污水源热泵空调节能技术应用的研究

【摘要】为了进一步加强节能减排工作，应对全球气候变化的迫切需要，目前最理想能替代锅炉和冷却塔的就是污水源热泵空调系统，是能实现高效节能，为建筑物供暖供冷的节能系统，是一个 “搬运” 能量的过程。污水源热泵，主要是以城市污水做为提取和储存能量的冷热源，借助热泵机组系统内部制冷剂的物态循环变化，消耗少量的电能，从而达到制冷制暖效果的一种创新技术。与其他热源相比，污水源热泵的技术关键和难点在于防堵塞、防污染、与防腐蚀。

【关键词】污水源热泵；防阻机；物态循环

1.污水源热泵的工作原理

如图1所示，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。

图1 污水源热泵工作原理流程图

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。

2.污水源热泵的特点及优势

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著。

2.1 污水源热泵技术的特点

2.1.1 环保效益显著

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，环境效益显著。

2.1.2 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。能源利用效率远高于其他形式的中央空调系统。

2.1.3 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。

2.1.4 一机多用，灵活安全

真正做到“一机三用”。利用污水源热泵空调冬季向建筑物供暖，夏季向建筑物供冷，并可提供生活热水，提高了设备的利用率。机组可灵活地安置在任何地方，节约空间。系统末端亦可作多种选择。无储煤、储油罐等卫生及安全隐患。自动化程度高，无需专业人员操控。

2.1.5 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。运行效果良好，经济效益显著。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。

2.2 与其他供热材料相比，污水源热泵具备的优势

2.2.1 环保洁净：污水源热泵空调系统没有燃烧过程，避免了排放任何烟尘及有害物质，社会效益显著。运用市政原生污水源，又可避免水源热泵系统造成的地面沉降。

2.2.2 节水省电：以市政原生污水为源体，向其吸收或放出能量，既不消耗水资源，也不会对其造成污染。省去了锅炉房、冷却塔及附属的煤场、渣场所占用的宝贵面积。

2.2.3 节能经济：能源利用率为传统方式的3～4倍，投入1kW的电能可得到3～4kW以上的制冷或供热的能量。运行费用可节省1/2～1/3。

2.2.4 运行可靠机组运行情况稳定：几乎不受天气及环境温度变化影响。机组维护简单，寿命长。

2.2.5 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。

2.2.6 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，比传统中央空调节省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。

3.污水源热泵与同类产品初投资比较

污水源热泵系统有良好的经济效益，与地下水源热泵、直燃机、热网+水冷机组、燃煤+水冷机组等系统相比，该系统经济优势十分明显，如表1、2、3、4所示。

4.污水源热泵空调技术应用

技术原理：该原理为滤面自身旋转，在任意时刻都有部分滤面位于过滤的工作区，另一部分滤面位于水利反冲区。在旋转一周的时间内，每一个滤孔都有部分时间在过滤的工作区行使过滤功能，另一部分在反冲洗区被反洗，以恢复过滤功能。污水经由过滤后去换热设备无堵塞换热，换热后的污水回到污水防阻机的反冲区对过滤面实施反冲，并将反冲掉的无杂物全部带走并排回污水干渠中。

第七代防阻机

工作原理简述：用污水泵1抽吸污水干渠中的城市原生污水进入筒外供水区A，经旋转的圆筒形格栅滤网3过滤后进入桶内供水区B，此时污水中已不在含有会引起污水换热器堵塞的大粒径污杂物，利用污水泵5将桶内供水区B中的污水引至污水换热器6中，换热后污水回到桶内回水区C，在压力下经过圆筒形格栅滤网3时，对在圆筒格栅外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。

污水源智能型防阻机：

防阻塞技术：实现无堵塞连续换热是城市原生污水和江河湖海水作为热泵冷、热源的技术关键。我公司自主研发的“原生污水源热泵空调系统成套技术”成功地解决了恶劣水质对换热设备及管路堵塞与污染这个世界性技术难题，从而使大规模应用原生污水作为热泵冷热源成为现实。该技术被国家科学技术鉴定委员会鉴定为“技术水平属国际领先”。

防腐与无污染换热技术：经过除污装置（防阻机）的污水，还含有≤3mm污杂物的存在，我公司研制的原生污水源热泵智能型采集技术成功地解决了细小泥沙及污水软垢增长对换热器设备的堵塞问题。特殊的工艺设计有效地解决了污水粘度大、换热系数低的问题；根据不同水质选用不同材质提高了设备使用年限，解决了清洗维护方面的问题。

污水源热泵机组（原生污水专用满液式热泵机组）实现了污水（已经防阻处理）直接利用，提高了污水源热量的利用率。

南宁市喜相逢大酒店采用污水源热泵空调技术，污水从300米外的污水处理厂由一级污水泵提升至机房，经过智能污水防阻机过滤后，进入污水源热泵机组；被热泵机组提温（或降温）后的污水重新流过智能污水防阻机并携带污杂物回到污水干渠中。热泵机组对末端系统进行制冷（或供暖）。污水侧换器采用海军铜，解决了污水对于机组的污染和腐蚀问题，通过冷媒流向的改变，实现机组冷热模式的切换。采用“快速封头”，方便拆卸，检修。

污水专用满液式机组的污水侧换热器，其换热管材质为海军铜。该机组采用了六项专用技术，以提高机组性能。

（1）喷淋式（降膜式）蒸发器，有效的提高机组的蒸发温度；

（2）专用喷射泵在无能耗的状态下，完成系统的连续回油，安全可靠；

（3）专项设计的高效能冷凝器，可降低机组的冷凝温度；

（4）二级压缩机技术的使用（运用在高温型水源热泵中）；

（5）独特的油分离器及闪变式节能器的合理配置；

（6）低压增压技术的运用--独家首创。

其中，喷淋式蒸发器+高效能换热管+低压增压技术=提高蒸发温度；

二级压缩技术+提高蒸发温度=提高制冷量（Qc）；

独特的冷凝器设计+高效能换热管=降低冷凝温度；

降低冷凝温度+专用压缩机容积比的选用=降低压缩机耗功（N）。

项目投入运行后，其供热、制冷效果与普通中央空调系统相同，并可为酒店内的游泳池提供恒温水，每年可减少燃煤955.5吨，比以往利用城市热网供热节省能源48％左右。

据悉，南宁市将以此项目的实施为契机，加大宣传推广力度，将“污水空调”在全市推开。目前，南宁市区日处理污水量超过10万立方米，预计全部采用污水热源泵技术，可以满足约500万平方米建筑物（住宅）的供热，不仅可以节省大量宝贵的煤炭资源，而且能减少约3580吨二氧化硫的排放。

5.污水源热泵技术的发展

1）国外研究应用进展：

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。

2）国内研究应用进展：

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900平方，这是我国最早的城市污水源热泵系统。

6.小结

城市污水热能利用是指把赋存在经处理后的污水或未经处理的污水中的热量回收并进行有效利用的一项技术，在全球面临着能源危机和环境污染日益严重的形势下，城市污水中所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。城市污水热能利用具有明显的节能性、经济性和环保效果以及广阔的发展前景。因此，有效利用城市污水热能十分必要，并且具有战略意义。由此可见原生污水源热泵技术在节能的国家政策支持和社会发展的需求上，应用将越来越广阔。

参考文献

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[4]李晨,李建兴,何舢.天津咸阳路再生水厂污水源热泵技术的工程应用[J].机电信息,2009(27):53-56.

作者简介：陈国庆（1964—），男，广东兴宁人，大学本科，工学学士，广西电力职业技术学院电子与信息工程系副主任，讲师，高级技师，主要研究方向：电气自动化技术。

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