污水源熱泵技術(shù)介紹

1、城市原生污水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)解析報(bào)告北京和利時(shí)恒業(yè)熱能科技有限公司二零一一年五月目錄一. 建設(shè)污水源熱泵的意義3二、污水的熱能利用4三污水源熱泵的實(shí)現(xiàn)7四污水源熱泵系統(tǒng)的效益分析8一. 建設(shè)污水源熱泵的意義：（1）緩解能源消耗緊張：在全國建筑能耗占總能耗的很大比例，而在建筑能耗中暖通空調(diào)的能耗更是占有舉足輕重的位置，預(yù)測2020年我國暖通空調(diào)能耗量將達(dá)到10億噸標(biāo)煤，占總能耗的30%以上。開發(fā)利用低位可再生潔凈能源是暖通空調(diào)能源消耗的新模式?？稍偕郧鍧嵞茉窗ㄌ柲?、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎凸I(yè)余熱、城市廢熱等等，相對其他類型的冷熱源，城市污水具有獨(dú)特優(yōu)勢，是一種理想的低位冷熱源。利用污

2、水作為冷熱源對建筑進(jìn)行采暖空調(diào)可以直接減少其他短缺能源的消耗，同時(shí)還可以達(dá)到廢物利用的目的，是資源再生利用，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)節(jié)約型社會，友好環(huán)境的重要措施。目前滿液式熱泵機(jī)組在蒸發(fā)器進(jìn)水溫度1以上時(shí)，機(jī)組制熱性能系數(shù)也在4以上，以火力發(fā)電效率0.33計(jì)算，熱泵機(jī)組的一次能源利用率大于1.33。而效率較高的集中供熱系統(tǒng)（燃煤或燃?xì)猓┮淮文茉蠢寐室矁H在0.65-0.9之間。因此熱泵系統(tǒng)節(jié)能量達(dá)50%。（2）保護(hù)、友好環(huán)境：我國能源消耗中，煤占70%以上，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)下，暖通空調(diào)用能是大氣污染的主要因素之一。在全球空氣污染最嚴(yán)重的10個(gè)城市中，中國占有5個(gè)，包括北京、上海、沈陽、西安和廣州

3、，北京冬季供暖期中（總懸浮顆粒物）、等嚴(yán)重超標(biāo)。資料表明，70%的、90%的、60%的和85%的礦物燃料生成的來自燃煤，暖通空調(diào)引起的污染物排放量占總排放量的15%以上。燃煤排放引起的酸雨污染已擴(kuò)展全國整個(gè)面積的30%-40%，造成的經(jīng)濟(jì)損失接近國民生產(chǎn)總值的2%。另外，全球等溫室氣體的排放給人類帶來重大損失，全球溫暖化的經(jīng)濟(jì)成本是全球經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值（gwp）的10%20%。暖通空調(diào)的能源消耗給環(huán)境帶來了巨大壓力。原生污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是利用污水作為冷熱源（夏天制冷時(shí)往污水干渠里排放多余的熱量，冬天采暖時(shí)從污水里提取熱量為室內(nèi)供暖；因?yàn)榻?jīng)測量污水的溫度夏天低于室外溫度10度左右，冬天溫度可達(dá)10-

4、15度左右，故此可以利用此溫差與室內(nèi)供冷和供暖），無燃燒、無排渣、無排煙等過程，無環(huán)境污染問題。另外，污水經(jīng)過換熱設(shè)備后留下冷量或熱量返回到污水干渠，污水與其他設(shè)備或系統(tǒng)不接觸，密閉循環(huán)，不污染環(huán)境與其他設(shè)備或水系統(tǒng)。（3）有顯著經(jīng)濟(jì)效益：利用污水源熱泵系統(tǒng)供暖空調(diào)除具有重要的節(jié)能、環(huán)保意義以外，同時(shí)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于熱泵系統(tǒng)的主要能源消耗為電，因此電價(jià)費(fèi)用的高低直接決定了該系統(tǒng)的運(yùn)行成本，目前很多區(qū)域均享受民用電價(jià)，例如哈爾濱地區(qū)、沈陽地區(qū)等，我們以民用電價(jià)0.55元/度來比較熱泵系統(tǒng)與集中供熱的運(yùn)行費(fèi)用。以該地區(qū)建筑面積1萬m2為例，供暖設(shè)計(jì)負(fù)荷按40w/ m2（實(shí)際發(fā)生量）計(jì)算，供

5、熱負(fù)荷為400kw，污水源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用為：供熱設(shè)計(jì)負(fù)荷÷熱泵制熱系數(shù)×輔助能耗系數(shù)×供暖平均負(fù)荷系數(shù)×運(yùn)行天數(shù)×天運(yùn)行小時(shí)數(shù)×電價(jià)=400÷4×1.10×0.7×141×24×0.55=14.3（萬元）地區(qū)集中供熱系統(tǒng)按面積分?jǐn)傎M(fèi)用為建筑面積19.8元/ m2。每萬m2建筑面積分?jǐn)傎M(fèi)用為19.8萬元。因此熱泵系統(tǒng)較集中供熱系統(tǒng)每萬m2節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用5.5萬元，節(jié)省率為27.7%。當(dāng)然在收取19.8元/ m2的分?jǐn)傎M(fèi)用中，集中供熱系統(tǒng)的熱力公司也含有部分經(jīng)濟(jì)利潤，單純利用熱泵的

6、運(yùn)行成本與集中供熱的分?jǐn)傎M(fèi)用來比較有欠妥之處。但熱泵系統(tǒng)具有較大的一次能源節(jié)能潛力，從國民經(jīng)濟(jì)的角度上看，經(jīng)濟(jì)效益是非常顯著的，因?yàn)閷?shí)際的火力發(fā)電成本也就0.20.3元/度，而且我國冬季供暖期間電力是過剩的。二、污水的熱能利用城市污水是一種寶貴的可再生資源，包括污水回用、污泥利用和熱能回收，其中污水熱能回收是城市污水資源化的重要組成部分之一。城市污水?dāng)y帶的熱量是城市廢熱之一，占城市廢熱排放的很大比例，據(jù)調(diào)查日本城市污水廢熱比例占40%，我國平均比例在16%左右，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)占30%以上，隨著居民生活水平的不斷提高，該比例還會逐年大幅度增加。因此，要節(jié)能環(huán)保，要進(jìn)行廢熱回收利用，城市污水是必不可

7、少的重要的一項(xiàng)。另外，城市污水是通過市政污水管網(wǎng)排放至污水處理廠，即可通過污水干線分散利用，也可在污水處理廠集中利用建設(shè)熱泵站。2.1 污水特性分析城市污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是利用污水流量大，水質(zhì)穩(wěn)定，常年溫度在13至25等特點(diǎn)，以污水作為冷、熱源進(jìn)行制冷、制熱循環(huán)的一種空調(diào)系統(tǒng)。以北京地區(qū)為例，監(jiān)測資料顯示，冬季城市污水的溫度在1220，水中蘊(yùn)藏著大量的低溫?zé)崮埽俏鬯礋岜每照{(diào)較好的低溫?zé)嵩?；夏季城市污水的溫度?025之間，且日變幅較小，可以作為污水源熱泵空調(diào)冷凝熱量的散熱體。但是城市原生污水的水質(zhì)不能適應(yīng)現(xiàn)有的水源熱泵機(jī)組。由于污水成分很復(fù)雜，會造成換熱器表面結(jié)垢、阻塞甚至是腐蝕的現(xiàn)象。由

8、于這些現(xiàn)象的存在。使得換熱器的傳熱效率降低。流體的流動阻力加大。降低換熱器的使用壽命。有時(shí)甚至使換熱器無法工作。在污水利用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的水質(zhì)問題是結(jié)垢、腐蝕、生物生長、淤塞和起泡，這些問題都是由污水中的污染物引起。因此針對不同材質(zhì)的換熱器為了保證污水的水質(zhì)不影響污水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用，處理主要從以下幾個(gè)方面考慮。2.1.1控制結(jié)垢通過長時(shí)間對污水源熱泵系統(tǒng)的監(jiān)測，系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，換熱器表面會形成一層軟垢，通常的穩(wěn)定期在15 天左右，而控制軟垢的增長可提高換熱器內(nèi)污水流速來進(jìn)行抑制軟垢的增長。另一種方法是定期清洗換熱器，通過實(shí)踐記錄，采暖季過后或制冷期過后可定期進(jìn)行清洗。2.1.2 防止

9、腐蝕如果總?cè)芙夤腆w(tds)的數(shù)值高就提高了水的電導(dǎo)性，這就造成了高的腐蝕性。另溶解的氣體和高氧化狀態(tài)下的金屬離子也能造成腐蝕。冷卻水處于酸性狀態(tài)下也容易形成腐蝕。據(jù)美國得克薩斯州的lubbock 市的jones station 電廠報(bào)道，當(dāng)循環(huán)冷卻水中存在氨離子時(shí)，氨離子轉(zhuǎn)化成硝酸，使ph 值從7.47.9 降低到6.5 甚至更低。對此，可以加入二氧化碳，通過提高重碳酸鹽堿度而調(diào)節(jié)ph 值阻垢劑(如鉻酸鹽、聚磷酸鹽、鋅離子和聚硅酸鹽)能夠減少污水的潛在腐蝕性。另外，熱泵換熱器采用抗腐蝕性強(qiáng)的海軍銅管作為換熱器的換熱管，從材質(zhì)上解決污水具有的腐蝕性。2.1.3 減少淤塞通過阻止顆粒性物質(zhì)的形成

10、和沉降能夠控制淤塞。智能污水防阻機(jī)過濾網(wǎng)孔徑2mm，只有小于2mm 的雜質(zhì)才可進(jìn)入熱泵系統(tǒng)，換熱直徑18 mm，完全可避免換熱管淤積的情況，實(shí)踐也證明這一點(diǎn)。2.2自主研發(fā)污水源熱泵系統(tǒng) 基于對污水特性的研究，北京和利時(shí)公司自主研發(fā)污水專用熱泵系統(tǒng)。在污水側(cè)利用智能防阻機(jī)防止大顆粒污雜物進(jìn)入系統(tǒng)，同時(shí)研發(fā)污水專用熱泵機(jī)組，使機(jī)組滿足污水的使用要求，使利用污水成為現(xiàn)實(shí)。2.3 舉例分析污水熱能的利用以北京地區(qū)為例，冬季污水溫度最低取12，夏季溫度最高取28，主渠污水流量為1000m3/h。按設(shè)計(jì)污水溫差可利用冷熱量情況如下表所示。表1 污水可利用冷熱量（按1000m3/h計(jì)算）污水溫差（）可提取

11、的熱量（kw）可排入的熱量（kw）446404640558005800669606960781208120取估算指標(biāo)平均供暖負(fù)荷40、45、50w/（建筑面積），平均制冷空調(diào)負(fù)荷60、70w/，熱泵制熱系數(shù)平均4，制冷系數(shù)5，可供暖空調(diào)面積如下表2所示。表2 可供暖空調(diào)冷熱量/建筑面積（按1000m3/h計(jì)算）污水溫差（）可供熱熱量（kw）/供熱面積（萬m2）可制冷的空調(diào)冷量（kw）/可供冷面積（萬m2）4580014.50/12.88/11.6037126.18/5.305725018.12/16.11/14.5046407.73/6.626870021.75/19.33/17.405568

12、9.28/7.9571015025.37/22.55/20.30649610.82/9.28由表2可以看出：污水流量在1000m3/h，溫降在7情況下，可以供暖的最大建筑面積為25.37萬m2，可以提供的最大供冷面積為10.82萬m2。污水源熱泵比燃煤鍋爐環(huán)保，污染物的排放比空氣源熱泵減少40%以上，比電供熱減少70%以上。它節(jié)省能源，比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能，比燃煤鍋爐節(jié)省1/2以上的燃料。由于污水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，其制冷、制熱系數(shù)比傳統(tǒng)的空氣源熱泵高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)用僅為普通中央空調(diào)的50%-60%。同時(shí)國家對污水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用給予很大政策、資金扶持。國家規(guī)定利

13、用污水源熱泵系統(tǒng)給予50元/m2的補(bǔ)助。因此，我們深信污水源熱泵有著廣闊的應(yīng)用前景。三污水源熱泵利用的實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)污水源熱泵系統(tǒng)的利用，主要包括3個(gè)重要方面。3.1 污水防堵及引退水系統(tǒng)防止污水中污雜物堵塞的技術(shù)是此系統(tǒng)中的關(guān)鍵所在。在此系統(tǒng)中所用的裝置為全智能污水防阻機(jī)（鉸刀式反沖洗防阻機(jī)），將污水中的污雜物過濾收集，毛發(fā)纖維狀污雜物有鉸刀絞碎并搜集，在污水被提完溫度后，需要返回污水干渠時(shí)，被搜集的污雜物經(jīng)過污水的反沖力量，重新返回到污水干渠。以達(dá)到無阻塞的目的。利用污水源熱泵系統(tǒng)，只是從污水中提取熱量，表現(xiàn)為溫度的降低，而其他如水的ph值，化學(xué)需氧量等化學(xué)性質(zhì)未發(fā)生改表。防污直徑達(dá)到2mm，即

14、理論上大于2mm的污雜物均被過濾掉。此智能防阻機(jī)的技術(shù)創(chuàng)新在于：（1） 過濾能力達(dá)到2mm，解決熱泵主機(jī)堵塞問題；（2） 解決了進(jìn)水和回水的混水問題；（3） 換熱器使用材質(zhì)及生產(chǎn)工藝滿足較寬特性范圍的污水。圖1 智能防阻機(jī)外觀圖另外污水取水，退水口設(shè)在污水渠上，利用鋼筋混凝土管（或者pvc管等）通過重力流將污水引至機(jī)房旁邊設(shè)置的污水提升井。井內(nèi)放置污水潛水泵。污水由潛水泵壓力流送至機(jī)房內(nèi)的全智能防阻機(jī)，經(jīng)過防阻機(jī)過濾后進(jìn)入機(jī)組，通過換熱的方式污水內(nèi)的熱量被提取出來，被提取過熱量的污水從機(jī)組流出，流經(jīng)防阻機(jī)退至污水取水口下游。圖2 污水引退水方案簡圖3.2 熱泵系統(tǒng)從污水中提取熱能的關(guān)鍵設(shè)備是熱

15、泵主機(jī)。即利用機(jī)械做功的原理，從低品位的熱源（污水）中提熱，將提出的熱量加以利用（供熱、生活、生產(chǎn)用水或者其它）。此設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新在于：（1） 噴淋式（降膜式）換熱器，提高換熱效率的同時(shí)，也能滿足污水的要求。（2） 熱泵主機(jī)獨(dú)特的回油冷卻技術(shù)，提高機(jī)組運(yùn)行可靠性。（3） 利用低壓增壓技術(shù)，增大壓縮機(jī)吸氣量，提高使用效率。四污水源熱泵系統(tǒng)的效益分析4.1 環(huán)境效益顯著原生污水源熱泵是利用了城市廢熱作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)，污水經(jīng)過換熱設(shè)備后留下冷量或熱量返回污水干渠，污水與其他設(shè)備或系統(tǒng)不接觸，污水密閉循環(huán)，不污染環(huán)境與其他設(shè)備或水系統(tǒng)。供熱時(shí)省去了燃煤、燃?xì)?、然油等鍋爐房系統(tǒng)，沒

16、有燃燒過程，避免了排煙污染；供冷時(shí)省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音及霉菌污染。不產(chǎn)生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵，環(huán)境效益顯著。我國年污水排放量達(dá)464億m3，可節(jié)省用煤量0.33億噸，以全國年總能耗30億噸標(biāo)煤計(jì)算，達(dá)到了1.1%，若按暖通空調(diào)的一次能源消耗量10億噸標(biāo)煤計(jì)算，達(dá)3.3%。同時(shí)每年可減少排放量達(dá)72萬噸。 設(shè)單位污水量以100m3計(jì)，所能利用的顯熱溫差為5，則可利用冷熱量為 =2.1×106kj。 供暖時(shí)：可節(jié)省一次能源（燃煤）1.34×106kj，相當(dāng)于71.3（22.8元）燃煤?？晒?jié)省一次能源（燃?xì)猓?.651×106kj，相當(dāng)于4

17、0.7m3（48.8元）燃?xì)狻Ｖ评鋾r(shí)，可節(jié)省一次能源（燃煤）0.357×106kj，相當(dāng)于19（6.1元）燃煤。可節(jié)省一次能源（燃?xì)猓?.168×106kj，相當(dāng)于10.5m3（12.6元）燃?xì)狻?4.2 經(jīng)濟(jì)效益明顯以長春地區(qū)為例，每萬建筑物供暖熱指標(biāo)650 kw，供冷冷指標(biāo)1200 kw，采暖天數(shù)150天，城市熱電采暖費(fèi)29元/m²。原生污水源熱泵系統(tǒng)與其他各系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用估算比較如表3所示（燃煤等系統(tǒng)未計(jì)排污費(fèi)）。表3所示的對比結(jié)果表明污水源熱泵系統(tǒng)（usshp）較其他系統(tǒng)節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用最為節(jié)省。這是在末端耗熱量相同條件下，通過比較所花燃料成本計(jì)算得到的。而實(shí)際

18、污水源熱泵系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上還可節(jié)省30%左右的運(yùn)行費(fèi)，是系統(tǒng)實(shí)施自動控制后，在節(jié)能與運(yùn)行維護(hù)方面獲得的效益。這就是通常熱泵廠家在計(jì)算熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)時(shí)，在考慮平均熱負(fù)荷系數(shù)之后，又提出其機(jī)組的負(fù)載率為70%，因此運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)一步減少了30%。表3 1萬平方米初投資比較空調(diào)類型總投資（萬元）功能熱（泠）源設(shè)備其它費(fèi)用合計(jì)污水源熱泵系統(tǒng)10080180采暖制冷生活熱水地下水源熱泵系統(tǒng)80110190采暖制冷生活熱水熱網(wǎng)水冷機(jī)組70150220采暖制冷土壤源熱泵80260340采暖制冷生活熱水直燃機(jī)120130250采暖制冷燃煤水冷機(jī)組160100260采暖制冷表4 1萬平方米運(yùn)行費(fèi)用比較空調(diào)類型采暖費(fèi)按150天計(jì)算（萬元）備注污水源熱泵系統(tǒng)20電費(fèi)