污水源热泵区域供暖系统详细应用分析
来源：本站时间：2024/8/9 11:08:33
1、污水源热泵的发展
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。
3、污水源热泵技术特点及优势
我国北方地区，冬季采暖主要是依靠煤、石油、天然气等石化燃料的燃烧来获得。采暖与环保成为一对难以解决的矛盾。城市污水是北方寒冷地区不可多得的热泵冷热源。它的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，这种温度特性使得污水源热泵比传统空调系统运行效率要高，节能和节省运行费用效果显着。
3.1 污水源热泵技术特点
（1）环保效益显着
原生污水源热泵是利用了城市废热作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统，污水经过换热设备后留下冷量或热量返回污水干渠，污水与其他设备或系统不接触，污水密闭循环，不污染环境与其他设备或水系统。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，环境效益显着。
（2）高效节能
冬季，污水体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。供暖制冷所投入的电能在1KW时可得到5KW左右的热能或冷能。
（3）运行稳定可靠
水体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，使得污水源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，可应用范围广
污水源热泵可供暖、制冷，供热水，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。城市污水热泵空调系统利用城市污水，冬季取热供暖，夏季排热制冷，全年取热供应生活热水，夏季空调季节可实施部分免费生活热水供应。一套系统冬夏两用，实现三联供。
（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。表1，2为污水源热泵与同类产品的投资与运行费用比较。运行效果良好，经济效益显着。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。
3.2 污水源热泵优势
与燃煤、燃气、然油等锅炉房系统相比，我国年污水排放量达464亿m3，可节省用煤量0.33亿吨，以全国年总能耗30亿吨标煤计算，达到了1.1%，若按暖通空调的一次能源消耗量10亿吨标煤计算，达3.3%。同时每年可减少排放量达72万吨。据相关统计，15万平方米供冷、供热、以及供生活热水，年可节约标煤1万吨，减排二氧化硫300吨、烟量2200万立方米、颗粒物6400吨，年少排炉渣2800吨、废水600吨。
另外，污水源热泵系统将污水热能连同热泵机组本身产生热能一并转移到室内,能效比高达4.5~6.0,能源利用率是电采暖的3~4倍, 污水源热泵与空气源热泵相比,夏季冷凝温度低,冬季蒸发温度高, 能效比和性能系数大大提高,而运行工况稳定,比传统中央空调节30?~40?的运行费用，且污水源热泵技术系统无需设冷却塔,利用的是城市原生污水，节约了大量水资源的同时又开发创造出新的清洁型新能源。
设计和开发污水源热泵系统时，需要考虑以下几方面：
①从城镇污水管道中提取水源需要考虑水温和水量的波动性。
②污水经热泵系统后，温度会降低，需确保污水换热后污水厂的处理设施仍能正常运行。
③污水属于非牛顿幂方流体，流变指数为0.92，污水源热泵系统的设计不能直接套用清水源热泵系统的设计参数和方法。
④控制由污水中各类污染物所引起的堵塞和结垢等问题。
以原生污水作为热源时容易导致系统堵塞、结垢和腐蚀，需要研发出高效低成本的防污防堵防腐蚀技术，很多学者就此开展了设计应用的探索。基于污水流动阻力和热交换特性，研究者利用SCILAB（开放源代码）平台和TCL/TK软件，结合多年的研究和工程实践，提出了污水侧热交换器的关键设计点和主要参数。
根据双相流理论、制冷系统的动力学原理、污水侧的同向流、逆流、垂直交错流、斜交错流的流动模式，开发了具有自动除污功能的干式管壳污水换热器。传统污水热泵系统由于污水量难以满足建筑供暖高峰的需求，相关研究者还设计了新型冷凝潜热交换器系统，将污水的冷凝潜热作为热泵系统的低温热源，能够安全除冰，连续吸热，去除污水软垢，强化热传递，该系统具有较大的可行性和应用潜力。
实际工程应用时污水管渠和建筑物之间应有一定的距离，套管输送换热（TDHT）系统直接以输送管路作为换热器，采用套管型的换热部件，污水走管径大而防堵的内管，载热介质走环形空间，在污水输送过程中完成换热。研究表明，中介水子系统是套管换热系统的关键部分，对于一般工程，中介水和污水的经济流量比（Cr）、流速比（Ur）分别为（0.3～0.4）和（0.54～0.85）；对于较大工程，Ur可取较小值而对应的Cr可取较大值，此时中介水扬程与污水泵扬程之比为0.7～1.6;采用ε－NTU法计算双程套管系统顺、逆流的换热效率，发现城市污水TDHT系统采用顺流方式最佳。
通过优化分析，双程TDHT的换热损失系数β为0.05～0.25，合理的最小距离负荷比DLＲ值为8.8m/kW0.5左右。为提高双级泵式污水源热泵系统设计和运行调节的合理性，张承虎等建立了污水子系统的旁路串联水泵模型，管路阻抗、水泵性能对系统实际用水量和流量系数的影响结果表明，小阻抗旁路串联水泵系统具有环路独立性，可以采用简单的分级调试方法来监控运行；增加旁路漏水阻抗有利于优化系统设计的流量系数，选择特性曲线较平缓的水泵有利于提高系统的综合性能。
在全球面临能源危机和环境污染日益严重的形势下，城市污水中赋存的热能已被公认为是尚未有效开发和利用的清洁能源 污水源热泵技术的日趋成熟和快速发展为在实际工程中推广和应用城市污水热能有效利用系统提供了可靠的技术保证，具有节能、经济环保的优势 污水源热泵技术将城市污水资源化，变废为宝，实现了能源的可持续发展。
对城市污水源热泵空调系统的研究，日本、挪威、瑞典及一些其它北欧等供热发达国家比较活跃。最早起源于杨图夫斯基(前苏联)等人对河水、污水、海水的利用探讨，1978年，杨图夫斯基等人对热泵站供热与热化电站、区域锅炉房集中供热进行比较，得出热泵站供热可节省燃料20%~30%，并提出利用莫斯科河水作水源热泵站区域供热方案。1981年6月，瑞典在塞勒研究开发了第一个净化污水源热泵系统。自此发达国家纷纷投入大量的财力和人力进行此项研究，并取得了一定的发展。国内应用较早，较为突出的是北京高碑店污水处理厂的二级出水。2000年，北京市排水集团在高碑店污水处理厂开发了污水源热泵实验工程，空调建筑面积900m2，这是我国最早的城市污水源热泵系统，?近年来，在青岛、大连等地均有污水源热泵系统。
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。
3、污水源热泵技术特点及优势
我国北方地区，冬季采暖主要是依靠煤、石油、天然气等石化燃料的燃烧来获得。采暖与环保成为一对难以解决的矛盾。城市污水是北方寒冷地区不可多得的热泵冷热源。它的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，这种温度特性使得污水源热泵比传统空调系统运行效率要高，节能和节省运行费用效果显着。
3.1 污水源热泵技术特点
（1）环保效益显着
原生污水源热泵是利用了城市废热作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统，污水经过换热设备后留下冷量或热量返回污水干渠，污水与其他设备或系统不接触，污水密闭循环，不污染环境与其他设备或水系统。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，环境效益显着。
（2）高效节能
冬季，污水体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。供暖制冷所投入的电能在1KW时可得到5KW左右的热能或冷能。
（3）运行稳定可靠
水体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，使得污水源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，可应用范围广
污水源热泵可供暖、制冷，供热水，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。城市污水热泵空调系统利用城市污水，冬季取热供暖，夏季排热制冷，全年取热供应生活热水，夏季空调季节可实施部分免费生活热水供应。一套系统冬夏两用，实现三联供。
（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。表1，2为污水源热泵与同类产品的投资与运行费用比较。运行效果良好，经济效益显着。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。
3.2 污水源热泵优势
与燃煤、燃气、然油等锅炉房系统相比，我国年污水排放量达464亿m3，可节省用煤量0.33亿吨，以全国年总能耗30亿吨标煤计算，达到了1.1%，若按暖通空调的一次能源消耗量10亿吨标煤计算，达3.3%。同时每年可减少排放量达72万吨。据相关统计，15万平方米供冷、供热、以及供生活热水，年可节约标煤1万吨，减排二氧化硫300吨、烟量2200万立方米、颗粒物6400吨，年少排炉渣2800吨、废水600吨。
另外，污水源热泵系统将污水热能连同热泵机组本身产生热能一并转移到室内,能效比高达4.5~6.0,能源利用率是电采暖的3~4倍, 污水源热泵与空气源热泵相比,夏季冷凝温度低,冬季蒸发温度高, 能效比和性能系数大大提高,而运行工况稳定,比传统中央空调节30?~40?的运行费用，且污水源热泵技术系统无需设冷却塔,利用的是城市原生污水，节约了大量水资源的同时又开发创造出新的清洁型新能源。
设计和开发污水源热泵系统时，需要考虑以下几方面：
①从城镇污水管道中提取水源需要考虑水温和水量的波动性。
②污水经热泵系统后，温度会降低，需确保污水换热后污水厂的处理设施仍能正常运行。
③污水属于非牛顿幂方流体，流变指数为0.92，污水源热泵系统的设计不能直接套用清水源热泵系统的设计参数和方法。
④控制由污水中各类污染物所引起的堵塞和结垢等问题。
以原生污水作为热源时容易导致系统堵塞、结垢和腐蚀，需要研发出高效低成本的防污防堵防腐蚀技术，很多学者就此开展了设计应用的探索。基于污水流动阻力和热交换特性，研究者利用SCILAB（开放源代码）平台和TCL/TK软件，结合多年的研究和工程实践，提出了污水侧热交换器的关键设计点和主要参数。
根据双相流理论、制冷系统的动力学原理、污水侧的同向流、逆流、垂直交错流、斜交错流的流动模式，开发了具有自动除污功能的干式管壳污水换热器。传统污水热泵系统由于污水量难以满足建筑供暖高峰的需求，相关研究者还设计了新型冷凝潜热交换器系统，将污水的冷凝潜热作为热泵系统的低温热源，能够安全除冰，连续吸热，去除污水软垢，强化热传递，该系统具有较大的可行性和应用潜力。
实际工程应用时污水管渠和建筑物之间应有一定的距离，套管输送换热（TDHT）系统直接以输送管路作为换热器，采用套管型的换热部件，污水走管径大而防堵的内管，载热介质走环形空间，在污水输送过程中完成换热。研究表明，中介水子系统是套管换热系统的关键部分，对于一般工程，中介水和污水的经济流量比（Cr）、流速比（Ur）分别为（0.3～0.4）和（0.54～0.85）；对于较大工程，Ur可取较小值而对应的Cr可取较大值，此时中介水扬程与污水泵扬程之比为0.7～1.6;采用ε－NTU法计算双程套管系统顺、逆流的换热效率，发现城市污水TDHT系统采用顺流方式最佳。
通过优化分析，双程TDHT的换热损失系数β为0.05～0.25，合理的最小距离负荷比DLＲ值为8.8m/kW0.5左右。为提高双级泵式污水源热泵系统设计和运行调节的合理性，张承虎等建立了污水子系统的旁路串联水泵模型，管路阻抗、水泵性能对系统实际用水量和流量系数的影响结果表明，小阻抗旁路串联水泵系统具有环路独立性，可以采用简单的分级调试方法来监控运行；增加旁路漏水阻抗有利于优化系统设计的流量系数，选择特性曲线较平缓的水泵有利于提高系统的综合性能。
在全球面临能源危机和环境污染日益严重的形势下，城市污水中赋存的热能已被公认为是尚未有效开发和利用的清洁能源 污水源热泵技术的日趋成熟和快速发展为在实际工程中推广和应用城市污水热能有效利用系统提供了可靠的技术保证，具有节能、经济环保的优势 污水源热泵技术将城市污水资源化，变废为宝，实现了能源的可持续发展。
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