城市污水源熱泵應(yīng)用1.程亞斌2.張小溪1.陜西省輕工業(yè)研究設(shè)計(jì)院陜西7100542.武漢市民用建筑設(shè)計(jì)研究院西安分院湖北710054摘要:污水源熱泵是以城市或工業(yè)污水作為提供和儲(chǔ)存能量的冷、熱源的空調(diào)系統(tǒng)。文章介紹了污水源熱泵的工作原理、性能特點(diǎn)及應(yīng)用,且在未來具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益關(guān)鍵詞:污水源熱泵、應(yīng)用、性能自然界中存在著大量的不能為人類直接利用的低品位能源,它們廣泛的分布在空氣、土壤、地下水、地表水、生活污水、工業(yè)廢水之中。能源的緊張,讓我們開始對(duì)這些低品位能源有了更多的關(guān)注。它們中有許多都是可再生的能源,沒有污染,而且可以源源不斷的供給。城市生活污水作為人類生活必不可少的附屬品,蘊(yùn)含著巨大的能量,可以成為優(yōu)質(zhì)的低溫?zé)嵩?冬暖夏涼,在釆暖季和制冷季都能保證水溫變化不大,受氣候影響較小,同時(shí)污水的水量穩(wěn)定,是污水源熱泵的理想熱源污水源熱泵的工作原理污水源熱泵就是以城市污水為提取和儲(chǔ)存能量的冷、熱源,借助壓縮機(jī)系統(tǒng),消耗少量電能,在冬季把存于水中的低位熱能“提取”出來,為用戶供熱,夏季則把室內(nèi)的熱量“提取”出來,釋放到水中,從而降低室溫,達(dá)到制冷的效果。根據(jù)污水和熱泵中的熱交換器是否直接進(jìn)行熱交換,污水源熱泵可分為直接利用系統(tǒng)和間接利用系統(tǒng)。污水源熱泵直接利用系統(tǒng)是污水直接與熱泵的熱交換部分進(jìn)行熱交換,該系統(tǒng)多以處理水作為熱源。污水源熱泵間接利用系統(tǒng)就是污水只和熱泵前的熱交換器及清水進(jìn)行熱交換,而清水再和熱泵的熱交換部分進(jìn)行熱交換,該系統(tǒng)多以未處理水作為熱源。直接利用方式的熱能提取效率高,節(jié)能效果比增加一次換熱要好,一般直接利用方式的節(jié)能率比間接利用方式高7%左右。污水源熱泵的性能特點(diǎn)1、環(huán)保效益顯著熱泵機(jī)組的運(yùn)行沒有任何污染,沒有燃燒過程,避免了排煙、排污等污染。供冷時(shí)省了冷卻水塔,避免了冷卻水塔的噪音、霉菌污染及水耗,同時(shí)熱泵機(jī)組的運(yùn)行不受天氣和溫度變化的影響,使用污水作為熱泵水源,與地下水源相比,可以避免大量開采、回灌地下水對(duì)地下水造成的不良影響,起到保護(hù)水資源的作用2、高效污水源熱泵機(jī)組可利用的水體溫度夏季為10~20℃,水體溫度比環(huán)境空氣溫度低,所以制冷的冷凝溫度降低,使得冷卻效果好于風(fēng)冷式和冷卻塔式,機(jī)組效率提高。根據(jù)美國(guó)環(huán)保署EPA估計(jì),安裝良好的水源熱泵,平均可以為用戶節(jié)約30%~40%的供熱制冷空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用。3、節(jié)能設(shè)計(jì)良好的水源熱泵機(jī)組,與空氣源熱泵相比,可以減少30%的電力消耗。與電供暖相比,可以減少70%以上的電力消耗。所以水源熱泵在節(jié)能的同時(shí),還減少和降低了發(fā)電時(shí)一次能源消耗中產(chǎn)生的污染排放和溫室效用。機(jī)多用,節(jié)省固定投資利用一套設(shè)備既可制冷,也可供熱和提供生活熱水。對(duì)空調(diào)系統(tǒng)來說,由于提供2種熱源,可節(jié)省一次性投資,其總資額為傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的70%~80%5、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,維護(hù)方便污水水體的溫度一年四季較穩(wěn)定,其波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣溫度的變化,是很好的熱泵熱源及熱匯。水體溫度較恒定的特性,使熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠,更穩(wěn)定,其溫度特性保證了系統(tǒng)的髙效性與經(jīng)濟(jì)性,不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)問題。由于系統(tǒng)簡(jiǎn)單、機(jī)組部件小及運(yùn)行簡(jiǎn)單穩(wěn)定,相對(duì)維護(hù)費(fèi)用也低,使用壽命可長(zhǎng)達(dá)20年以上。6、應(yīng)用范圍廣泛據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)現(xiàn)每年排放城市生活污水約1050億噸左右,按溫度升高或降低5℃計(jì)算,若全部開發(fā)所貢獻(xiàn)出的熱和冷量約5250億KCa1,可供約100億m的建筑供熱和制冷?？蓮V泛應(yīng)用于賓館、辦公樓、學(xué)校商場(chǎng)、住宅小區(qū)的集中供熱制冷,以及其他商業(yè)和工業(yè)建筑空調(diào),并可用于游泳池、乳制品加工、啤酒釀造、室內(nèi)種植和恒溫養(yǎng)殖等行業(yè)。三、城市污水源熱泵應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)1、阻塞污染問題城市污水含有大量大尺度污物及小尺度懸浮固體。前者表現(xiàn)在對(duì)管路與設(shè)備的阻塞,后者表現(xiàn)在對(duì)換熱設(shè)備的污染,形成熱阻及其對(duì)流體的流動(dòng)與熱物性參數(shù)造成影響。為此而對(duì)污水進(jìn)行處理是不可行的,因?yàn)槲鬯幚淼淖畹唾M(fèi)用也要高于從污水中提取熱量或冷量的費(fèi)用。將污水取至系統(tǒng)中進(jìn)行過濾也不是好辦法,最主要的是系統(tǒng)中過濾格柵上污物的清除問題。由于城市污水水質(zhì)很差,過濾格柵上污雜物的清除量大、頻率高,必須釆用機(jī)械格柵,造價(jià)高,占地大,而且還有污雜物的處理和設(shè)備間空氣潔凈的保持問題。從城市污水干渠到過濾格柵之間的引水段管路也存在污雜物的淤積與清理問題。最好的辦法是將污雜物阻隔在污水干渠中,不讓大尺度污雜物進(jìn)入系統(tǒng),開發(fā)新的除污工藝2、流動(dòng)換熱問題對(duì)城市污水只能進(jìn)行“粗效”處理,進(jìn)人換熱系統(tǒng)時(shí),還含有大量微尺度污物,實(shí)際上是一種固液兩相,固相多組分流動(dòng),其流動(dòng)阻力與換熱特性較清水有很大差異,已表現(xiàn)出很強(qiáng)的非牛頓流特性,即流動(dòng)過程中,切應(yīng)力與速度梯度呈非線性:τ=k(du/dy)"。式中:k、n為本構(gòu)常數(shù),經(jīng)測(cè)得k=2.2×10,n=1.6因此,污水換熱器的結(jié)構(gòu)、尺寸不能簡(jiǎn)單地套用常規(guī)清水換熱器的設(shè)計(jì)方法。然而,關(guān)于非牛頓流的紊流流動(dòng)與換熱問題,由于實(shí)際應(yīng)用很少,目前的研究尚未深入,其相關(guān)的理論模式與計(jì)算方法并不成熟。為此硏究城市污水的流動(dòng)與傳熱問題,建立適合工程應(yīng)用的計(jì)算模型與方法,是城市污水源熱泵應(yīng)用要解決的另個(gè)關(guān)鍵問題四、國(guó)內(nèi)應(yīng)用技術(shù)狀況與缺陷1、應(yīng)用規(guī)模與現(xiàn)狀我國(guó)應(yīng)用最早、較為突出的是2000年北京市排水集團(tuán)在高碑店污水處理廠開發(fā)的污水源熱泵實(shí)驗(yàn)工程,空調(diào)建筑面積900m。大慶開發(fā)區(qū)富爾達(dá)公司2001年安裝了一套原生污水源熱泵系統(tǒng),空調(diào)建筑面積700m2,采用浸泡式方法,即將蒸發(fā)器或冷凝器直接浸泡在污水池中,是我國(guó)最早的城市原生污水源熱泵系統(tǒng)。繼此之后,北京市排水集團(tuán)、哈爾濱水泵二廠又分別投建了個(gè)別污水源熱泵試驗(yàn)工程。2003年建設(shè)投運(yùn)的有哈爾濱望江賓館、大慶恒茂商城。目前還有些項(xiàng)目處在建設(shè)之中2、研究?jī)?nèi)容與現(xiàn)狀吉林建筑工程學(xué)院對(duì)污水源利用的系統(tǒng)形式(包括間接利用、直接利用、隔離式)做了深入探討,但未見實(shí)踐工程。對(duì)管材問題、污水源熱泵的節(jié)能性、環(huán)保性有大量硏究。相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)污水源熱泵與其他冷熱源作了比較硏究,對(duì)污水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)、系統(tǒng)運(yùn)行中可能存在的問題及應(yīng)采取的措施也有過探討。北京工業(yè)大學(xué)以高碑店為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,論證了污水源熱泵的實(shí)用性和應(yīng)用前景,促進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)2002年開發(fā)了污水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用工藝,在大型試點(diǎn)工程中有過實(shí)踐,使得我國(guó)該項(xiàng)技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用成為可能。3、存在的技術(shù)與研究缺陷我國(guó)目前釆用的是污水換熱器浸泡式方法,即將污水換熱器直接浸泡在污水坑池中,該方法由于回避了堵塞問題相對(duì)可靠,但當(dāng)工程規(guī)模較大時(shí),浸沒式方法、隔離式均不具有可操作性,占地、投資等問題都不易解決,換熱池中的污物沉積與清理也難以解決。另外,大量研究側(cè)重于污水冷熱源的價(jià)值與前景方面,而對(duì)流動(dòng)阻塞與換熱問題的研究幾乎處于空白,技術(shù)難題并未涉足五、結(jié)語城市污水是優(yōu)良的引人注目的低溫余熱源,在整個(gè)采暖期間水溫適宜,是水/水熱泵或水/空氣熱泵的理想低溫?zé)嵩?。在寒冷的“三北?東北、華北、西北)地區(qū),發(fā)展和運(yùn)用城市污水熱泵供暖系統(tǒng)將會(huì)為解決傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)的節(jié)能和環(huán)境問題帶來益處在大城市中應(yīng)用與發(fā)展污水源熱泵是改變大城市以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的有效途徑,為可再生能源的應(yīng)用及發(fā)展拓展了新的空間,是開發(fā)可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略中的重要研究?jī)?nèi)容,因此研究和發(fā)展污水源熱泵具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意污水水質(zhì)對(duì)污水源熱泵裝置的影響是一個(gè)關(guān)鍵問題,解決好污水熱泵中換熱器表面污垢、阻塞、腐蝕等問題是污水源熱泵供暖系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵。根據(jù)我國(guó)目前熱泵工業(yè)的現(xiàn)狀,優(yōu)先發(fā)展工業(yè)企業(yè)凈化后的污水源熱泵系統(tǒng)是可行而有效的節(jié)能技術(shù)。應(yīng)注意研究城市污水處理廠的大型熱泵站,為大力發(fā)展城市集中供熱提供新的技術(shù)支持。污水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展需要政策的推動(dòng),建議制訂相應(yīng)的政策和措施,建立高水平的污水源熱泵示范工程以推動(dòng)該技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用與發(fā)展,尤其是在我國(guó)“三北”地區(qū)應(yīng)加大應(yīng)用與推廣的力度。參考文獻(xiàn):1、吳榮華,城市污水源熱泵的應(yīng)用與硏究現(xiàn)狀,哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,38(8)2、姚楊,污水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用前景,中國(guó)給水排水,2009,19(73、黃國(guó)琦,城市污水源熱泵的開發(fā)和應(yīng)用,流體機(jī)械,2010,33(6)