污水源熱泵技術(shù)發(fā)展及應用分析

近幾年以污水作為低溫熱源的污水源熱泵技術(shù)正得到人們越來越多的關注。本文介紹了污水源熱泵系統(tǒng)在暖通領域中的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景，從污水源熱泵的特點、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)經(jīng)濟性等方面將污水源熱泵系統(tǒng)與其他幾種常用系統(tǒng)進行對比，并討論了應用該系統(tǒng)的關鍵技術(shù)和難點問題，結(jié)果表明污水源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可行性明顯優(yōu)于其他幾種常用系統(tǒng)；最后分析探討了推廣該技術(shù)需要解決的問題及應用前景。

一、前言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，資源需求量急劇增加，環(huán)境污染也日趨嚴重，影響了人們的正常生活和經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。針對如此嚴峻的能源和環(huán)境狀況，我國提出一系列“節(jié)能減排”的暖通空調(diào)設計理念，污水資源的開發(fā)利用也應運而生。城市污水是一種理想的低溫熱源，且水量充足，有很大的發(fā)展空間。近年來，城市污水源熱泵技術(shù)作為一種節(jié)能環(huán)保的新型技術(shù)得到人們越來越多的關注。將污水中的熱能進行有效地回收利用，既可緩解供暖空調(diào)所帶來的能源危機與環(huán)境污染，同時可以優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，緩解各地區(qū)能源需求的矛盾。雖然與國外相比該技術(shù)在我國起步較晚些，但以其優(yōu)越的經(jīng)濟性和可行性得到了越來越多的推廣和使用，是一項非常有潛力的技術(shù)。本文以城市污水源熱泵系統(tǒng)為研究對象，從技術(shù)特點和經(jīng)濟性等方面論述其廣闊的發(fā)展前景。

二、污水源熱泵系統(tǒng)的特點

2.1污水源熱泵系統(tǒng)的工作原理

污水源熱泵系統(tǒng)是利用城市污水作為冷熱源的水源熱泵技術(shù)，根據(jù)污水夏季溫度低于室外氣溫，冬季高于室外氣溫的特點，利用熱泵技術(shù)將污水中的冷熱能轉(zhuǎn)換成高品位清潔能源。由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流機構(gòu)構(gòu)成蒸氣壓縮式熱泵裝置，作為空調(diào)/采暖系統(tǒng)的冷熱源。

污水源熱泵機組的選型低于10℃，夏季不超過30℃，是比較理想的計算分為兩部分，一部分是根據(jù)污水源的熱工參數(shù)確定污水換熱器；另一部分是在此基礎上根據(jù)冷熱負荷的大小確定熱泵機組。

2.2污水源熱泵系統(tǒng)的分類

污水源熱泵可分為不同的形式：（1）按照蒸發(fā)器形式的不同，污水源熱泵系統(tǒng)可以分為浸泡式、淋激式、殼管式三類；（2）按照所使用污水的狀態(tài)，污水源熱泵系統(tǒng)可以分為兩類：使用未處理的污水和使用二級出水（或中水）的污水源熱泵系統(tǒng)。前者可就近利用城市污水泵站或管網(wǎng)的污水，把未處理污水的冷/熱量傳遞到熱泵系統(tǒng)，就近輸送給用戶，可顯著增加區(qū)域供熱供冷范圍。后者水質(zhì)較好，處理過程比較簡單，系統(tǒng)可能僅需要一級過濾器，或者不需要過濾器。（3）按照污水的利用方式，可以分為直接利用和間接利用方式。

2.3污水源熱泵技術(shù)特點

污水源熱泵系統(tǒng)主要由污水換熱裝置與水源熱泵機組組成，其部分特性與常規(guī)水源熱泵系統(tǒng)相似。以城市污水作為熱泵冷熱源的熱泵系統(tǒng)具有以下幾方面優(yōu)點：

（1）利用可再生能源，是一項節(jié)能、環(huán)保、高效的能源利用技術(shù)，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
（2）城市污水具有水溫變化幅度小的特點，冬暖夏涼，受氣候影響較小。與河水水溫和空氣溫度相比，城市污水水溫冬季較高，夏季較低，污水水溫與處理水量、所處地域、污水來源及季節(jié)等有關，華北地區(qū)一般冬季水溫不低于10℃，夏季不超過30℃，是比較理想的熱泵冷熱源。
（3）污水水量充足，產(chǎn)生量大，幾乎全年保持恒定的流量，可利用區(qū)域廣闊。以2004年我國污水排放總量482.4億噸計算，若在冬季利用熱泵技術(shù)回收污水中蘊含的熱量，按5℃溫差開發(fā)利用10%污水用于供暖，可節(jié)省用煤210萬噸左右，同時每年可減少600萬噸左右的CO2排放量。既節(jié)能又環(huán)保，對于冬季采暖問題很多且污水量巨大的大中型城市，均可建立污水熱能回收與利用系統(tǒng)。
（4）城市污水中含有大量的熱能。據(jù)估計，城市社區(qū)產(chǎn)生的廢熱40%含在污水中，且城市污水溫度受時間和季節(jié)的影響較小，水溫恒定，熱泵機組運行穩(wěn)定可靠，使用壽命長。
（5）污水源熱泵系統(tǒng)在夏季節(jié)省了冷卻塔投資、冷卻水循環(huán)泵和冷卻風扇運轉(zhuǎn)費用，冬季也不需要設置鍋爐房，很大程度上降低了設備投資、區(qū)域管網(wǎng)費用和系統(tǒng)的運行費用，同時節(jié)省了占地面積，還避免了冷卻塔產(chǎn)生的噪音。日本實際應用的城市污水熱能回收與利用系統(tǒng)的測算結(jié)果表明，與其它熱供給系統(tǒng)相比較，大約可降低運行費用30%左右。由于無需打井，污水源熱泵系統(tǒng)的初投資和運行維護成本也低于常規(guī)地源和水源熱泵系統(tǒng)。
（6）系統(tǒng)運行過程中不污染環(huán)境：沒有燃燒，沒有廢棄物，不用遠距離輸送熱量，只提取污水中的熱量，不改變其化學、物理性質(zhì)，不存在地下水的回灌和地表水的污染問題。污水源熱泵系統(tǒng)將大量建筑內(nèi)部的廢熱排放到污水中，而不是通冷卻塔或空調(diào)室外機排放到室外環(huán)境，使城市熱島效應得到緩解。從污水源熱泵系統(tǒng)特點可以看出，污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能減排效果顯著。開發(fā)利用城市污水資源，對我國建設資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會具有重要意義，極具推廣與應用價值。

2.4污水源熱泵技術(shù)研究現(xiàn)狀

一些發(fā)達國家對污水源熱泵技術(shù)的研究較早，且技術(shù)比較成熟。瑞典是最早將污水源熱泵技術(shù)應用于城市區(qū)域供熱的國家。20世紀80年代在瑞典、挪威等北歐國家建造的一些以污水為低溫熱源的大型熱泵站相繼投入運行，在這些污水源熱泵系統(tǒng)中均采用淋激式換熱器直接提取污水中的熱量。日本也是較早使用污水源熱泵的國家之一，于1987年啟動了污水熱能開發(fā)利用計劃并取得突破性成果，現(xiàn)在日本的城市污水處理廠已由單純的排放功能轉(zhuǎn)向了回用功能，其中工業(yè)用水的70%使用的是處理后污水，在城市建筑群區(qū)實現(xiàn)了城市污水回用與賦存的低溫熱量功能的利用相結(jié)合。我國城市污水源熱泵技術(shù)的推廣應用起步較晚。2000年北京市排水集團在高碑店污水處理廠建設了污水源熱泵試驗工程，利用熱泵裝置向300平方米的車間和600平方米的機房冬季供暖、夏季制冷，經(jīng)三年的運轉(zhuǎn)效果良好。此后，北京市排水集團又在北京北小河污水處理廠安裝了一套規(guī)模更大的污水源熱泵，為該廠6000平方米的辦公樓和廠房供熱與制冷。河北秦皇島污水處理廠(供熱供冷面積約3500平方米)和哈爾濱馬家溝截留渠污水項目(供熱供冷面積約600平方米)等也在這方面進行了有益的嘗試，且運行效果都良好。但相對而言目前應用的面積都還較小，與污水中含有的巨大能量相比還不成比例。

三、研究應用中的技術(shù)難點問題

雖然城市污水是一種很理想的低位冷熱源，但由于污水水質(zhì)極其惡劣，污物含量達到1%以上，包括懸浮固體及溶解性化合物，要實現(xiàn)污水冷熱量的有效傳遞與轉(zhuǎn)換，必須克服污物對換熱設備的阻塞與污染問題，深入認識污水在管內(nèi)流動的阻力與換熱特性。污水源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)關鍵和難點主要為以下兩個方面：

（1）污物對系統(tǒng)的阻塞與污染問題

①大尺度污物對流通斷面的堵塞引起流量的急劇下降，發(fā)生嚴重堵塞時，流量會在幾分鐘內(nèi)降至零；②微尺度污物在換熱表面的沉積、附著，形成熱阻，降低傳熱效果，同時增大流動阻力，隨著時間的推移也會造成堵塞現(xiàn)象；③溶解性化合物對流通壁面的腐蝕作用。常規(guī)的除污、防污手段，例如機械格柵、多級過濾、反沖法等均存在問題，解決此類問題的理想方法就是將污水處理到二級出水水質(zhì)標準，然而提高污水出水水質(zhì)就意味著增加初投資，因此開發(fā)一套經(jīng)濟有效的除污工藝是污水源熱泵技術(shù)推廣和應用的關鍵。

（2）污水在管內(nèi)的流動與換熱問題

為經(jīng)濟可行地實現(xiàn)污水冷熱源的應用，目前只能對污水作粗效預處理以解決污物對流通斷面的阻塞問題，污水中依然含有大量小尺度污物及溶解性化合物。初步的工程實測數(shù)據(jù)表明，污水的流動阻力與換熱特性較清水有明顯差異，同等流速、管徑條件下，污水流動阻力為清水的2～4倍，而換熱系數(shù)約為清水的25%～50%，污水的對流換熱與清水不同：一是污水黏度大，污水粘度可達到清水的15倍左右；二是非均質(zhì)，即非牛頓流；三是壁面有不可避免的附著物，熱阻加大，因此其水力計算與換熱設計將具有完全不同的理論模式。由于污水中的固相成分與結(jié)構(gòu)復雜，目前無法建立精確的兩相流數(shù)學模型，以單相非牛頓流模型求解污水宏觀的湍流流動與換熱特性，是非牛頓流體力學的一個分支，具有理論與實際意義?？墒窍嚓P的理論模型與計算方法并不成熟，雖然對城市污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究在一些北歐供熱發(fā)達國家起步很早，但由于城市污水水質(zhì)的特殊性而引起的換熱問題，一直以來成為污水源熱泵發(fā)展的阻礙因素。

四、污水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟分析

如前所述，采用污水源熱泵系統(tǒng)，不論冬夏使用都不產(chǎn)生任何污染，不需設置鍋爐房、儲煤和堆渣的場地，減少了運行管理費用。此外，就污水源熱泵系統(tǒng)本身的性質(zhì)而言，在冬季其總體能源轉(zhuǎn)換效率也可達到115%～150%（考慮發(fā)電熱效率為33%），高于區(qū)域鍋爐房集中供熱系統(tǒng)；夏季可降低30%～40%的制冷電耗。對冬季北方地區(qū)采用各種供熱方式進行供熱時的環(huán)境效應和運行費用進行了比較。結(jié)果表明，污水源熱泵系統(tǒng)比燃煤鍋爐和空氣源熱泵的運行費用要低25%以上，更遠低于其他供熱方式的運行費用。具體比較結(jié)果見表1。據(jù)測算，使用污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，夏季運行費用平均為20元/平方米左右，溴化鋰機組約為34.6元/平方米，家用空調(diào)機約為28.8元/平方米，污水源熱泵的運行費用比其他空調(diào)方式低30%以上。

五、污水源熱泵系統(tǒng)需要解決的問題

雖然污水源熱泵有著廣闊的應用前景，但在目前的應用中還存在著一些問題：

（1）污水取用工藝。由于城市污水水質(zhì)成分復雜，水中含有大量懸浮物和污垢，且污水干渠中的污水處于湍流狀態(tài)，屬于固—液兩相流，因此污水取用分離工藝變得復雜。

（2）清潔技術(shù)。污水中含有大量泥沙和固體懸浮物，容易在彎頭、換熱器封頭漸擴、漸縮口等局部構(gòu)件處積累，堵塞管路，影響換熱。因此清潔技術(shù)也是從污水中回收能量的關鍵技術(shù)，需要解決換熱設備阻塞、腐蝕、結(jié)垢等方面的問題。

（3）對污水源水溫的要求。污水水溫與城市所處的位置、城市的生活水平、城市污水的水量和構(gòu)成（工業(yè)污水與生活污水的比例）及季節(jié)等諸多因素都有關系，但污水源熱泵在冬季進口水溫最好不低于12℃，以保證污水源熱泵系統(tǒng)冬季供暖的溫度需求，此外還需考慮是否設置蓄熱池、是否需要備用鍋爐。

（4）污水的換熱問題。污水含有大量小尺度污物及溶解性化合物，是一種固液兩相、固相多組分流體。污水的流動阻力、換熱特性與清水有明顯差異，采用準確的理論計算模式是污水源熱泵系統(tǒng)發(fā)展的關鍵問題。

六、結(jié)論與展望

（1）污水源熱泵系統(tǒng)相對于常規(guī)地源、水源熱泵系統(tǒng)具有更高的技術(shù)經(jīng)濟性，在有條件的地方應將其作為首選方案予以考慮。
（2）污物對系統(tǒng)的阻塞與污染問題以及污水在管內(nèi)的流動與換熱問題是關鍵技術(shù)問題，解決好其換熱器表面結(jié)垢、阻塞、腐蝕等問題是該系統(tǒng)成功與否的關鍵。
（3）在大中型城市中應用與發(fā)展污水源熱泵可以改變目前城市以煤為主的能源消費結(jié)構(gòu)，是節(jié)能和開發(fā)可再生能源的重要研究內(nèi)容，是“可持續(xù)發(fā)展”理念在暖通行業(yè)應用的重要手段，因此研究和發(fā)展污水源熱泵具有長遠的戰(zhàn)略意義。

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