污水源热泵工作原理及效益分析

污水源热本调研报告
所谓污水源热泵，主要是以城市污水做为提取和储存能量的冷热源，借助热泵机组系统内部制冷剂的物态循环变化，消耗少量的电能，从而达到制冷制暖效果的一种创新技术。

城市污水源热泵空调技术能实现冬季供暖、夏季空调、全年生活热水供应（很廉价的热水供应方案）、夏季部分免费生活热水供应。

城市污水热泵空调是一项高新技术，具有节能、环保及经济效益，符合经济与社会的可持续性发展战略。

城市污水源热泵机组以污水为冷热源，冬季采集来自污水的低品位热能，借助热泵系统，通过消耗部分电能（1份），将所取得的能量（大于4份）供给室内取暖；在夏季把室内的热量取出，释放到水中，以达到夏季空调的目的。

1、污水源热泵的工作原理
污水源热泵的主要工作原理是借助污水源热泵压缩机系统，消耗少量电能，在冬季把存于水中的低位热能“提取”出来，为用户供热，夏季则把室内的热量“提取”出来，释放到水中，从而降低室温，达到制冷的效果。

其能量流动是利用热泵机组所消耗能量（电能）吸取的全部热能（即电能+吸收的热能）一起排输至高温热源，而起所消耗能量作用的是使介质压缩至高温高压状态，从而达到吸收低温热源中热能的作用。

污水源热泵系统由通过水源水管路和冷热水管路的水源系统、热泵系统、末端系统等部分相连接组成。

根据原生污水是否直接进热泵机组蒸发器或者冷凝器可以将该系统分为直接利用和间接利用两种
方式。

直接利用方式是指将污水中的热量通过热泵回收后输送到采暖空调建筑物；间接利用方式是指污水先通过热交换器进行热交换后，再把污水中的热量通过热泵进行回收输送到采暖空调建筑物。

2、污水源热泵系统的特点：
（1）环保效益显著
城市污水源热泵是利用了污水作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。

供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，没有燃烧过程，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。

（2）高效节能
冬季，污水温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。

而夏季污水温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。

（3）运行稳定可靠
污水的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。

是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。

不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。

（4）一机多用，应用范围广
此热泵系统可供暖、空调，生活热水供应（夏季免费）等。

一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。

（5）投资运行费用低
城市污水源热泵具有初投资低，运行费低的巨大经济优势。

运行效果良好，经济效益显著。

污水热泵系统的机房面积仅为其他系统的50%。

系统根据室外温度及室内温度要求自动调节，可做到无人看管，同时也可做到联网监控。

污水源热泵系统原理简单，设备的可靠性强，维护量小，平时无设备的维护问题。

3、污水源热泵系统目前在国内主要有两种应用方式
一种是利用防堵机技术把污水过滤后直接进入热泵机组，此种是对污水的直接利用，污水直接利用，进入热泵机组的热源温度较高，从理论上，系统能效比较高；但是在实际应用中，防堵机和污水热泵需要经常清洗，防堵机和热泵机组都为电气机械产品，经常堵塞、腐蚀等问题，使得的系统运行寿命降低，且清洗时，系统不能运行。

另一种污水的利用方式是，污水经过离心污水换热器，间接利用，离心污水换热器不存在堵塞及腐蚀且清洗周期较长，由于间接利用，中介质水为软化水，进入热泵机组，不影响机组的寿命，清洗周期较长。

4、污水源热泵的缺陷的控制：
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。

（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）防止腐蚀
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7.4—7.9 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。

（3）减少淤塞
通过阻止颗粒性物质的形成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。

5、污水源热泵系统效益分析
（1）、环境效益
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
10-15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。

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
（2）、经济效益
以廊坊地区为例，采暖天数120天，城市热电采暖费21.5元/m ²。

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，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÷4×1.10×0.7×120×24×0.55=12.2（万元）
地区集中供热系统按面积分摊费用为建筑面积21.5元/ m2。

每万m2建筑面积分摊费用为21.5万元。

因此热泵系统较集中供热系统每万m2节省运行费用9.3万元，节省率为43.3%。

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1所示（燃煤等系统未计排污费）。

表1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%。