河北之污水源热泵系统的组成和分析

污水源热泵系统的组成和分析

刘宝胜

                 (河北金大地科技有限公司，河北，石家庄) 

摘要：可再生能源在建筑中的应用越来越受到人们的重视，本文介绍一种新的水源热泵系统----污水源热泵系统的原理、组成及其良好的运用前景，指出了其做为一种新生技术的广阔得发展前景。

 关键字：污水源热泵    防阻机   节能

Nou-water-source Heat Punp System And Anaiysis

Liu Bao-sheng

(Jin Da Di Technology Co. Ltd,Hebei)

Abstract: As Chinas energy shortages and the promulgation and implementation of the 《Renewable Energy Law》,Solar energy, geothermal energy, water energy as a renewable energy applications in the construction of more and more attention.

This article describes a new system of water-source heat pump water source heat pump system in principle, the use of the composition and the prospect of good, pointing out that its new technology as a very broad prospects for development.

Keywords: Water source heat pump Discourage machine  Energy Saving

1. 引言

    能源和环境是影响国民经济可持续发展的关键因素，能源供应形势直接关系到国家的安全和社会稳定。建筑领域消费的能源，主要是煤炭、石油和天然气等石化能源。这些能源，资源有限，不可再生，终究要枯竭，而且传统能源会对环境造成严重的污染。我国人口众多，人均资源占有量低于世界平均水平，与经济发展和人民生活消费的需求相比，能源供应的缺口很大，而且能源消费结构不合理，以煤为主的能源供给造成了严重的大气污染和温室气体排放，我国目前的CO₂排放量居世界第二位。我国是“京都议定书”的签约国，目前的这种能源消费方式，已受到国际社会的高度关注，这加大了我们保护环境和改变经济增长模式的压力。因此，节约能源和开发利用清洁、可再生能源的任务十分紧迫。

    由于能源问题对国家安全和经济发展所起的重要作用，中央提出了建设节能省地型住宅的政策方针，因此，可再生能源在建筑中的应用是建筑业技术进步和行业发展的需要。随着2006年1月《可再生能源法》的正式颁布与实施，太阳能、地热能在建筑行业中的应用越来越受到人们的重视。

[   热泵技术是解决建筑系统节能问题的重要技术之一，被称为21世纪的“绿色空调技术”。污水中蕴含大量的可利用的废热资源，污水源热泵系统是有效利用污水废热资源的一种合理而可行的方式。我国每年排放城市污水500亿吨左右（2007年数据），按温度升高或降低5℃计算，若全部开发所得的冷或热量为10亿GJ，这部分热量可供20亿平米建筑供冷或供热。我国部分主要城市污水日排放量与可供暖面积见表1：

表1  主要城市日污水排放量与可满足供暖面积

    城市污水温度适宜，冬季在严寒地区也在10-18℃以上，是良好的热源；夏季温度在20-28℃左右，是空调废热理想的排放处。城市的生活污水虽然水质很差，但酸碱度适中：PH植在6.5到7.5之间，对管路设备无严重的腐蚀作用，因此可以作为热泵空调系统的一种较为理想的冷热源。

1. 污水源热泵系统

2.1 污水源热泵系统简介

    污水源热泵是水源热泵的一种，是利用城市原生污水冬季水温高于大气温度，夏季水温低于大气温度的特点，冬季从污水中取热供暖，夏季排热制冷的一种技术。

    根据污水与热泵的换热是否直接进行，城市污水源热泵系统可分为间接利用和直接利用两种系统。

    直接式污水源热泵系统没有简介换热带来的热量损失，水源利用温差大，系统效率高。污水进入热泵机组前需选配自清洗过滤装置。由于污水的腐蚀、结垢特性，热泵机组蒸发器、冷凝器均需进行专门的防腐、防垢、防堵塞设计并需配置专门的自清洗系统。间接式污水源热泵系统通过换热器间接提取污水中的热量，换热器需要根据污水的水质进行相应的防腐、防垢、防堵塞设计，污水进入换热器前需配置相应的自清洗过滤系统，采用板式换热器的间接式污水源热泵系统对自清洗过滤系统的要求更高。间接式污水源热泵系统的热泵机组选型简单，热泵机组的效率、项目投资更容易控制。

2.2 污水源热泵系统的组成

    污水源热泵系统有污水取水系统、污水能量采集系统、中介水系统、热泵机组、末端设备四部分组成，与其他水源热泵系统系统的最显著不同是其独特的污水能量采集系统。所以本文主要介绍其污水能量采集系统，其他系统不再叙述。

2.1 原生污水能量采集系统及装置

    污水能量采集技术的关键是如何解决原生污水中的毛发、固体污杂物、污泥等对换热器的阻塞问题，实现长时间的无阻塞连续运行。其主要装置为：（1）原生污水热泵防阻机；（2）专用污水换热器。

1. 原生污水热泵防阻机

    原生污水热泵防阻机解决了污水对换热设备及管路的堵塞难题，使热泵机组能通过换热设备长时间连续地从原生污水中采集、释放热能。防阻机采集原生污水，将其中一定尺度以上的固体、悬浮物截留，允许比该颗粒小的固体悬浮物进入污水换热器进行无堵塞换热，换热后的污水回到防阻机另一通道，协同被截留污杂物一起返回污水干渠。其原理图如下。

原理图1

    污水泵1抽取污水干渠中的原生污水进入筒外供水区A，经旋转的圆筒形格栅滤网3过滤后进入筒内供水区B，此时污水中已不再含有引起污水换热器堵塞的大颗粒污杂物，利用污水泵5将B中的污水引至换热器6中，换热后污水回到筒外回水区C，在压力下经过滤网3时，对在其表面上已经淤积的污杂物进行反冲洗，反冲洗后的污水进入筒外回水区D，并被重新排回污水干渠中。

1. 板式污水专用换热器

    板式污水专用换热器实现城市污水与清水的换热，冬季采集污水中的低品位热能，通过热泵机组转化为高品位热能，供给建筑物采暖，夏季把室内的热量取出，实现制冷的目的。其原理图如图2所示：

原理图2

    通过防阻机的污水，还含有不大于3mm污杂物的存在，污水专用换热器，宽-宽通道板式污水换热器成功地解决了细小污泥及污水软垢增长对换热器设备的堵塞问题。特殊的管程、壳程设计有效地解决了污水粘度大，换热系数低的问题，可以保证热泵主机长时间正常的运行。

1. 中介水系统

    经过防阻机处理的污水还含有较多杂质，不能直接进入热泵主机中，必须与清水换热，该清水称为中介水。中介水与污水换热后流入热泵主机的蒸发器或冷凝器并在其中放出或吸收热量，达到转移热量的目的。

    污水源热泵的其他部分与一般水源热泵没有区别，这里不在赘述。

1. 污水源热泵系统经济性评价

    根据日本某公司对不同供冷/供热方式的经济性分析结果，污水源热泵系统与传统的制冷机+锅炉系统相比，节约40％的运行费用和25％的总投资，这显示了污水源热泵系统潜在的经济效益

    据测算，夏季使用污水源热泵空调系统、溴化锂机组和家用空调器的运行费用分别为20、34.6、28.8元/m²，污水源热泵的运行费用比其他空调方式低30％以上。

    就机房设备的一次性投入进行比较，溴化锂机组等集中空调系统一般为200元/m²，水源热泵集中空调系统一般为90-100元/m²，仅为前者的一半左右。污水源热泵系统由于利用未处理污水、二级出水或中水作为水源热泵系统的水源，不用打井，在初投资方面有一定的优势。

1. 污水源热泵的特点

污水源热泵系统主要特点如下：

1. 高效、节能  该系统使能量输入与输出之比达到1：4以上，即输入一千瓦的电能，就能够得到四千瓦以上的热量，节能30-70％。采暖费为燃煤供热方式的70％、燃气方式的50％，燃油方式的30％。
2. 绿色环保  该系统不需要锅炉、冷却塔等设备。没有燃料及天然气燃烧的排放物污染，无室外机，不会产生城市热岛效应。在冬季采暖时，利用一万吨污水为建筑物供暖四个月，可减少二氧化碳排放量5040吨。
3. 寿命长、维护费低  该系统主机使用寿命长达25年，污水防阻机和污水换热器寿命长达20年以上，系统不设室外机，不设冷却塔，设备维修简单，费用低。
4. 一机多用、占地小  系统一机多用，一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机两套装置。可以实现冷、暖、热水三联供。机房占地面积只是原来的1/3。
5. 运行稳定、安全可靠  污水的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于室外气温的波动，使得热泵机组运行可靠稳定。
6. 应用广泛  WFJ污水热能采集装置分为Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型适用于对固体污杂物含量较高的城市原生污水; Ⅱ型适用于对江、河、湖、海水等含有少量悬浮物的地表水源。

结论

    城市污水温度夏季比环境温度低，冬季比环境温度高，是良好的空调冷热源。只要解决好污水对换热器和系统的堵塞问题，那么系统就可以高效节能的长时间运行，在为环保做出巨大贡献的同时，也为业主节省了运行费用，可以预见，其在未来必将有更加广阔的应用前景。

参考文献

• 周文忠.污水源热泵空调系统在污水处理厂的应用[J].暖通空调，2005，35（1）：83-86
• 黄国崎.城市污水源热泵的开发和应用[J].流体机械，2005，33：76-78
• 吴荣华，张承虎.城市原生污水冷热源系统形式及其应用[J].哈尔滨工业大学学报，2006，38（5）
• 吴荣华，林福军.城市原生污水冷热源应用的关键因素研究[J].哈尔滨商业大学学报：自然科学版，2004，20

作者：刘宝胜，1985年9月生人，助理工程师，工学学士，任职于河北金大地科技有限公司设计研发部，助理暖通设计师

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