污水源熱泵應用現狀與性能分析研究

賈少剛 魏翠琴 蕢秀惠

（湖州職業技術學院 浙江湖州 313000）

污水源熱泵應用現狀與性能分析研究

賈少剛 魏翠琴 蕢秀惠

（湖州職業技術學院 浙江湖州 313000）

熱泵冷熱源采用城市污水可提高熱泵性能，且節能減排效果顯著。介紹了污水源熱泵的分類，總結了國內應用研究現狀，概括了優缺點，分析了性能影響因素與節能減排效果。解決污水側換熱器的堵塞、結垢與腐蝕問題會極大促進該技術的大規模應用。

熱泵；城市污水；性能；節能減排；換熱器

城市污水是一種余熱型低品位清潔能源，可作為熱泵冷熱源為建筑物供暖或制冷，其利用可減少環境污染和石化燃料的消耗[1]。污水源熱泵冬季供暖時吸收污水中的熱能，夏季制冷時把室內熱量轉移到低溫污水中。

1 污水源熱泵的種類

污水源熱泵按不同的標準分類有多種，主要有以下幾種分類[1]：

（1）按污水是否經過處理可分為原生式和中水/二級出水式；（2）按污水和熱泵的換熱方式，可分為直接式和間接式；（3）按污水側換熱器形式的不同，可分為浸泡式、淋激式、殼管式三類；（4）按熱泵的工作原理，可分為蒸汽壓縮式和吸收式等。

直接式污水源熱泵是指污水直接與熱泵的蒸發器或冷凝器換熱，如圖1所示。間接式污水源熱泵是指污水先和中介水換熱，再由中介水與熱泵的蒸發器或冷凝器換熱，如圖2所示。直接式可就近利用城市污水，并能就近供給用戶冷熱量，可顯著增加區域供熱供冷范圍；間接式增加了中間換熱器，中介水水質好，對熱泵機組設備影響較小。

圖1 直接式污水源熱泵系統示意圖

圖2 間接式污水源熱泵系統示意圖

2 污水源熱泵的國內研究應用現狀

近年來國內科研院所對污水源熱泵的研究工作蓬勃開展，并取得較好的成果。吳榮華等[2-4]測試分析了污水污垢對換熱器設計和污染變化過程的影響，得到了原生污水流動具有非牛頓流體特性，不適用常規的換熱準則的結論，并開發了防阻塞換熱的實用技術。姚楊等[5～6]針對哈爾濱某藥廠提出了污水側采用淋激式換熱器的結構設計，并就換熱器中污垢熱阻的變化對熱泵性能的影響進行仿真分析。哈工大孫德興教授[7]發明了多項專利，如城市污水冷熱源的應用方法與裝置、設置有旋轉反沖洗格柵濾網的城市污水冷熱源的應用裝置等，有力促進了污水源熱泵的開發和利用。畢海洋[8]開發了旋轉板式/旋轉筒式自動除污取水裝置，提出了流化除垢與強化換熱的方法，提高了污水換熱效率。我國城市污水源熱泵的應用發展迅速，表1所示為工程實踐應用。

3 污水源熱泵優缺點分析

污水源熱泵使城市污水資源化，具有顯著的經濟性、節能性和環保性，對于建筑供暖的可持續發展具有重要意義，相較其它熱源熱泵，其優勢較為顯著[10]：（1）與空氣源熱泵相比，其COP可達4.0～6.0，高出40%，節能效果更顯著，且避免了空氣源熱泵冬季結霜與除霜的問題；（2）與土壤源熱泵相比，無需埋地敷設管子，節省大量施工和材料費用；（3）與地下水源熱泵相比，不受地下水區域和水量限制，無需打井費用和考慮回灌問題。

污水源熱泵存在的缺點[10]，嚴重制約了其應用發展：（1）使用區域限制，只能在城市周邊使用，受污水處理廠地點限制；（2）污水流量要穩定，否則會嚴重影響熱泵COP（31）污水中含有大量懸浮物、膠體、超膠體和溶解性物質，不經處理會導致換熱器阻塞與結垢，嚴重影響換熱性能；（4）污水源熱泵需要建立泵房、敷設污水導入管等導致初投資較高。

表1 國內城市污水源熱泵應用實例[9]

4 污水源熱泵的性能影響因素與節能減排分析

4.1 污水源熱泵的性能影響因素

（1）熱泵系統形式：間接式比直接式增加了換熱器和中介水循環水泵，傳熱環節增多且耗電量增加；（2）污水品質：二級出水和中水的水質比原生污水好，換熱效果更好，熱泵可長期穩定運行，減少設備的清洗次數；（3）熱泵質量：如表2所示，大品牌熱泵的額定和測試COP都比較高，因此選擇高質量的生產廠家是基礎。

表2 污水源熱泵供熱工況下的額定和實測COP[11]

4.2 污水源熱泵的節能減排分析

節能分析——污水源熱泵的高COP使其能源利用率是電采暖的3倍～4倍；夏季制冷時比傳統中央空調節省30%～40%的運行費用[12]；在冬季供暖時相比燃煤鍋爐節省煤量48.79%，比燃油鍋爐節省煤量37.45%，比燃氣鍋爐節省煤量34.55%[13]。

減排分析——與空氣源熱泵相比，利用污水熱能可顯著減輕大氣污染：長沙市利用60%的城市污水的減排效果如表3所示。