污水源热泵技术

1、污水源热泵技术开发利用低位能源（空气、土壤、水、太阳能、工业余热等）来代替部分高位能源（煤、石油、天然气等）的消耗是实现建筑领域节能减排可持续发展的重要途径。低位能源主要产生于垃圾焚烧厂、污水处理厂、火力发电厂、生产工艺冷却、送变电设施、冷冻仓库、地铁、地下路以及土壤、江河湖泊中，它们分布及广、潜能巨大。然而，由于人们对它们的认识有限，加之技术经济因素的影响，至今没有广泛的加以应用。在上述未有效利用的低位能源中，城市污水因一年四季变化较小，数量稳定，相对于环境温度，具有冬暖夏凉的温度特征，且赋有的热量较大。特别是近年来污水源热泵产品技术的进步，在实际工程推广和应用成为了现实。在我国北方地区，哈

2、尔滨、北京、石家庄、郑州、青岛、大连等地均有成功应用的工程实例。污水一般是指含有污杂物的废弃水。城市污水渠中的原生污水，其固体污杂物含量为0.2-0.4%上下，主要成分为烂菜叶、泥沙、粪便、以及少量的塑料片、纱布条、头发丝等。江河湖海等天然水的水质虽然比城市污水好很多，但对换热设备而言，它们也只能被看作是污水。之所以在讨论热泵空调时把这些水统一归类为“污水”，是因为它们带来的问题和需采用的技术手段是类同的，区别只在于程度不同。各种污水的性能及特点对比城市污水的供热空调潜力，按温度升高或降低5计算，若全部开发所贡献出的热或冷，则提取能量为10亿GJ。这个热量可供20亿平方米建筑采暖。城市原生污水

3、遍布城区，凡在建筑需要采暖空调之处，均有污水的排放。建筑物排放污水中所含的热能足以供应1/8左右相应建筑面积采暖空调的能耗。全国的江河湖湖水资源更是丰富。以长江为例，冬季枯水时的水流量也有1.5万立方米/秒。按温度升高或降低1计算（注：使用中温度改变的1，还会由于与大气的换热而部分恢复），则相当有63000MW的热源或冷源，可供采暖或空调建筑面积为10亿平方米。1城市污水的热能特征所谓城市污水热能利用是指从经过污水处理厂处理后排放的废水中，即二沉池后的出水中提取其低温热能，通过污水源热泵机组，将其提升为高温热能加以利用。它与传统的那种将污水处理过程中所产生的污泥经厌氧生物处理而产生的可燃气体或

4、污泥浓缩烘干焚烧产生热量是不同的，前者所提取的热能巨大，后者所产生的热能甚微。（1）热能赋存量巨大。与空气相比，污水具有容重高、比热大的特点，1立方米污水，使其温度降低1即可放出约1.163kW热量，而1立方米干空气，使其温度降低1仅能放出约0.00039kW热量。同时，据调查，全国2001年污水年排放总量达3317957万吨。利用污水源热泵机组从一个日处理量为10万吨的污水厂二沉池排水中提取热量可供约85万建筑物采暖。（2）全年温度变化幅度小。相当于环境温度和河水温度，城市污水温度随季节变化幅度很小，以天津市为例，污水冬季温度为1215，比环境温度高10以上；夏季温度为2325，比环境温度低

5、5以上。我国部分地区地面水冬季最低水温（3）受气候变化影响小。对于太阳能的利用来说，在夜间是不能加以利用的，而且还受阴天、下雨、下雪等气候因素影响，而风能利用，则受风速的影响，可以说是一些不稳定低位能源。与这些相比，城市污水中的热能利用受气象因素的影响很小，是一种很稳定的低位热能。（4）热能品位低，仅可在低温供热中应用。城市污水虽然热能赋存量巨大，但品位低（冬季仅为1215），从高效利用的角度出发，不宜作为高温热能使用（60以上），仅适用于建筑物供暖及生活热水供应使用（55以下），在此范围内应用，效率最高。2热能回收利用的意义回收和利用城市污水中的热能，不仅有助于加深人们对于城市污水资源化的全

6、面认识，实现资源循环利用，变废为宝，充分体现发展循环经济的理念，从而大大提高城市的能源利用率，降低城市对初始燃料的依赖，而且对控制大气污染，保护全球环境，建设节能型的城市有重大的现实意义。有效地回收和利用城市污水热能，是使城市污水资源化的一种先进技术，具有明显的节能效果、经济效果和环保效果，它对提高人民生活质量、促进经济发展、推动社会进步也有重要的应用价值。（1）节能效果。采用城市污水热能利用系统，可以代替一部分高位能源（如煤、石油、天然气、电能等）的使用，从而使城市消耗的抑制、分散化合理配置得以实现，提高了城市能量的有效利用效率，显示出明显的节能效果（据测算，与以往其他系统相比较，大约可节能

7、34%左右）。以一个日处理量为10万吨的污水处理厂为例，可供85万建筑物采暖，一个冬季即可节省燃料煤2万多吨。（2）经济效果。采用城市污水热能利用系统，可以将热源设备按区域加以设置，从而减轻初始投资的负担；同时，采用城市污水热能利用系统，由于不用锅炉房和空气冷却塔等设施和设备，可以将污水热能直接供给热需要地域，这样，在节省空间、减少设备及其占地面积的同时，相应降低了设备投资和区域管网的费用，从而大大地降低系统的运行费用。据测算，与以往其他系统相比较，大约可降低运行费用30%左右。（3）环保效果。采用城市污水热能利用系统，可以减少煤碳等能源的利用，从而相应地降低了CO2，NOX，SOX及粉尘污染

8、物的发生量（据测算，与以往其他系统相比较，大约可削减20%30%左右）在夏季用污水热能作为制冷能源，不用直接加热空气，可减轻形成城市高温的热岛现象。因此，有效利用城市污水热能，对减轻大气污染和保护环境具有重大的积极作用。3系统原理及技术特性城市污水热能回收利用技术是从地温利用技术即水源热泵技术上演变而来的。通过水源热泵机组以地下水为载体，将土壤中储存的大量低品位热能提取出来加以利用的技术已在欧美国家应用近40年，在我国也成功地应用了5年。城市污水热能回收技术应用虽然刚刚开始，但因其原理与地温利用基本一样，仅是以城市污水替代地下水，直接从污水中提取热能，所以说该项技术的推广应用也是可靠的。不过应

9、当说明的是，由于城市污水与地下水相比，具有悬浮物多、腐蚀性大的特性，所以必须使用专门的污水源热泵机组来完成热能的回收利用。31系统工作原理城市污水处理厂二沉池排水温度随所在地理纬度不同有所变化，一般冬季为820，夏季为2328。冬季供热运行时，废水经旋转式连续过滤除污器（1）净化后，由污水提升泵（2）加压流经污水源热泵专用蒸发器（3），在蒸发器内，废水中的热焓被进入蒸发器（3）的低温液态工质汽化吸收。废水温度降57后回放至排水口排放，或进入中水处理装置处理后另做它用。在蒸发器（3）内汽化后的低温工质气体经吸气管进入压缩机（4），经绝热压缩后变为高温高压工质过热气体，并经排气管进入污水源热泵专用

10、冷凝器（5），在冷凝器（5）内，采暖（空调）系统的回水，吸收高温高压工质气体的汽化潜热温度升至5055后向用户供热，而高温工质气体则冷凝为液态，经节流后再进入蒸发器（3），重复上述过程，不断地吸收废水中的热量。夏季供冷时，系统水路进行切换，即空调系统水进蒸发器（3），降温后供向用户，污水进入冷凝器，升温后将热量带走排放掉。32热能提取技术特性与地温水源热泵系统所利用的地下水相比，城市污水的水质较差，其悬浮物的淤塞及腐蚀远大于地下水，所以，回收利用城市污水热能的系统必须采取相应的技术措施，否则将无法正常运行。（1）必须设置污水利用的前处理装置，以解决热泵蒸发器、冷凝器的淤塞处。因为目前国内污水处

11、理厂大部分采用“生物化学法”处理城市污水，其二沉池排放水中存有较多的悬浮物，且具有一定的粘性，特别是在冬季，当水温较低时，废水中的生物菌活力差，菌胶团聚胶能力下降，不易沉淀，极易淤塞蒸发器通过采用旋转式连续过滤除污器装置，可有效地去除污水中的悬浮物。该装置由一个大的空心轴和圆筒过滤网组成。污水进入过滤槽内经过滤网过滤后由空心轴中流出，而附着在网上的悬浮物则由除污刮板刮落于槽下集中排出。（2）热泵机组的换热表面必须采用特殊材质，以解决腐蚀处。传统的热泵机组换热器一般采用铜管换热，其导热性好，但是，铜管对污水中的酸、碱、氨等的抗腐蚀能力相对较弱。试验证明采用铜管合金做污水源热泵的换热管是最佳选择，

12、其使用寿命是铜管的3倍。（3）必须采用特殊结构形式的换热器，以适应污水热能回收利用的需要。普通水源热泵机组的蒸发器，一般采用“干式”结构，即水源走换热管处的壳程，其流速为0.20.5m/s。由于污水中悬浮物多，在如此低的流速下，悬浮物极易沉积在传热管的外表面，而传热管在管壳内又为叉排布置组成的管束，多达上百根，间隙又很小，清洗十分困难，根本无法正常运行。在污水源热泵专用蒸发器中，污水是走传热管内，其流速为3m/s，因此，悬浮物难以沉积，即便长时间运行略有沉积的话，也便于清洗，只需采用相应规格的管刷，在传热直管内做几次往复运动即可。污水源热泵专用冷凝器与常规冷凝器不同之处在于，没有内置油分离器。

13、因为在蒸发器中，制冷剂走的是壳程，空间大、流速低，混入制冷剂中的油难以通过制冷剂带回压缩机内，所以，必须在冷凝器中将油分离出去。此项工艺十分重要，它直接关系到污水源热泵机组能否正常运行。4经济性及环保性评价为了从节能、经济和环保的角度评价污水热泵的经济性，按照一般城市采暖空调系统设定了城市污水热能回收利用系统及其比较系统。环保性的评价指标主要考虑了CO2及粉尘等污染物削减量和CO2削减密度等因素。同时，设定了系统的机器效率和污染物的排放定额以及没有考虑污水输送动力，从宏观上说明城市污水热能回收利用的环保效果。经济性评价结论如下：与燃煤锅炉相比，持平（电价、燃料煤价按上述设定时）；与燃油锅炉相比

14、，节省0.7290.35万元/d；与燃气锅炉相比，节省0.4454.21万元/d；与空气源热泵相比，制热时节省0.1316.07万元/d，制冷时节省0.055.29万元/d；各种热源的经济性对比q67环保性评价结论如下：与空气源热泵相比，CO2削减量，制热时为0.3644.99吨/d；制冷时为0.1514.82吨/d；SOX削减量，制热时为253125kg/d；制冷时为101029kg/d；NOX削减量，制热时为1.32166kg/d，制冷时为0.5455kg/d；粉尘削减量，制热时为1.6202kg/d,制冷时为0.6567kg/d。与燃煤锅炉相比，CO2削减量为5.92741吨/d，SOX

15、削减量为41551568 kg /d，NOX削减量为222734kg/d，粉尘削减量为273333kg/d。上述四种污染物中，由于削减量最大的是CO2，从减少大气污染的作用而言是有代表性的污染物，且CO2的削减情况与其他三种污染物呈正相关关系。总体上可见，利用污水源热泵对削减CO2、NOX、SOX及粉尘，减轻大气污染效果是十分明显的，特别是与我国普遍采用的燃煤锅炉集中供热系统相比，这一效果更加突出。5工程实施及投资分析（1）工程内容取水头部、供热站占地、机房土建、热泵机组、机房工艺安装、室外热力管网、污水输送管网、电气工程等。传统做法、工艺及工程内容：锅炉房、冷冻站占地、锅炉房土建、锅炉、锅炉

16、辅机、锅炉砌筑、锅炉房工艺安装、室外热力管网、冷水机组、冷却塔及安装。不同污水利用温降的污水量变化污水利用温降污水供回水温度中介水供回水温度换热器传热温差蒸发温度中介水传热温差所需水量m3/h3.5106.56.533.51.53.2511041066.52.53.513.5956104604-146581026-24-3550注：以1万平方米居住建筑为例，采暖热负荷60W/m2。（2）项目投资分析以70万建筑面积小区为例，采用污水源热泵供暖空调系统，总概算投资为3667万元，每平方米造价52.39元；采用锅炉供暖加冷水机组供冷系统，总概算投资为4305万元，每平方米造价61.50元；从上述数

17、据可以看出：采用污水源热泵系统集中供热（冷）的投资比传统的燃煤锅炉加冷水机组供热（冷）系统每平方米建筑物可减少9.11元/投资，70万小区总共可减少637.7万元的总投资。湖水源热泵技术湖水源热泵系统就是利用湖水做为热源或热汇，并通过热泵机组，加热热媒或冷却冷媒，最终为建筑提供热量或冷量的系统。湖水中所蕴含的热能是典型的可再生能源，因此，湖水源热泵系统也是可再生能源的一种利用方式，是一种具有节能、环保意义的绿色供热空调系统。1湖水源热泵系统形式湖水源热泵系统是指能够同时为多栋建筑提供冷/热源的系统。湖水源热泵系统可以从多个角度进行分类，按湖水源热泵机组的设置地点不同可以分成三大类：（1）集中式

18、湖水源热泵系统集中式湖水源热泵系统就是将所有的湖水源热泵机组集中起来设置于统一的热泵机房内，热泵机房根据需要可设置于湖边或用户区域附近，制备的冷/热水通过小区外网输送至各用户，称之为湖水源热泵集中供冷供热系统。冬季系统运行模式分析集中热泵站将网路回水直接加热至用户所需的温度后（如60/50的供回水温度），依次输送给各热用户，用户与外网采用无混合装置的直接连接方式。集中热泵站将网路回水加热至比用户实际所需的供水温度略高后送出（如65/50的供回水温度），用户与网路可采用有混合水泵的直接连接方式。与前一种方式相比，它虽然因网路供水温度略有升高而使得热泵机组的COP值略低，但此时网路的循环水泵因不必

19、考虑最不利环路的末端用户阻力损失，扬程有所下降；同时，由于网路供回水温差的增大，还使得输送同样能量的网路循环水量减少，从而节约水泵的输送能耗；另外，还可减少热源近端用户因节流而带来的能量损耗。还有一点值得注意的是，此种网路运行方式，还允许用户根据自身需要在一定范围内调整自己的供水温度，比前一种方式具有更大的灵活性。夏季系统运行模式分析集中热泵站直接制备各用户夏季实际所需的冷冻水（如7/12的冷冻水）后，依次输送给各用户，用户与外网采用无混合装置的直接连接方式。集中热泵站制备比用户实际所需略低的冷冻水（如5/12的冷冻水），再输送给各用户，同样，此时用户与网路可采用装有混合水泵的直接连接方式。此

20、种运行方式所具有的特点与前面冬季时对应的情况相同，不再重复。集中式湖水源热泵系统优势分析与目前通常采用的各建筑单独设置电制冷机组制冷和锅炉房热水供暖的方式相比，此种系统主要有如下方面的优势：（a）可以充分利用各用户负荷分布多样性特点（即并非所有的用户都在同一时刻达到峰值负荷），减少设备的总装机容量，也有利于降低自身的初投资。（b）大型热泵机组的COP值比小型机组的要高，提高了能量利用效率。（c）虽然热泵机组通常仍需要用电实现制冷/热，但由于它在一年的大部分时间里都在较高的COP值下运行，仍然具有节能优势，这也是湖水源热泵系统之所以受到关注的一个重要原因。（d）各用户内的冷热源机房，以及位于室外

21、的冷却塔都可以取消，这样既节省了许多宝贵的建筑面积，增加了业主的收益，又可以减轻由设备的布置而给结构专业带来的设计负担，和降低结构施工的成本；同时，也消除了由这些设备所产生的噪声；另外，取消了通常置于楼顶的冷却塔后，美化了建筑的外观，使屋顶绿化的方案更容易实现。（e）由于大量使用湖水，故可节约有限的淡水资源。淡水资源的缺乏是世界性难题，我国许多沿海城市都是严重缺淡水城市，节约淡水资源的意义重大。（f）热泵机组集中布置后，有助于专业人员的集中管理与维护，既节约了运行成本，又能够提高供冷/热的可靠性。（g）环保效果明显。前面提到的节能、减少噪声等都对提高系统的环保性能起到了直接的作用。（2）分散式

22、湖水源热泵系统所有的湖水源热泵机组都分散至各用户，室外管网系统只为各用户机组提供所需的湖水。与集中式湖水源热泵系统相比，该系统的热泵机组分散，容量相对较小，初投资会相应增加，机组的COP值也会比集中放置的大型机组的略低，并且各用户仍然要有冷热源机房；但该系统中各用户的热泵机组相对独立，增大了用户的灵活性，如各用户可根据自身的特定需要来调节热泵的进出水温度的高低，或如稍后将提到的可用作水环热泵空调系统的辅助冷热源。冬季系统运行模式分析对于冬季只有热负荷的建筑来说，热泵机组按制热工况运行；如果同一建筑内既有热负荷，又有冷负荷，可以考虑在建筑内部采用水环热泵系统以实现节能，此时，湖水源热泵机组只作为辅助的冷热源设备来调节建筑内部不平衡的冷、热负荷。夏季系统运行模式分析（a）室外管网中的湖水作为循环冷却水，提供给各用户的热泵机组，以制备用户自身需要的冷冻水，虽然此时用户机组的COP值会比集中的大型机组的要略低，但仍然会比用户使用冷却塔时的COP值略高。（b）各用户仍然保留冷却塔，外网内的湖水提供冷却塔的冷却循环水及其补水。尽管用户仍然使用冷却塔，但湖水冷却塔仍然节约了大量的淡水资源，而且只为冷却塔服务的外网内的湖水流量要远比用湖水直接冷却热泵机组时所需的水量少，因而可以最大限度地降低湖水的输送能耗。（3）双级耦合式湖水源热泵系统该