城市污水源热泵应用

城市污水源热泵应用
摘要：污水源热泵是以城市或工业污水作为提供和储存能量的冷、热源的空调系统。

文章介绍了污水源热泵的工作原理、性能特点及应用，且在未来具有较大的经济和社会效益。

关键词：污水源热泵、应用、性能
自然界中存在着大量的不能为人类直接利用的低品位能源，它们广泛的分布在空气、土壤、地下水、地表水、生活污水、工业废水之中。

能源的紧张，让我们开始对这些低品位能源有了更多的关注。

它们中有许多都是可再生的能源，没有污染，而且可以源源不断的供给。

城市生活污水作为人类生活必不可少的附属品，蕴含着巨大的能量，可以成为优质的低温热源，冬暖夏凉，在采暖季和制冷季都能保证水温变化不大，受气候影响较小，同时污水的水量稳定，是污水源热泵的理想热源。

一、污水源热泵的工作原理
污水源热泵就是以城市污水为提取和储存能量的冷、热源，借助压缩机系统，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。

根据污水和热泵中的热交换器是否直接进行热交换，污水源热泵可分为直接利用系统和间接利用系统。

污水源热泵直接利用系统是污水直接与热泵的热交换部分进行热交换，该系统多以处理水作为热源。

污水源热泵间接利用系统就是污水只和热泵前的热交换器及清水进行热交换，而清水
再和热泵的热交换部分进行热交换，该系统多以未处理水作为热源。

直接利用方式的热能提取效率高，节能效果比增加一次换热要好，一般直接利用方式的节能率比间接利用方式高7％左右。

二、污水源热泵的性能特点
1、环保效益显著
热泵机组的运行没有任何污染，没有燃烧过程，避免了排烟、排污等污染。

供冷时省了冷却水塔，避免了冷却水塔的噪音、霉菌污染及水耗，同时热泵机组的运行不受天气和温度变化的影响，使用污水作为热泵水源，与地下水源相比，可以避免大量开采、回灌地下水对地下水造成的不良影响，起到保护水资源的作用。

2、高效
污水源热泵机组可利用的水体温度夏季为10～20℃，水体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。

根据美国环保署epa估计，安装良好的水源热泵，平均可以为用户节约30％～40％的供热制冷空调运行费用。

3、节能
设计良好的水源热泵机组，与空气源热泵相比，可以减少30％的电力消耗。

与电供暖相比，可以减少70％以上的电力消耗。

所以水源热泵在节能的同时，还减少和降低了发电时一次能源消耗中产生的污染排放和温室效用。

4、一机多用,节省固定投资
利用一套设备既可制冷，也可供热和提供生活热水。

对空调系统来说，由于提供2种热源，可节省一次性投资，其总资额为传统空调系统的70％～80％。

5、运行稳定、可靠，维护方便
污水水体的温度一年四季较稳定，其波动的范围远远小于空气温度的变化，是很好的热泵热源及热汇。

水体温度较恒定的特性，使热泵机组运行更可靠，更稳定，其温度特性保证了系统的高效性与经济性，不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。

由于系统简单、机组部件小及运行简单稳定，相对维护费用也低，使用寿命可长达20年以上。

6、应用范围广泛
据统计，我国现每年排放城市生活污水约1050亿吨左右，按温度升高或降低5℃计算，若全部开发所贡献出的热和冷量约5250亿kcal，可供约100亿m2的建筑供热和制冷。

可广泛应用于宾馆、办公楼、学校商场、住宅小区的集中供热制冷，以及其他商业和工业建筑空调，并可用于游泳池、乳制品加工、啤酒酿造、室内种植和恒温养殖等行业。

三、城市污水源热泵应用关键技术
1、阻塞污染问题
城市污水含有大量大尺度污物及小尺度悬浮固体。

前者表现在对管路与设备的阻塞，后者表现在对换热设备的污染,形成热阻及其对流体的流动与热物性参数造成影响。

为此而对污水进行处理是
不可行的，因为污水处理的最低费用也要高于从污水中提取热量或冷量的费用。

将污水取至系统中进行过滤也不是好办法，最主要的是系统中过滤格栅上污物的清除问题。

由于城市污水水质很差，过滤格栅上污杂物的清除量大、频率高，必须采用机械格栅，造价高，占地大，而且还有污杂物的处理和设备间空气洁净的保持问题。

从城市污水干渠到过滤格栅之间的引水段管路也存在污杂物的淤积
与清理问题。

最好的办法是将污杂物阻隔在污水干渠中，不让大尺度污杂物进入系统，开发新的除污工艺。

2、流动换热问题
对城市污水只能进行“粗效”处理，进人换热系统时，还含有大量微尺度污物，实际上是一种固液两相，固相多组分流动，其流动阻力与换热特性较清水有很大差异，已表现出很强的非牛顿流特性，即流动过程中，切应力与速度梯度呈非线性：τ=k(du/dy)n。

式中：k、n为本构常数，经测得k=2.2×10-4，n=1．6．因此，污水换热器的结构、尺寸不能简单地套用常规清水换热器的设计方法。

然而，关于非牛顿流的紊流流动与换热问题，由于实际应用很少，目前的研究尚未深入，其相关的理论模式与计算方法并不成熟。

为此研究城市污水的流动与传热问题，建立适合工程应用的计算模型与方法，是城市污水源热泵应用要解决的另一个关键问题。

四、国内应用技术状况与缺陷
1、应用规模与现状
我国应用最早、较为突出的是2000年北京市排水集团在高碑店
污水处理厂开发的污水源热泵实验工程，空调建筑面积900 m2。

大庆开发区富尔达公司2001年安装了一套原生污水源热泵系统，空调建筑面积700 m2，采用浸泡式方法，即将蒸发器或冷凝器直接浸泡在污水池中，是我国最早的城市原生污水源热泵系统。

继此之后，北京市排水集团、哈尔滨水泵二厂又分别投建了个别污水源热泵试验工程。

2003年建设投运的有哈尔滨望江宾馆、大庆恒茂商城。

目前还有一些项目处在建设之中。

2、研究内容与现状
吉林建筑工程学院对污水源利用的系统形式(包括间接利用、直接利用、隔离式)做了深入探讨，但未见实践工程。

对管材问题、污水源热泵的节能性、环保性有大量研究。

相关文献对污水源热泵与其他冷热源作了比较研究，对污水源热泵系统的应用特点、系统运行中可能存在的问题及应采取的措施也有过探讨。

北京工业大学以高碑店为实验对象，论证了污水源热泵的实用性和应用前景，促进了该项技术的发展研究。

哈尔滨工业大学2002年开发了污水源热泵系统应用工艺，在大型试点工程中有过实践，使得我国该项技术大规模推广应用成为可能。

3、存在的技术与研究缺陷
我国目前采用的是污水换热器浸泡式方法，即将污水换热器直接浸泡在污水坑池中，该方法由于回避了堵塞问题相对可靠，但当工程规模较大时，浸没式方法、隔离式均不具有可操作性，占地、投资等问题都不易解决，换热池中的污物沉积与清理也难以解决。

另外，大量研究侧重于污水冷热源的价值与前景方面，而对流动阻塞与换热问题的研究几乎处于空白，技术难题并未涉足。

五、结语
城市污水是优良的引人注目的低温余热源，在整个采暖期间水温适宜，是水/水热泵或水/空气热泵的理想低温热源。

在寒冷的“三北”（东北、华北、西北）地区，发展和运用城市污水热泵供暖系统将会为解决传统供暖系统的节能和环境问题带来益处。

在大城市中应用与发展污水源热泵是改变大城市以煤为主的能源消费结构现状的有效途径，为可再生能源的应用及发展拓展了新的空间，是开发可再生能源发展战略中的重要研究内容，因此研究和发展污水源热泵具有长远的战略意义。

污水水质对污水源热泵装置的影响是一个关键问题，解决好污水热泵中换热器表面污垢、阻塞、腐蚀等问题是污水源热泵供暖系统成功与否的关键。

根据我国目前热泵工业的现状，优先发展工业企业净化后的污水源热泵系统是可行而有效的节能技术。

应注意研究城市污水处理厂的大型热泵站，为大力发展城市集中供热提供新的技术支持。

污水源热泵技术的应用与发展需要政策的推动，建议制订相应的政策和措施，建立高水平的污水源热泵示范工程以推动该技术在我国的应用与发展，尤其是在我国“三北”地区应加大应用与推广的力度。