可排入的热量（kw）446404640558005800669606960781208120取估算指标平均供暖负荷40、45、50w/（建筑面积），平均制冷空调负荷60、70w/，热泵制热系数平均4，制冷系数5，可供暖空调面积如下表2所示。表2 可供暖空调冷热量/建筑面积（按1000m3/h计算）污水温差（）可供热热量（kw）/供热面积（万m2）可制冷的空调冷量（kw）/可供冷面积（万m2）4580014.50/12.88/11.6037126.18/5.305725018.12/16.11/14.5046407.73/6.626870021.75/19.33/17.405568

12、9.28/7.9571015025.37/22.55/20.30649610.82/9.28由表2可以看出：污水流量在1000m3/h，温降在7情况下，可以供暖的最大建筑面积为25.37万m2，可以提供的最大供冷面积为10.82万m2。污水源热泵比燃煤锅炉环保，污染物的排放比空气源热泵减少40%以上，比电供热减少70%以上。它节省能源，比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃煤锅炉节省1/2以上的燃料。由于污水源热泵的热源温度全年较为稳定，其制冷、制热系数比传统的空气源热泵高出40%左右，其运行费用仅为普通中央空调的50%-60%。同时国家对污水源热泵系统的应用给予很大政策、资金扶持。国家规定利

13、用污水源热泵系统给予50元/m2的补助。因此，我们深信污水源热泵有着广阔的应用前景。三污水源热泵利用的实现实现污水源热泵系统的利用，主要包括3个重要方面。3.1 污水防堵及引退水系统防止污水中污杂物堵塞的技术是此系统中的关键所在。在此系统中所用的装置为全智能污水防阻机（铰刀式反冲洗防阻机），将污水中的污杂物过滤收集，毛发纤维状污杂物有铰刀绞碎并搜集，在污水被提完温度后，需要返回污水干渠时，被搜集的污杂物经过污水的反冲力量，重新返回到污水干渠。以达到无阻塞的目的。利用污水源热泵系统，只是从污水中提取热量，表现为温度的降低，而其他如水的ph值，化学需氧量等化学性质未发生改表。防污直径达到2mm，即

14、理论上大于2mm的污杂物均被过滤掉。此智能防阻机的技术创新在于：（1） 过滤能力达到2mm，解决热泵主机堵塞问题；（2） 解决了进水和回水的混水问题；（3） 换热器使用材质及生产工艺满足较宽特性范围的污水。图1 智能防阻机外观图另外污水取水，退水口设在污水渠上，利用钢筋混凝土管（或者pvc管等）通过重力流将污水引至机房旁边设置的污水提升井。井内放置污水潜水泵。污水由潜水泵压力流送至机房内的全智能防阻机，经过防阻机过滤后进入机组，通过换热的方式污水内的热量被提取出来，被提取过热量的污水从机组流出，流经防阻机退至污水取水口下游。图2 污水引退水方案简图3.2 热泵系统从污水中提取热能的关键设备是热

15、泵主机。即利用机械做功的原理，从低品位的热源（污水）中提热，将提出的热量加以利用（供热、生活、生产用水或者其它）。此设备的技术创新在于：（1） 喷淋式（降膜式）换热器，提高换热效率的同时，也能满足污水的要求。（2） 热泵主机独特的回油冷却技术，提高机组运行可靠性。（3） 利用低压增压技术，增大压缩机吸气量，提高使用效率。四污水源热泵系统的效益分析4.1 环境效益显著原生污水源热泵是利用了城市废热作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统，污水经过换热设备后留下冷量或热量返回污水干渠，污水与其他设备或系统不接触，污水密闭循环，不污染环境与其他设备或水系统。供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，没

16、有燃烧过程，避免了排烟污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音及霉菌污染。不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，环境效益显著。我国年污水排放量达464亿m3，可节省用煤量0.33亿吨，以全国年总能耗30亿吨标煤计算，达到了1.1%，若按暖通空调的一次能源消耗量10亿吨标煤计算，达3.3%。同时每年可减少排放量达72万吨。 设单位污水量以100m3计，所能利用的显热温差为5，则可利用冷热量为 =2.1×106kj。 供暖时：可节省一次能源（燃煤）1.34×106kj，相当于71.3（22.8元）燃煤。可节省一次能源（燃气）0.651×106kj，相当于4

17、0.7m3（48.8元）燃气。制冷时，可节省一次能源（燃煤）0.357×106kj，相当于19（6.1元）燃煤。可节省一次能源（燃气）0.168×106kj，相当于10.5m3（12.6元）燃气。 4.2 经济效益明显以长春地区为例，每万建筑物供暖热指标650 kw，供冷冷指标1200 kw，采暖天数150天，城市热电采暖费29元/m²。原生污水源热泵系统与其他各系统运行费用估算比较如表3所示（燃煤等系统未计排污费）。表3所示的对比结果表明污水源热泵系统（usshp）较其他系统节省运行费用最为节省。这是在末端耗热量相同条件下，通过比较所花燃料成本计算得到的。而实际

18、污水源热泵系统在此基础上还可节省30%左右的运行费，是系统实施自动控制后，在节能与运行维护方面获得的效益。这就是通常热泵厂家在计算热泵系统的运行费时，在考虑平均热负荷系数之后，又提出其机组的负载率为70%，因此运行费用进一步减少了30%。表3 1万平方米初投资比较空调类型总投资（万元）功能热（泠）源设备其它费用合计污水源热泵系统10080180采暖制冷生活热水地下水源热泵系统80110190采暖制冷生活热水热网水冷机组70150220采暖制冷土壤源热泵80260340采暖制冷生活热水直燃机120130250采暖制冷燃煤水冷机组160100260采暖制冷表4 1万平方米运行费用比较空调类型采暖费按150天计算（万元）备注污水源热泵系统20电费