污水源熱泵系統(tǒng)介紹

污水源熱泵系統(tǒng)介紹供熱空調(diào)的能源消耗占社會(huì)總能耗的比例大達(dá)30%，而環(huán)境污染的20%也是由供熱空調(diào)燃煤引起的。因此，采用熱泵技術(shù)，開發(fā)低位的、可再生的清潔能源用于建筑物的供熱空調(diào)意義重大，是建筑節(jié)能減排的有效途徑之一。這些能源包括：大氣、土壤、地下水、地表水、工業(yè)余熱及城市污水等等。其中污水在數(shù)量（水量）、質(zhì)量（水溫）及分布規(guī)律上（地理位置）具有明顯優(yōu)勢(shì)。預(yù)計(jì)2010年我國(guó)污水排放量達(dá)720億t/a，水溫全年在10-25℃之間，按開發(fā)50%的水量計(jì)算，可供熱空調(diào)的面積至少在5億㎡以上。另外，原生污水均勻地分布在城市地下空間，為因地制宜地有效利用及建設(shè)分散式的熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件。而地表水源在南方水源豐富的地區(qū)以及沿海城市更具有廣闊的應(yīng)用前景。1熱泵原理各類低位的清潔能源利用是通過(guò)熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。熱泵空調(diào)技術(shù)是根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，將低溫?zé)嵩椿虻臀荒茉矗ㄈ绯鞘形鬯?、地下水等）中的低品位熱能進(jìn)行回收，轉(zhuǎn)換為高品位熱能的一種節(jié)能與環(huán)保性技術(shù)，利用這項(xiàng)技術(shù)的逆過(guò)程同時(shí)還可以達(dá)到制冷的目的，是以存在合適的低位能源為必要條件的。圖1熱泵工作原理示意圖圖1示意了一種水源熱泵向建筑物供熱的工作原理。所謂水源熱泵，就是指以環(huán)境中的水（污水、地表水、地下水等）作為熱源。熱泵工質(zhì)（例如氟利昂）在壓縮機(jī)1的驅(qū)動(dòng)下，在壓縮機(jī)1、冷凝器2、膨脹裝置3、蒸發(fā)器4幾個(gè)主要部件中循環(huán)運(yùn)動(dòng)。工質(zhì)的熱力性質(zhì)決定了蒸發(fā)器中的工質(zhì)溫度可以保持在例如2℃（稱為蒸發(fā)溫度）左右，而冷凝器中則為60℃（稱為冷凝溫度）左右。這里的水源雖然在冬季可能僅為11℃，但卻可以作為熱泵系統(tǒng)的熱源，因?yàn)楫?dāng)將它引入溫度為2℃的蒸發(fā)器時(shí)，它必然要把自身中的熱能（稱為內(nèi)能）交給機(jī)組，變?yōu)槔缈偟膩?lái)看，熱泵能夠從常溫或低溫（11℃）的環(huán)境中提取熱量，以較高的溫度（50然而熱泵技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題已不是熱泵機(jī)組的效率有多高，而是需要有合適的低位能源或低溫?zé)嵩矗约罢麄€(gè)系統(tǒng)的全面高效低能耗運(yùn)行，以保證節(jié)能性。2污水源熱泵污水熱泵是以污水（包括地表水）作為低溫?zé)嵩?，利用熱泵技術(shù)回收或提取污水中的低溫?zé)崮?，其中污水包括市政管網(wǎng)中未處理的原生污水、污水處理廠已處理污水，地表水包括江河湖水、海水及污水處理后的再生水。由于污水及地表水的水質(zhì)條件較差，利用過(guò)程中又是開式循環(huán)，懸浮物和雜質(zhì)成迅速的累積過(guò)程，因此提取熱量時(shí)需要解決防堵、防垢及低能耗運(yùn)行等一系列可能影響到系統(tǒng)的運(yùn)行效果、運(yùn)行維護(hù)、投資、運(yùn)行費(fèi)的相關(guān)問(wèn)題。2.1污水特性2.1.1污水源流量特性—量大且穩(wěn)定我國(guó)主要城市日污水排放量極其可滿足供暖面積項(xiàng)目北京天津上海南京無(wú)錫武漢杭州日污水排放量(萬(wàn)m3/d)35020054011080205140可滿足供暖面積(萬(wàn)m2)14008002160440320821560注：△t=5℃2.1.2污水溫度特性—冬暖夏涼冬季，即使在嚴(yán)寒地區(qū)，污水溫度也在10－18℃以上，是豐富的熱源；夏季污水溫度20－28℃，是廢熱理想的排放處。2.1.3科學(xué)能源配置的需求城市污水分布與人口及城市工業(yè)化程度基本成正比，將城市污水作為一種新能源，在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還能有效緩解能源缺乏及分布不均勻的問(wèn)題。2.2污水源熱泵系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)高效節(jié)能該項(xiàng)目消耗約25%的電能即可提取75%以上的污水熱能，得到100%的供熱熱能，系統(tǒng)能耗模式如圖2所示。使電能的利用率提高到4倍，若按火力發(fā)電0.33的效率計(jì)算，系統(tǒng)的一次能源利用率高達(dá)1.33，再高效的鍋爐效率也在0.9以下，考慮輔助能耗及熱損耗，污水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的一次能源的節(jié)能幅度達(dá)45%以上。.另外，就具體項(xiàng)目本身而言，由于一套系統(tǒng)冬夏兩用，全年供應(yīng)衛(wèi)生熱水，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。較燃煤鍋爐加冷水機(jī)組、城市熱網(wǎng)加冷水機(jī)組、直燃機(jī)組等供熱空調(diào)方式相比，節(jié)省初投資及運(yùn)行費(fèi)用均在25%以上。圖2污水熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)能耗模式示意圖經(jīng)濟(jì)環(huán)保系統(tǒng)70%以上的能量是來(lái)自于大自然或廢棄物，無(wú)須“付費(fèi)”，30%以下的能量來(lái)自耗電，不污染環(huán)境，不消耗任何水源，不向空氣中排放任何有害氣體。同時(shí)，CO2、NOx、SO2及粉塵的排放量也相應(yīng)減少45%以上。效果穩(wěn)定全年污水的溫度相對(duì)穩(wěn)定，受環(huán)境溫度的影響很小，因此其制冷制熱效果穩(wěn)定安全可靠可靠的保護(hù)系統(tǒng)、監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，沒(méi)有任何安全隱患一機(jī)三用供暖、供冷、供生活熱水，一套系統(tǒng)可以代替原來(lái)的鍋爐+空調(diào)兩套裝置初投資低較地下水源、土壤源以及其他常規(guī)系統(tǒng)，初投資要低2.3污水源熱泵特點(diǎn)污水作為低位熱源或冷源有三個(gè)明顯的特點(diǎn)，即“防堵塞”、“非清潔”與“小溫差”換熱，這三個(gè)特點(diǎn)都集中在污水循環(huán)子系統(tǒng)內(nèi)，妥善地解決好污水循環(huán)是系統(tǒng)的關(guān)鍵換熱技術(shù)，而三個(gè)循環(huán)子系統(tǒng)的合理有效匹配是保證系統(tǒng)高效低能耗運(yùn)行的另外一個(gè)關(guān)鍵配置技術(shù)。2.3.1防堵塞。未處理原生污水中含有大尺度懸浮物，包括纖維狀的發(fā)絲類、紙屑類、藻狀類，普通的換熱設(shè)備是根本無(wú)法承受的。而實(shí)踐證明：已處理污水和地表水中的懸浮物含量相對(duì)較少，盡管與未處理原水不在同一數(shù)量級(jí)，但隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，堵塞問(wèn)題也立即突現(xiàn)，原水的堵塞時(shí)間為1~3d，而地表水則為7~10d。圖3是未處理原生污水的堵塞現(xiàn)象，圖4是已處理污水的堵塞狀況。圖3未處理原生污水的堵塞現(xiàn)象圖4已處理污水的堵塞狀況2.3.2非清潔。污水（未處理原生水）中含有大量的小尺度懸浮固體、油類，以及溶解與非溶解化合物，很容易造成換熱面的“瞬時(shí)污染”（2~3d），換熱器內(nèi)換熱面上的軟垢增長(zhǎng)速度快，成分復(fù)雜（油膜、生物膜、顆粒等粘泥），嚴(yán)重地增大熱阻，降低傳熱效果，并增大流動(dòng)阻力，使流量減少，換熱工況嚴(yán)重惡化。已處理污水與地表水（江河湖海水）屬同類，與未處理原水相比，相對(duì)清潔，但水源的利用為開式循環(huán)，小時(shí)流量數(shù)百至上千立方米，污染成迅速的累積過(guò)程，易“短時(shí)污染”（7~10d），因此對(duì)熱泵系統(tǒng)或換熱過(guò)程也是“非清潔”的水源。圖5某污水源熱泵工程換熱器熱熱量衰減幅度圖2.3.3小溫差。我國(guó)大部分地區(qū)的冬季時(shí)段，污水水溫15℃以下，地表水7℃以下，渤海與黃海近海域水溫3℃左右，提取水源的顯熱熱能溫差在2~6℃范圍內(nèi)。這使得換熱設(shè)備的傳熱溫差非常小，例如污水15℃降至10℃，中介介質(zhì)由6℃升至11℃，則平均傳熱溫差4℃左右；若海水由3℃降至如此小的取熱溫差，要求的水源水量則很大，對(duì)“非清潔”引起的污染問(wèn)題就更不利。而更小的傳熱溫差，則需要增大換熱面積或換熱設(shè)備的數(shù)量，這不僅加大系統(tǒng)的建設(shè)投資，而且又增加了換熱器的維護(hù)工作量。防堵塞是系統(tǒng)的基本功能要求，污水循環(huán)若不具備防堵的能力，則系統(tǒng)根本不能運(yùn)行，而非清潔則需要防污垢，防污垢與小溫差換熱直接影響到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和維護(hù)操作的難易程度與工作量。3污水源熱泵發(fā)展歷程2003年我國(guó)第一套間接式污水源熱泵系統(tǒng)在哈爾濱望江賓館成功應(yīng)用，至此間接式污水源熱泵系統(tǒng)步入了人們的視野?，F(xiàn)在市場(chǎng)上絕大部分的污水源系統(tǒng)都為間接式的。隨著污水源技術(shù)的發(fā)展，2009年世界上第一套直接式污水源熱泵系統(tǒng)在北京悅都酒店成功投入使用。3.1間接式污水源熱泵系統(tǒng)即污水通過(guò)中間換熱裝置，將熱量傳遞給清水（中介水），再將清水（中介水）輸送到熱泵機(jī)組中進(jìn)行換熱的系統(tǒng)。間接式污水源熱泵系統(tǒng)分為兩種，第一種為防阻機(jī)+殼管換熱器（或?qū)?寬板式換熱器）+熱泵機(jī)組，第二種為智能自清防堵塞熱能采集器+熱泵機(jī)組3.1.1防阻機(jī)+殼管換熱器（或?qū)?寬板式換熱器）+熱泵機(jī)組間接式污水源熱泵系統(tǒng)第一種系統(tǒng)配置：一級(jí)污水泵+防阻機(jī)+二級(jí)污水泵+污水專用殼管式換熱器+中介水泵+熱泵機(jī)組優(yōu)點(diǎn)：污水不直接進(jìn)入熱泵機(jī)組，從而避免了熱泵機(jī)組的堵塞缺點(diǎn)：1、由于設(shè)備配置比較多，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝都相對(duì)復(fù)雜；2、初投資高，機(jī)房占地面積大；3、由于有了中間換熱裝置，致使熱泵機(jī)組的能效比降低；4、由于存在了3臺(tái)水泵，使整個(gè)系統(tǒng)的耗功增加，系統(tǒng)能效比降低。第二種系統(tǒng)配置：一級(jí)污水泵+防阻機(jī)+二級(jí)污水泵+寬-寬流道式污水專用板式換熱器+中介水泵+熱泵機(jī)組優(yōu)點(diǎn)：1、污水不直接進(jìn)入熱泵機(jī)組，從而避免了熱泵機(jī)組的堵塞；2、由于板式換熱器的換熱系數(shù)高，其占地面積相對(duì)于殼管換熱器小。缺點(diǎn)：1、由于設(shè)備配置比較多，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝都相對(duì)復(fù)雜；2、初投資高，機(jī)房占地面積大；3、由于有了中間換熱裝置，致使熱泵機(jī)組的能效比降低；4、由于存在了3臺(tái)水泵，使整個(gè)系統(tǒng)的耗功增加，系統(tǒng)能效比降低。推薦期：技術(shù)研發(fā)初期推薦3.1.2智能自清防堵塞熱能采集器+熱泵機(jī)組間接式污水源熱泵系統(tǒng)系統(tǒng)配置：污水提升泵+原生污水智能自清式熱能采集器+中介水泵+熱泵機(jī)組優(yōu)點(diǎn)：1、污水不直接進(jìn)入熱泵機(jī)組，從而避免了熱泵機(jī)組的堵塞；2、由于減少了防阻機(jī)和二級(jí)污水泵，其占地面積相對(duì)于防阻機(jī)式間接式污水源系統(tǒng)小。3、減少了二級(jí)污水泵，其系統(tǒng)能效比相對(duì)于防阻機(jī)式間接式污水源系統(tǒng)高。缺點(diǎn)：1、由于設(shè)備配置比較多，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝都相對(duì)復(fù)雜；2、初投資高，機(jī)房占地面積大；3、由于有了中間換熱裝置，致使熱泵機(jī)組的能效比降低；推薦期：技術(shù)研發(fā)中期推薦3.2直接式污水源熱泵系統(tǒng)即污水不通過(guò)中間換熱裝置，直接進(jìn)入專用的污水源熱泵機(jī)組進(jìn)行換熱的系統(tǒng)。系統(tǒng)配置：一級(jí)污水泵+防阻機(jī)+二級(jí)污水泵+原生污水專用熱泵機(jī)組原生污水由一級(jí)污水泵提升，經(jīng)過(guò)智能污水防阻機(jī)過(guò)濾后，進(jìn)入原生污水專用熱泵機(jī)組；在機(jī)組提溫（或降溫）后，流經(jīng)污水防阻機(jī)并攜帶污雜物回到污水干渠。優(yōu)點(diǎn)：1、設(shè)備配置少，系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單；2、節(jié)省了換熱器的投入，減小設(shè)備占地面積，并降低機(jī)房初次投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用；3、避免了二次換熱時(shí)熱量損失，提高了系統(tǒng)能效比；4、機(jī)組冷熱工況的轉(zhuǎn)換是通過(guò)冷媒切換完成，省去了管線切換的安裝費(fèi)用，并解決了使用端與污水系統(tǒng)污染的問(wèn)題。推薦期：技術(shù)成熟期重點(diǎn)推薦4污水源專利產(chǎn)品介紹4.1防阻機(jī)第一代防阻機(jī)是從哈爾濱望江賓館的污水采集發(fā)展而來(lái)，其原理是過(guò)濾面連續(xù)再生。圖6望江賓館干渠取水點(diǎn)圖7過(guò)濾面連續(xù)再生原理圖圖8第一代防阻機(jī)圖9第一代防阻機(jī)原理圖隨著污水源技術(shù)的不斷發(fā)展，北京瑞寶利熱能有限公司已經(jīng)將污水防阻機(jī)發(fā)展到第七代智能防阻機(jī)。第3代：混水、混溫第5代：消除了混水、混溫，智能自控；但是體積大，耗功大，過(guò)濾精度不高第6代：體積小、無(wú)混水、智能自控、過(guò)濾精度高，但是耗功大(與第7代相比）第7代：耗功小、體積小、無(wú)混水、智能自控、過(guò)濾精度高4.1.1第七代智能防阻機(jī)概況第七代智能污水防阻機(jī)主要解決原生污水直接進(jìn)行換熱存在污水中的污雜物堵塞換熱管這一技術(shù)難題。第七代智能污水防阻機(jī)的特點(diǎn)主要為內(nèi)部采用活塞式擠出式的原理，圖10所示為其外觀圖。其原理為原生污水進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部后，水與雜物進(jìn)行分離，分為相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)通路，并利用污水回水將容污區(qū)內(nèi)將污雜物沖回干渠中，保證污水正常進(jìn)行換熱。圖10活塞式擠出型污水防阻機(jī)4.1.2第七代智能防阻機(jī)原理應(yīng)用原理：原生污水從污水進(jìn)水口（17）進(jìn)入內(nèi)筒過(guò)濾區(qū)（18），經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)（3）過(guò)濾后由過(guò)濾水出口（4）進(jìn)入換熱設(shè)備進(jìn)行換熱，換熱后的過(guò)濾水由過(guò)濾水進(jìn)口（9）進(jìn)入沖洗區(qū)（11），沖洗容污區(qū)（14）內(nèi)污雜物，并攜同污雜物由污水出水口（15）排出。減速電機(jī)（1）帶動(dòng)螺旋推桿（6）旋轉(zhuǎn)，可將內(nèi)筒過(guò)濾區(qū)（18）過(guò)濾后遺留的污雜物推向容污區(qū)（14），由內(nèi)筒活塞（16）、容污區(qū)（14）、沖洗區(qū)活塞（13）、活塞拉桿（12）組成活塞運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，由電動(dòng)推桿（19）帶動(dòng)往復(fù)運(yùn)行，內(nèi)筒活塞（16）與螺旋推桿密封（7）緊密接觸，時(shí)時(shí)進(jìn)行密封，防止原生污水進(jìn)入螺旋推桿內(nèi)區(qū)（23），沖洗區(qū)活塞（13）與活塞密封（8）緊密接觸，時(shí)時(shí)進(jìn)行密封，防止原生污水進(jìn)入沖洗區(qū)（11）?；钊\(yùn)動(dòng)構(gòu)件往復(fù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，受上限位開關(guān)（21）和下限位開關(guān)（22）控制，容污區(qū)（14）運(yùn)動(dòng)至內(nèi)筒過(guò)濾區(qū)（18）時(shí)，螺旋推桿（6）將過(guò)濾后遺留的污雜物推進(jìn)容污區(qū)（14）內(nèi)，此時(shí)連桿觸動(dòng)上限位開關(guān)（21），活塞運(yùn)動(dòng)構(gòu)件轉(zhuǎn)變方向，反向運(yùn)動(dòng)。容污區(qū)（14）進(jìn)入沖洗區(qū)（11）后，換熱后的過(guò)濾水由過(guò)濾水進(jìn)口（9）進(jìn)入沖洗區(qū)（11），沖洗容污區(qū)（14）內(nèi)污雜物，并攜同污雜物由污水出水口（15）排出。圖11第七代智能污水防阻機(jī)剖面圖圖11所示，1-減速電機(jī)；2-軸承座；3-過(guò)濾網(wǎng)；4-過(guò)濾水出口；5-外筒過(guò)濾區(qū)；6-螺旋推桿；7-螺旋推桿密封；8-活塞密封；9-過(guò)濾水進(jìn)口；10-外密封裝置；11-沖洗區(qū)；12-活塞拉桿；13-沖洗區(qū)活塞；14-容污區(qū)；15-污水出水口；16-內(nèi)筒活塞；17-污水進(jìn)水口；18-內(nèi)筒過(guò)濾區(qū)；19-電動(dòng)推桿；20-主體；21-上限位開關(guān)；22-下限位開關(guān)；23-螺旋推桿內(nèi)區(qū)；24-連桿。4.1.3第七代智能污水防阻機(jī)技術(shù)特征：1、過(guò)濾網(wǎng)采用不銹鋼無(wú)縫鋼管（壁厚10mm，加工完成后為5~6mm）人工鉆2mm直徑的圓孔，通過(guò)實(shí)踐工程，結(jié)出污雜物影響機(jī)組正常運(yùn)行的主要原因在于絨泥通過(guò)過(guò)濾裝置多少及其大小，先期過(guò)濾網(wǎng)為梯形孔，長(zhǎng)×寬=10mm×2mm，截面積是現(xiàn)有的2mm圓孔的6.37倍，所以對(duì)機(jī)組運(yùn)行有一定的影響。實(shí)踐也證明，新一代的防阻機(jī)也確實(shí)解決了這一問(wèn)題。2、從原理上，徹底解決了原生污水連續(xù)過(guò)濾、無(wú)堵塞換熱的世界性技術(shù)難題，并從節(jié)構(gòu)上最優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加了加工難度，解決內(nèi)部混水、混溫的現(xiàn)象，并采用智能化控制系統(tǒng)，溫度監(jiān)