污水源熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀與性能分析研究

賈少剛 魏翠琴 蕢秀惠

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江湖州 313000）

污水源熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀與性能分析研究

賈少剛 魏翠琴 蕢秀惠

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江湖州 313000）

熱泵冷熱源采用城市污水可提高熱泵性能，且節(jié)能減排效果顯著。介紹了污水源熱泵的分類，總結(jié)了國內(nèi)應(yīng)用研究現(xiàn)狀，概括了優(yōu)缺點(diǎn)，分析了性能影響因素與節(jié)能減排效果。解決污水側(cè)換熱器的堵塞、結(jié)垢與腐蝕問題會(huì)極大促進(jìn)該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。

熱泵；城市污水；性能；節(jié)能減排；換熱器

城市污水是一種余熱型低品位清潔能源，可作為熱泵冷熱源為建筑物供暖或制冷，其利用可減少環(huán)境污染和石化燃料的消耗[1]。污水源熱泵冬季供暖時(shí)吸收污水中的熱能，夏季制冷時(shí)把室內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移到低溫污水中。

1 污水源熱泵的種類

污水源熱泵按不同的標(biāo)準(zhǔn)分類有多種，主要有以下幾種分類[1]：

（1）按污水是否經(jīng)過處理可分為原生式和中水/二級(jí)出水式；（2）按污水和熱泵的換熱方式，可分為直接式和間接式；（3）按污水側(cè)換熱器形式的不同，可分為浸泡式、淋激式、殼管式三類；（4）按熱泵的工作原理，可分為蒸汽壓縮式和吸收式等。

直接式污水源熱泵是指污水直接與熱泵的蒸發(fā)器或冷凝器換熱，如圖1所示。間接式污水源熱泵是指污水先和中介水換熱，再由中介水與熱泵的蒸發(fā)器或冷凝器換熱，如圖2所示。直接式可就近利用城市污水，并能就近供給用戶冷熱量，可顯著增加區(qū)域供熱供冷范圍；間接式增加了中間換熱器，中介水水質(zhì)好，對(duì)熱泵機(jī)組設(shè)備影響較小。

圖1 直接式污水源熱泵系統(tǒng)示意圖

圖2 間接式污水源熱泵系統(tǒng)示意圖

2 污水源熱泵的國內(nèi)研究應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來國內(nèi)科研院所對(duì)污水源熱泵的研究工作蓬勃開展，并取得較好的成果。吳榮華等[2-4]測試分析了污水污垢對(duì)換熱器設(shè)計(jì)和污染變化過程的影響，得到了原生污水流動(dòng)具有非牛頓流體特性，不適用常規(guī)的換熱準(zhǔn)則的結(jié)論，并開發(fā)了防阻塞換熱的實(shí)用技術(shù)。姚楊等[5～6]針對(duì)哈爾濱某藥廠提出了污水側(cè)采用淋激式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并就換熱器中污垢熱阻的變化對(duì)熱泵性能的影響進(jìn)行仿真分析。哈工大孫德興教授[7]發(fā)明了多項(xiàng)專利，如城市污水冷熱源的應(yīng)用方法與裝置、設(shè)置有旋轉(zhuǎn)反沖洗格柵濾網(wǎng)的城市污水冷熱源的應(yīng)用裝置等，有力促進(jìn)了污水源熱泵的開發(fā)和利用。畢海洋[8]開發(fā)了旋轉(zhuǎn)板式/旋轉(zhuǎn)筒式自動(dòng)除污取水裝置，提出了流化除垢與強(qiáng)化換熱的方法，提高了污水換熱效率。我國城市污水源熱泵的應(yīng)用發(fā)展迅速，表1所示為工程實(shí)踐應(yīng)用。

3 污水源熱泵優(yōu)缺點(diǎn)分析

污水源熱泵使城市污水資源化，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)保性，對(duì)于建筑供暖的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，相較其它熱源熱泵，其優(yōu)勢(shì)較為顯著[10]：（1）與空氣源熱泵相比，其COP可達(dá)4.0～6.0，高出40%，節(jié)能效果更顯著，且避免了空氣源熱泵冬季結(jié)霜與除霜的問題；（2）與土壤源熱泵相比，無需埋地敷設(shè)管子，節(jié)省大量施工和材料費(fèi)用；（3）與地下水源熱泵相比，不受地下水區(qū)域和水量限制，無需打井費(fèi)用和考慮回灌問題。

污水源熱泵存在的缺點(diǎn)[10]，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用發(fā)展：（1）使用區(qū)域限制，只能在城市周邊使用，受污水處理廠地點(diǎn)限制；（2）污水流量要穩(wěn)定，否則會(huì)嚴(yán)重影響熱泵COP（31）污水中含有大量懸浮物、膠體、超膠體和溶解性物質(zhì)，不經(jīng)處理會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器阻塞與結(jié)垢，嚴(yán)重影響換熱性能；（4）污水源熱泵需要建立泵房、敷設(shè)污水導(dǎo)入管等導(dǎo)致初投資較高。

表1 國內(nèi)城市污水源熱泵應(yīng)用實(shí)例[9]

4 污水源熱泵的性能影響因素與節(jié)能減排分析

4.1 污水源熱泵的性能影響因素

（1）熱泵系統(tǒng)形式：間接式比直接式增加了換熱器和中介水循環(huán)水泵，傳熱環(huán)節(jié)增多且耗電量增加；（2）污水品質(zhì)：二級(jí)出水和中水的水質(zhì)比原生污水好，換熱效果更好，熱泵可長期穩(wěn)定運(yùn)行，減少設(shè)備的清洗次數(shù)；（3）熱泵質(zhì)量：如表2所示，大品牌熱泵的額定和測試COP都比較高，因此選擇高質(zhì)量的生產(chǎn)廠家是基礎(chǔ)。

表2 污水源熱泵供熱工況下的額定和實(shí)測COP[11]

4.2 污水源熱泵的節(jié)能減排分析

節(jié)能分析——污水源熱泵的高COP使其能源利用率是電采暖的3倍～4倍；夏季制冷時(shí)比傳統(tǒng)中央空調(diào)節(jié)省30%～40%的運(yùn)行費(fèi)用[12]；在冬季供暖時(shí)相比燃煤鍋爐節(jié)省煤量48.79%，比燃油鍋爐節(jié)省煤量37.45%，比燃?xì)忮仩t節(jié)省煤量34.55%[13]。

減排分析——與空氣源熱泵相比，利用污水熱能可顯著減輕大氣污染：長沙市利用60%的城市污水的減排效果如表3所示。