污水源热泵技术发展及应用分析

近几年以污水作为低温热源的污水源热泵技术正得到人们越来越多的关注。本文介绍了污水源热泵系统在暖通领域中的研究现状与发展前景，从污水源热泵的特点、国内外发展现状、技术经济性等方面将污水源热泵系统与其他几种常用系统进行对比，并讨论了应用该系统的关键技术和难点问题，结果表明污水源热泵系统的经济性和可行性明显优于其他几种常用系统；最后分析探讨了推广该技术需要解决的问题及应用前景。

一、前言

随着社会经济的发展，资源需求量急剧增加，环境污染也日趋严重，影响了人们的正常生活和经济的持续发展。针对如此严峻的能源和环境状况，我国提出一系列“节能减排”的暖通空调设计理念，污水资源的开发利用也应运而生。城市污水是一种理想的低温热源，且水量充足，有很大的发展空间。近年来，城市污水源热泵技术作为一种节能环保的新型技术得到人们越来越多的关注。将污水中的热能进行有效地回收利用，既可缓解供暖空调所带来的能源危机与环境污染，同时可以优化我国能源结构，缓解各地区能源需求的矛盾。虽然与国外相比该技术在我国起步较晚些，但以其优越的经济性和可行性得到了越来越多的推广和使用，是一项非常有潜力的技术。本文以城市污水源热泵系统为研究对象，从技术特点和经济性等方面论述其广阔的发展前景。

二、污水源热泵系统的特点

2.1污水源热泵系统的工作原理

污水源热泵系统是利用城市污水作为冷热源的水源热泵技术，根据污水夏季温度低于室外气温，冬季高于室外气温的特点，利用热泵技术将污水中的冷热能转换成高品位清洁能源。由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流机构构成蒸气压缩式热泵装置，作为空调/采暖系统的冷热源。

污水源热泵机组的选型低于10℃，夏季不超过30℃，是比较理想的计算分为两部分，一部分是根据污水源的热工参数确定污水换热器；另一部分是在此基础上根据冷热负荷的大小确定热泵机组。

2.2污水源热泵系统的分类

污水源热泵可分为不同的形式：（1）按照蒸发器形式的不同，污水源热泵系统可以分为浸泡式、淋激式、壳管式三类；（2）按照所使用污水的状态，污水源热泵系统可以分为两类：使用未处理的污水和使用二级出水（或中水）的污水源热泵系统。前者可就近利用城市污水泵站或管网的污水，把未处理污水的冷/热量传递到热泵系统，就近输送给用户，可显著增加区域供热供冷范围。后者水质较好，处理过程比较简单，系统可能仅需要一级过滤器，或者不需要过滤器。（3）按照污水的利用方式，可以分为直接利用和间接利用方式。

2.3污水源热泵技术特点

污水源热泵系统主要由污水换热装置与水源热泵机组组成，其部分特性与常规水源热泵系统相似。以城市污水作为热泵冷热源的热泵系统具有以下几方面优点：

（1）利用可再生能源，是一项节能、环保、高效的能源利用技术，符合国家可持续发展战略。
（2）城市污水具有水温变化幅度小的特点，冬暖夏凉，受气候影响较小。与河水水温和空气温度相比，城市污水水温冬季较高，夏季较低，污水水温与处理水量、所处地域、污水来源及季节等有关，华北地区一般冬季水温不低于10℃，夏季不超过30℃，是比较理想的热泵冷热源。
（3）污水水量充足，产生量大，几乎全年保持恒定的流量，可利用区域广阔。以2004年我国污水排放总量482.4亿吨计算，若在冬季利用热泵技术回收污水中蕴含的热量，按5℃温差开发利用10%污水用于供暖，可节省用煤210万吨左右，同时每年可减少600万吨左右的CO2排放量。既节能又环保，对于冬季采暖问题很多且污水量巨大的大中型城市，均可建立污水热能回收与利用系统。
（4）城市污水中含有大量的热能。据估计，城市社区产生的废热40%含在污水中，且城市污水温度受时间和季节的影响较小，水温恒定，热泵机组运行稳定可靠，使用寿命长。
（5）污水源热泵系统在夏季节省了冷却塔投资、冷却水循环泵和冷却风扇运转费用，冬季也不需要设置锅炉房，很大程度上降低了设备投资、区域管网费用和系统的运行费用，同时节省了占地面积，还避免了冷却塔产生的噪音。日本实际应用的城市污水热能回收与利用系统的测算结果表明，与其它热供给系统相比较，大约可降低运行费用30%左右。由于无需打井，污水源热泵系统的初投资和运行维护成本也低于常规地源和水源热泵系统。
（6）系统运行过程中不污染环境：没有燃烧，没有废弃物，不用远距离输送热量，只提取污水中的热量，不改变其化学、物理性质，不存在地下水的回灌和地表水的污染问题。污水源热泵系统将大量建筑内部的废热排放到污水中，而不是通冷却塔或空调室外机排放到室外环境，使城市热岛效应得到缓解。从污水源热泵系统特点可以看出，污水源热泵系统节能减排效果显著。开发利用城市污水资源，对我国建设资源节约、环境友好型社会具有重要意义，极具推广与应用价值。

2.4污水源热泵技术研究现状

一些发达国家对污水源热泵技术的研究较早，且技术比较成熟。瑞典是最早将污水源热泵技术应用于城市区域供热的国家。20世纪80年代在瑞典、挪威等北欧国家建造的一些以污水为低温热源的大型热泵站相继投入运行，在这些污水源热泵系统中均采用淋激式换热器直接提取污水中的热量。日本也是较早使用污水源热泵的国家之一，于1987年启动了污水热能开发利用计划并取得突破性成果，现在日本的城市污水处理厂已由单纯的排放功能转向了回用功能，其中工业用水的70%使用的是处理后污水，在城市建筑群区实现了城市污水回用与赋存的低温热量功能的利用相结合。我国城市污水源热泵技术的推广应用起步较晚。2000年北京市排水集团在高碑店污水处理厂建设了污水源热泵试验工程，利用热泵装置向300平方米的车间和600平方米的机房冬季供暖、夏季制冷，经三年的运转效果良好。此后，北京市排水集团又在北京北小河污水处理厂安装了一套规模更大的污水源热泵，为该厂6000平方米的办公楼和厂房供热与制冷。河北秦皇岛污水处理厂(供热供冷面积约3500平方米)和哈尔滨马家沟截留渠污水项目(供热供冷面积约600平方米)等也在这方面进行了有益的尝试，且运行效果都良好。但相对而言目前应用的面积都还较小，与污水中含有的巨大能量相比还不成比例。

三、研究应用中的技术难点问题

虽然城市污水是一种很理想的低位冷热源，但由于污水水质极其恶劣，污物含量达到1%以上，包括悬浮固体及溶解性化合物，要实现污水冷热量的有效传递与转换，必须克服污物对换热设备的阻塞与污染问题，深入认识污水在管内流动的阻力与换热特性。污水源热泵系统的技术关键和难点主要为以下两个方面：

（1）污物对系统的阻塞与污染问题

①大尺度污物对流通断面的堵塞引起流量的急剧下降，发生严重堵塞时，流量会在几分钟内降至零；②微尺度污物在换热表面的沉积、附着，形成热阻，降低传热效果，同时增大流动阻力，随着时间的推移也会造成堵塞现象；③溶解性化合物对流通壁面的腐蚀作用。常规的除污、防污手段，例如机械格栅、多级过滤、反冲法等均存在问题，解决此类问题的理想方法就是将污水处理到二级出水水质标准，然而提高污水出水水质就意味着增加初投资，因此开发一套经济有效的除污工艺是污水源热泵技术推广和应用的关键。

（2）污水在管内的流动与换热问题

为经济可行地实现污水冷热源的应用，目前只能对污水作粗效预处理以解决污物对流通断面的阻塞问题，污水中依然含有大量小尺度污物及溶解性化合物。初步的工程实测数据表明，污水的流动阻力与换热特性较清水有明显差异，同等流速、管径条件下，污水流动阻力为清水的2～4倍，而换热系数约为清水的25%～50%，污水的对流换热与清水不同：一是污水黏度大，污水粘度可达到清水的15倍左右；二是非均质，即非牛顿流；三是壁面有不可避免的附着物，热阻加大，因此其水力计算与换热设计将具有完全不同的理论模式。由于污水中的固相成分与结构复杂，目前无法建立精确的两相流数学模型，以单相非牛顿流模型求解污水宏观的湍流流动与换热特性，是非牛顿流体力学的一个分支，具有理论与实际意义。可是相关的理论模型与计算方法并不成熟，虽然对城市污水源热泵空调系统的研究在一些北欧供热发达国家起步很早，但由于城市污水水质的特殊性而引起的换热问题，一直以来成为污水源热泵发展的阻碍因素。

四、污水源热泵系统技术经济分析

如前所述，采用污水源热泵系统，不论冬夏使用都不产生任何污染，不需设置锅炉房、储煤和堆渣的场地，减少了运行管理费用。此外，就污水源热泵系统本身的性质而言，在冬季其总体能源转换效率也可达到115%～150%（考虑发电热效率为33%），高于区域锅炉房集中供热系统；夏季可降低30%～40%的制冷电耗。对冬季北方地区采用各种供热方式进行供热时的环境效应和运行费用进行了比较。结果表明，污水源热泵系统比燃煤锅炉和空气源热泵的运行费用要低25%以上，更远低于其他供热方式的运行费用。具体比较结果见表1。据测算，使用污水源热泵空调系统，夏季运行费用平均为20元/平方米左右，溴化锂机组约为34.6元/平方米，家用空调机约为28.8元/平方米，污水源热泵的运行费用比其他空调方式低30%以上。

五、污水源热泵系统需要解决的问题

虽然污水源热泵有着广阔的应用前景，但在目前的应用中还存在着一些问题：

（1）污水取用工艺。由于城市污水水质成分复杂，水中含有大量悬浮物和污垢，且污水干渠中的污水处于湍流状态，属于固—液两相流，因此污水取用分离工艺变得复杂。

（2）清洁技术。污水中含有大量泥沙和固体悬浮物，容易在弯头、换热器封头渐扩、渐缩口等局部构件处积累，堵塞管路，影响换热。因此清洁技术也是从污水中回收能量的关键技术，需要解决换热设备阻塞、腐蚀、结垢等方面的问题。

（3）对污水源水温的要求。污水水温与城市所处的位置、城市的生活水平、城市污水的水量和构成（工业污水与生活污水的比例）及季节等诸多因素都有关系，但污水源热泵在冬季进口水温最好不低于12℃，以保证污水源热泵系统冬季供暖的温度需求，此外还需考虑是否设置蓄热池、是否需要备用锅炉。

（4）污水的换热问题。污水含有大量小尺度污物及溶解性化合物，是一种固液两相、固相多组分流体。污水的流动阻力、换热特性与清水有明显差异，采用准确的理论计算模式是污水源热泵系统发展的关键问题。

六、结论与展望

（1）污水源热泵系统相对于常规地源、水源热泵系统具有更高的技术经济性，在有条件的地方应将其作为首选方案予以考虑。
（2）污物对系统的阻塞与污染问题以及污水在管内的流动与换热问题是关键技术问题，解决好其换热器表面结垢、阻塞、腐蚀等问题是该系统成功与否的关键。
（3）在大中型城市中应用与发展污水源热泵可以改变目前城市以煤为主的能源消费结构，是节能和开发可再生能源的重要研究内容，是“可持续发展”理念在暖通行业应用的重要手段，因此研究和发展污水源热泵具有长远的战略意义。

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