直接式污水源热泵系统节能与环保性能分析

1、文章编号:CAR267直接式污水源热泵系统节能与环保性能分析钱剑峰1,2 孙德兴3 季阿敏1 郑大宇1(1. 哈尔滨商业大学 土木与制冷工程学院，哈尔滨150028; 2. 大连理工大学 土木水利学院，大连 116024；3. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，哈尔滨 150090摘 要 利用城市污水作为水源热泵的热源或热汇实现建筑物供热空调时有直接式与间接式两种形式。借鉴间接式系统的技术成果，对直接式系统的在线除垢技术等关键技术进行了介绍与探讨。以传统锅炉房供热和风冷机组为比较对象，对直接式系统的能源利用效率与环保效益进行评价分析。结果表明：直接系统的一次能源利用率比间接系统的大0.10.2

2、左右；全年总节煤量比间接系统大约多7%；直接系统污染物总削减量约比间接系统高8%左右。 关键词 污水源热泵系统 直接式 在线除垢 节能 环保ANALYSIS OF DIRECT SEWAGE SOURCE HEAT PUMP SYSTEM ANDITS CHARACTERISTICS ON ENERGY EFFICIENCY ANDENVIRONMENTAL PROTECTIONQian Jianfeng1,2 Sun Dexing 3 Ji Amin1 Zheng Dayu 1( 1. School of Construction & Refrigeration Engineerin

3、g, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China; 2. School of Civil & Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;3. School of Municipal & Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin150090, ChinaAbstract there are two forms of the

4、 direct and the indirect urban sewage source heat pump system when using the urban sewage as heat source or sink on heating or air conditioning in the buildings. On the basis of the indirect system technology, the key technologies on online scale removal method in the direct system are introduced an

5、d discussed. Taking traditional boiler room heating and the forced-air cooling unit as the comparative objects, the appraisal analysis of the direct system is carried on energy efficiency and environmental protection. The results show that the primary energy ratio of direct system is bigger about 0.

6、10.2, annual coal conservation is approximately bigger 7%, and amount of pollutants to be reduced is approximately higher about 8% than those of indirect system.Keywords Sewage source heat pump system Direct system Online scale removal method Energy saving Environmental protection水处理厂二级出水24，水质较好，对机组

7、的要求1 引言 并不高；而当采用原生污水（未经过水质处理）为热源时，直接式热泵系统一般都采用滤网、格栅、利用城市污水、地表水等的水源热泵系统实现自动筛滤器等过滤装置对污水进行粗效处理，并经建筑物供热空调，对促进建筑、能源和环境三者间沉渣池去除污水中的杂物，并需对机组进行定期物的和谐发展具有深远影响1, 2。城市污水源热泵系理、化学清洗；同样，若取用污水处理厂一级出水，统可分为直接式与间接式两类。前者污水与制冷剂则也需经沉渣处理并对机组定期清洗。而当前我国之间仅经换热器壁面换热；后者则存在中介媒质，以原生污水、一级出水作热源的直接式污水源热泵从而传热热阻增加，导致热泵系统效率随之下降。系统的实际

8、工程还不多见，如文献57所报道的均 国外直接式污水源热泵系统所用污水大部分为污为间接式污水源热泵系统。虽然对直接式系统研究很少，但在系统经济、节能、环保性分析时，基金项目：国家自然科学基金资助项目（50578048）作者简介：钱剑峰，（1980- ），男，博士，博士后大部分研究者都未考虑污水换热器等中间系统的影响，实际上两者的污水资源利用成本差异较大，不仅受不同地区、用户及国家能源政策等因素影响，而且其初投资及运行费用差距也较大。当前直接式系统的发展并不充分，原因在于：（1）间接式系统污水不直接进机组且所需污水换热器已研制成功并投入生产；而直接式系统的热泵机组需特殊处理，虽然对此人们有很多设想

9、和试验，但目前尚未得到推广。（2）直接式系统形式较间接式简单，节省了污水换热器，制热系数与运行费用均优于间接式系统，但热泵机组特殊处理增加了初投资，其定量计算当前还未见诸于文献。下面将在借鉴间接式污水源热泵系统的基础上，总结直接式污水源热泵系统的关键技术，提出一些新的设想，经节能与环保性能分析探讨其应用可行性。2 直接式系统的可能除垢方法直接式污水源热泵系统不设污水换热器，故蒸发器或冷凝器必须有采取有效的防阻、除垢技术，才能保证系统的连续运行，其防阻技术可借鉴间接式系统中成熟的旋转反冲洗技术，下面主要论述其 除垢技术。a 北京某工程 b ）哈尔滨某工程图1 污水换热器的软垢状况Fig.1 So

10、ft dirty condition on sewage heat exchanger 目前在污水环境中证明其适用性的防垢换热器除不锈钢换热器外，还有钛或钛合金换热器、塑料换热器等。钛或钛合金换热器用于原生或者一级污水时，基本没有腐蚀3，但其制造成本较高，因此其在污水源热泵系统中使用时需综合考虑其经济性；塑料换热器具有优异的耐腐蚀性、抗老化期在十年以上、使用温度范围广、不粘附、不结垢等优点，是替代不锈钢、钛换热器的理想设备8。但其传热系数低、机械性能受温度影响，在使用时需核算其机械强度。另外，由于超亲水性的纳米材料能使污垢的附着力大幅度降低，经水冲洗，污垢能自动从材料表面剥离8，因此这也是一种

11、有前途的防垢方法，但是目前钠米材料换热器还未见于文献，因此在污水源热泵系统中的应用有待进一步研究。城市污水含有大量的悬浮物，换热设备很容易造成短时间堵塞，且换热设备里会形成软垢5，对设备的换热性能产生影响，因此如何防止污物对设备与管路的阻塞及污染是其应用难点。目前在线除垢技术有：海绵胶球法、弹簧插入物法、旋转螺旋线法、塑料纽带法等9。但这些方法也难以适应污水的水质。为此笔者等经实验和理论探索开发了如下专用于污水环境的在线除垢方法，其实用性还待今后进一步研究。（1）螺旋刮削式除垢换热器该换热器由换热管束、除垢部件、驱动装置组成，通过齿轮传动，带动螺旋绞龙在管内转动，将换热管内壁上的污垢除去，除垢

12、部件具有转速低（25rpm ）、除垢部件与污垢间切向力小、除垢部件及换热面磨损小的优势，如图2。2.2 除垢技术刮削式除垢部件 防冻液进口污水出口齿轮与轴承电机与减速装置污水进口凝固换热管图2 螺旋刮削式换热器示意图Fig.2 Sketch of spiral scraping heat exchanger2）拉环式除垢换热器该换热器的除垢机构主要由镂空刮环、拉索、转向轮、张紧轮（或张紧弹簧）、主动轮、曲柄摇杆机构、电机组成，如图3。 刮环；2-1 钢索；2-2 链条；3-1 转向滑轮；3-2 转向链轮；4 张紧链轮；5 主动链轮 图3 拉环式除垢换热器示意图Fig.3 Sketch of p

13、ulling scraping heat exchanger（3）高压轮替冲洗除垢换热器高压轮替冲洗除垢换热器采用高压水将换热管中的软垢冲除。每次冲洗部分管束，随着冲污水头的旋转，循环对换热管进行冲洗，细部的示意图如图4所示。1 换热管束；2冲污注水头；3 主轴出水口；4 主轴；5 接头；6 电机；7 高压冲污水泵；8 封头； 9 管板图4 高压轮替冲洗除垢换热器示意图 Fig.4 Sketch of strong flushing heat exchanger2.3 直接式系统的冬夏切换热泵系统冬夏切换的方法有内切换和外切换（图5）两种，内切换为在机组内部能过使用四通换向阀等方法进行切换，外

14、切换为在机组外通过阀门的启闭进行切换。污水源热泵的切换方法一般为内切换，使用内切换时直接式系统只要一侧的换热器为适合污水的特殊材质，对机组的要求较低，可节省系统的投资。目前市场上的四通换向阀无法满足大、中型热泵系统中大管径的要求，且蒸发器、冷凝器一年只切换一次，因此可采用普通阀门来切换。12451 冷凝器；2压缩机；3 蒸发器；4 膨胀阀；5 四通换向阀a 内切换系统2131 冷凝器；2压缩机；3 蒸发器；4 膨胀阀；5 污水取水设备；6热用户b 外切换系统 图5 切换系统示意图Fig.5 Sketch of the switching system3 系统节能性3.1一次能源利用率一次能源利

15、用率反映了直接式污水源热泵系统的一次能源利用效果，也是考察设备全生命周期中对环境影响重要参数之一。冬季采暖工况下，污水源热泵系统的一次能源利用率为：E Q rr =W /(=r f sf s （1）式中f一次能源发电效率，取35% ；s 电力输送效率，取98%。夏季供冷时一次能源利用率：E l =Q l=f sW /(f s 式中(2Q R 整个采暖期热泵系统向用户的供热量，kJ ；全年一次能源利用率为系统全年向用户提供的能量与所消耗的一次能源之比：全年一次能源利用率为系统全年向用户提供的能量与所消耗的一次能源之比：Q 1+LQ +Q L Q RE 0=R =L R L+E r E l E r

16、 Q R E l (4Q L 整个空调期热泵系统向用户的供冷量，kJ 。 一次能源利用率一次能源利用率冬季污水进口温度（） 夏季污水进口温度（）图 6 一次能源利用率与污水水温的关系Fig.6 Relationship between the primary energy ratio and the sewage temperature一次能源利用率一次能源利用率用户供 水温度（）图7 一次能源利用率与用户供水水温的关系Fig. 7 Relationship between the primary energy ratio and user supply temperature用户供水温度（）

17、一次能源利用率越大则相应系统越节能。图67显示了一次能源利用率与污水水温、用户供水水温的关系，图中“z ”与“j ”分别表示直接式和间接式系统，下同。由图6可见，两系统一次能源利用率均大于1，且直接系统一次能源利用率要比间接系统大0.10.2。由图7可见，冬季用户供水温度对系统的全年一次能源利用率的影响较大，随着用户供水温度的增加，两种系统一次能源利用率都呈减小趋势，但直接式系统优势明显。3.2 全年节煤量在供热工况下，将污水源热泵系统与传统锅炉房采暖进行比较，以反映系统的节能效果。供暖期污水源热泵节煤量为M =M b M H =Q R 11(q e b e r （4）式中M b 锅炉房采暖季

18、总耗煤量，kJ ； M H 污水源热泵采暖季耗能折合的耗煤量，kJ ；q e 标煤的热值，取29.31GJ/t；b 锅炉效率（包含储煤损失、输运损失D H 污水源热泵系统夏季供冷耗电量，kJ ；等），取60%；a 风冷机组的制冷系数，取4。为了考察系统全年的节能量，将节电量转换成节煤量，则全年总节煤量为e 电力输入效率，取30%。夏季空调时，与风冷机组比较，空调期的节电量：M =M +Q L 11D =D a D H =(3.6×103a (5式中D 1000q e f（6）D a 风冷机组夏季供冷耗电量，kJ ；图8显示了以哈尔滨地区采暖（供冷）面积为1万平米的建筑为例，污水水温对

19、全年总节煤量的影响，由图可以看出，此时采用直接系统时全年总节煤量约比间接系统高7%。 总节煤量（吨）总节煤量（吨）污水进口温度（） 夏季污水进口温度（）图8 污水水温对全年总节煤量的影响Fig. 8 Influence of the sewage temperature on annual coal conservation4系统环保性4.1 污染物排放削减量计算环保效益主要通过污染物排量的削减来表征。 直接式（或间接式）污水源热泵系统采暖期污染物排放削减量：m w , i =M R w , im（7）w , i式中 整个采暖期第 种污染物的排放削减量，t ；i 依次分别代表CO 2、SO 2

20、、NO x 和粉尘；单位质量煤燃烧产生的第 种污染物质量，t/ t。以上单位质量煤燃烧产生的污染物质量原则上应按照标准煤的C 、S 、N 及灰分含量来计算，但标准煤只规定了煤的热值，并不规定各种成分的含量，因此可根据国家规定的污染物排放定额来计算，如表1。R w , i表1 污染物的排放定额Table1 Estimation ration of the pollutants项目 CO2 SO2 NOX 标煤（t/t） 电力（kg/kWh）粉尘2.75 0.03 0.004 0.02 1.126 0.0123 0.0016 0.082夏季环保效益： 量，t ；m s , i =D R s , i

21、 3600（8）4.2 环保效益分析R s , i式中m s , i生产单位电能产生的第 种污染物质整个空调期第 种污染物排放削减量，t/ kWh。夏季空调期污染物排放削减量根据单位电量的污 染物排放定额来计算，如表 1。全年总的污染物排 590 580 570 560 550 540 530 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 放削减量为两部分削减量之和。 CO2排放削减量（吨） CO2排放削减量（吨） z j 580 570 560 550 540 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 z j 污水进口温度（） 夏季污水进口温度（） a CO2 排放削减量 6.5 S

22、O2排放削减量（吨） 6.4 6.3 6.2 6.1 6.0 5.9 5.8 9.0 z j SO2排放削减量（吨） 6.4 6.3 6.2 6.1 6.0 5.9 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 z j 9.5 10.0 10.5 11.0 污水进口温度（） 夏季污水进口温度（） b SO2 排放削减量 0.86 Nox排放削减量（吨） 0.85 0.84 0.83 0.82 0.81 0.80 0.79 0.78 0.77 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 z j Nox排放削减量（吨） 0.85 0.84 0.83 0.82 0.81 0.80 0.79 0

23、.78 16.0 16.5 17.0 17.5 z j 污水进口温度（） 18.0 夏季污水进口温度（） c NOx 排放削减量 4.3 4.2 4.1 4.0 3.9 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 粉尘排放削减量(吨 z j 粉尘排放削减量(吨 4.25 4.20 4.15 4.10 4.05 4.00 3.95 3.90 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 z j 污水进口温度（） 夏季污水进口温度（） d 粉尘排放削减量 图 9 污染物排放削减量与污水水温的关系 以哈尔滨地区采暖（供冷）面积为 1 万平米的 建筑为例，直接系统与间接系统污染物排放削减量 计算

24、、比较结果如图 9。由图可以看出，直接系统 的环保效益优于间接系统，约减排 CO2 40 吨， SO22.5 吨，粉尘 0.5 吨，NOx0.080 吨，全年各种总 污染物排放削减量约比间接系统高 8%，即直接系 统对环境的污染更小。 系统高 8%左右。 参考文献 1 2 3 4 5 结 论 当前在直接式污水源热泵的研究上，大部分均 处于实验室或模拟研究阶段，大多忽略了污水水质 的恶劣性，回避了堵塞问题。本文在考察直接式污 水源热泵所需采用特殊材质、特殊处理技术等问题 的基础上，对其能源利用效率进行了量化分析，并 与间接式系统及传统供热空调方式进行比较，评价 了直接式系统的节能性和环保性这两个热泵系统 重要特性指标。 （1）以传统锅炉房供热和风冷机组为比较对 象，计算污水源热泵系统的节煤量和节电量，并以 全年节煤量为节能性指标来评价污水源热泵系统 的节能性。直接系统的全年总节煤量比间接系统大 约多 7%。受污水冷、热源的影响，节煤量有一定 的变化值。 （2）对系统的环保效益评价主要以污染物的 排放削减量为指标，计算 CO2、SO2、NOx 和粉尘