淺談污水源熱泵在城市供熱中的應(yīng)用

隨著國家節(jié)能減排政策的出臺，新型能源的研發(fā)和能源的再生利用越來越被人們所重視。城市生活污水和工業(yè)廢水以其流量穩(wěn)定排放的同時也浪費了很多熱能。利用污水的熱量供熱也越來越多被人們所利用。但污水的溫度低，溫差小，水質(zhì)差的特點無形中損耗了電能及增加了一次投資的成本。對于供熱企業(yè)，這種直觀上的能源節(jié)約與運行和投資成本的比較也是決定污水源熱泵在供熱行業(yè)發(fā)展前景的重要依據(jù)。

　　1、國外研究進(jìn)展

　　1.1國外研究應(yīng)用進(jìn)展

　　對城市污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究，日本、挪威、瑞典及一些其它北歐等供熱發(fā)達(dá)國家比較活躍。最早起源于楊圖夫斯基（前蘇聯(lián)）等人對河水、污水、海水的利用探討，1978年，楊圖夫斯基等人對熱泵站供熱與熱化電站、區(qū)域鍋爐房集中供熱進(jìn)行比較，得出熱泵站供熱可節(jié)省燃料20%-30%，并提出利用莫斯科河水作水源熱泵站區(qū)域供熱方案。1981年6月，瑞典在塞勒研究開發(fā)了第一個凈化污水源熱泵系統(tǒng)。自此發(fā)達(dá)國家紛紛投入大量的財力和人力進(jìn)行此項研究，并取得了一定的發(fā)展。

　　1.2國內(nèi)研究應(yīng)用進(jìn)展

　　國內(nèi)應(yīng)用較早、較為突出的是北京高碑店污水處理廠的二級出水。2000年，北京市排水集團(tuán)在高碑店污水處理廠開發(fā)了污水源熱泵實驗工程，空調(diào)建筑面積900m2，這是我國最早的城市污水源熱泵系統(tǒng)。

　　2、工作原理

　　污水源熱泵的主要工作原理是借助污水源熱泵壓縮機(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。其能量流動是利用熱泵機(jī)組所消耗能量（電能）吸取的全部熱能（即電能+吸收的熱能）一起排輸至高溫?zé)嵩?，而起所消耗能量作用的是使介質(zhì)壓縮至高溫高壓狀態(tài)，從而達(dá)到吸收低溫?zé)嵩粗袩崮艿淖饔?。污水源熱泵系統(tǒng)由通過水源水管路和冷熱水管路的水源系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、末端系統(tǒng)等部分相連接組成。根據(jù)原生污水是否直接進(jìn)熱泵機(jī)組蒸發(fā)器或者冷凝器可以將該系統(tǒng)分為直接利用和間接利用兩種方式。直接利用方式是指將污水中的熱量通過熱泵回收后輸送到采暖空調(diào)建筑物；間接利用方式是指污水先通過熱交換器進(jìn)行熱交換后，再把污水中的熱量通過熱泵進(jìn)行回收輸送到采暖空調(diào)建筑物。

　　3、污水源的評估

　　如果想在某個區(qū)域內(nèi)利用污水源熱泵供暖，那么首先要對這個污水源進(jìn)行調(diào)查研究。污水的水量。水質(zhì)情況及冬季污水溫度是主要的調(diào)查對象。根據(jù)調(diào)查了解，污水源熱泵廠家的污水日處理量為1.3萬t/天，其中生活污水占總處理量的90%，其余10%為工業(yè)廢水處理。冬季處理后的污水溫度在16℃左右，排放溫度在12-13℃左右。污水經(jīng)過兩級處理（一級處理為沉淀法，二級處理為活性污泥法），處理后的水質(zhì)情況見下表：

　　計算得：當(dāng)滿足上述條件時，供熱負(fù)荷為3149.42KW。供熱區(qū)域內(nèi)平均熱指標(biāo)按50W/計算。供熱面積約為6.3萬。以上的計算只考慮了污水降溫排放所釋放的熱量，而未計算熱泵耗電蒸發(fā)轉(zhuǎn)化熱能的數(shù)值，所以實際的供熱面積應(yīng)比現(xiàn)計算得數(shù)值高。具體詳細(xì)的計算應(yīng)待更深入的探討研究后方能給出。

　　4、供熱系統(tǒng)的設(shè)計、運行和維護(hù)

　　在確定污水源的換熱能力以后，我們應(yīng)該就污水源所處的地理位置，周圍的居民情況，工業(yè)廠房的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計，確定經(jīng)濟(jì)有效的供暖半徑，選擇合理的供暖區(qū)域。供暖半徑不易過長，以減少能量損失。供暖區(qū)域確定后，應(yīng)根據(jù)供暖區(qū)域內(nèi)采暖熱用戶對供熱的需求及該地區(qū)冬季室外溫度選擇是否需要設(shè)置備用熱源，以防止意外事故的發(fā)生。例如某地區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū)，且在污水源熱泵供熱區(qū)域內(nèi)存在學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院等需要保證供暖質(zhì)量的特殊場所。應(yīng)設(shè)置備用熱源，以滿足供暖要求。

　　污水源熱泵機(jī)組、除污器及相關(guān)管件的選擇也應(yīng)該充分考慮當(dāng)?shù)匚鬯吹乃|(zhì)情況，選擇合理的設(shè)備。為保護(hù)機(jī)組的冷凝器和蒸發(fā)器，污水不能直接進(jìn)入機(jī)組，必須經(jīng)過中間換熱。冬季污水溫度較低，為盡量提高熱泵機(jī)組的制熱效率，要求換熱器具有小溫差、高傳熱系數(shù)等特性。根據(jù)換熱介質(zhì)為污水這一特點，選擇寬流道型換熱器。不易堵塞、便于清洗，能夠適應(yīng)污水的特殊要求。換熱器使用一段時間后，內(nèi)壁上會附著污泥，如不及時清理會嚴(yán)重影響換熱器效率和水流量，嚴(yán)重時甚至?xí)箵Q熱器堵死，10-20天必須定期清洗，如果拆卸清洗換熱器工作量較大，因此我們應(yīng)對換熱器設(shè)置反沖洗系統(tǒng)，利用潔凈的水源高速反沖換熱器（5-10分鐘），操作時僅需要簡單開關(guān)一些閥門就可以實現(xiàn)快速沖洗，可縮短板式換熱器清洗周期，使板式換熱器在通暢高效的狀態(tài)下運行。

　　5、結(jié)論

　　污水源熱泵原理是利用污水處理廠出水量大，水質(zhì)穩(wěn)定，常年溫度在13-25℃等特點，以污水作為熱源進(jìn)行制熱循環(huán)的一種供熱形式。污水源熱泵的技術(shù)狀況和經(jīng)濟(jì)性與污水熱能的特點密切相關(guān)。對熱泵系統(tǒng)來說，理想的污水熱能應(yīng)具有以下特點：在供熱季有較高且穩(wěn)定的溫度，可大量獲得，不具有腐蝕性或污染性，有理想的熱力學(xué)特性。在大多數(shù)情況下，污水熱能的性質(zhì)是決定其使用的關(guān)鍵。

　　污水源熱泵采用污水作為水源熱泵的熱能，它具有以下特點：產(chǎn)生量大，幾乎全年保持恒定的流量；冬季高于室外溫度，而且在整個供暖季，水溫波動不大；含有大量的熱能，據(jù)估計，城市社區(qū)產(chǎn)生的廢熱40%含在污水中。因此，污水與熱泵一起使用為區(qū)域供熱提供一種理想的熱源。污水源熱泵系統(tǒng)其供暖系統(tǒng)原理和普通水源熱泵相同，主要由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流機(jī)。構(gòu)成一個最簡單的蒸汽壓縮式熱泵裝置作為供熱系統(tǒng)的熱源。它通過蒸發(fā)器從污水中吸取熱量Qe，在冷凝器中放出熱量Qc（Qc=Qe+W）供給供熱系統(tǒng)。這種供熱系統(tǒng)只要消耗少量的電能W，便可得到滿足房間供熱所需要的熱量Qc。

　　以上只是簡單的闡述了污水源熱泵的工作原理及供熱特點。如果要開展污水源熱泵工程，應(yīng)組成設(shè)計小組，綜合分析污水源情況，工程投資成本，節(jié)能情況，與傳統(tǒng)的燃煤供暖形式比較，選擇適合當(dāng)?shù)氐墓┡问?。希望污水源熱泵在今后的城市供熱中能夠大放光彩?/p>