污水源熱泵節能分析與管路防腐

（大連海洋大學海洋與土木工程學院 遼寧 大連 116023）

王昌盛，陳禹娜，王勝利，張志鵬，張 琨（通訊作者）

1 引言

城市污水主要以工業廢水、工業冷卻水和生活污水為主，是一種非常理想的低位冷熱源，以城市污水作為暖通空調用能的冷熱源具有獨特優勢。在冬季，城市污水的溫度普遍高于空氣溫度，可用于北方的供暖，而在夏季，污水溫度又普遍低于空氣溫度，制冷效益顯著。其次，水具有很良好的傳熱特性，相對于空氣和土壤源而言，使用污水作為傳熱源顯然更行之有效。早在1987年，日本就已經開始計劃提取污水中的熱能，而到現在就已經有12個污水熱泵系統在運作，其中有四個是使用未經處理過得污水作為熱源，其余為二級出水的作為熱源。在我國，水環境治理方面，2016年鎮污水處理率已超90%，縣城污水處理率超過85%。這些污水中儲藏巨大的低位熱能，將這些污水收集和合理的使用將當務之急[1]。

2 污水源熱泵的工作原理

污熱泵系統是一種綜合利用低位能源通過使用少量的電能獲得大量的能源的節能技術。以城市污水作為冬季的冷源、夏季的熱源，通過壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器共同作用完成整個系統的運行[2]。由于冬季水的溫度相比于周圍空氣要高很多，而在夏季水的溫度要低于周圍空氣，故在消耗等量的電能，使用污水熱泵系統顯然會獲得更大量的能量。其系統原理圖如圖1所示。

圖1 污水源熱泵工作原理圖

3 熱泵運行節能分析

本次實驗以岳陽市某工程為例：

總建筑面積204530m2，地上建筑面積為135350m2，其中包括酒店、公寓、商業、辦公等。其中冬季供暖時間約為90天，運行時間為每天20小時，采暖室外計算溫度為-3℃，負荷系數設為0.6；夏季制冷時約為150天，每天運行時間為每天20小時，空調室外計算溫度為35.4℃，負荷系數設為0.6，年平均氣溫17.5℃，最高溫度為39.6℃，最低溫度為-3.4℃。本次設計同時滿足冬季供暖和夏季制冷需求，經計算最大空調冷負荷約為10212kW，最大空調熱負荷約為6125kW。表1是不同方案節能對比。

表1 不同機組能耗對比

3.1 冬季供暖能耗分析

由上表分析得，冬季污水源熱泵系統節約的能源為-1540kW，經計算需多消耗電能3.33×106kW·h(1.49×1010kJ)，全年累計多消耗電能 2.93×106kW·h(1.314×1010kJ)；消耗天然氣682m3/h，全年采暖時間累計消耗天然氣0.737×106m3。電價按照1元/度，多消耗電費166.32萬元，天然氣3元/m3，節約燃氣費234.366萬元。則冬季總計節約234.366-166.32=68.046萬元。

3.2 夏季制冷能耗分析

由表1可知，使用污水源熱泵系統可節約電功率212kW，則累計節約電能 3.81×105kW·h (1.814×109kJ)；節約水量20m3/h，共計節約水量約3.6×104t。按水價3.4元/噸計算，則節約電費約37.8萬元，節約水費12.24萬元，總計37.8+12.24=50.04萬元。

綜合上述分析，全年運行可節約68.046+50.04=118.086萬元。

4 腐蝕和堵塞問題

污水源熱泵雖然可以性能系數COP很高，有很好的應用前景，但城市污水中含有大量污雜物，系統的腐蝕和堵塞直接影響到傳熱系數和COP，因此污水源熱泵系統的腐蝕和堵塞問題對于系統的正常和高效運行至關重要[3]。

4.1 污水在最初提取的時候會出現很多的大型雜質，在管道中累計造成管路堵塞或者其他事件，進而影響整個工廠的運行。為了減少此類事件的發生，在污水提取的提取口可以安裝一個小型的過濾網，在污水收集口進行一次初過濾，將大型雜質攔截在污水口，這樣只需要定期清理污水口便可以保障系統的穩定運行。

4.2 污水管材的選取是整個污水提取中十分重要的環節，同時也是工程中花費相對較大的一部分。污水管的選取需要符合以下幾點：

（1）污水管必須要有足夠的強度，能夠承受來自外部的壓力和內部水壓的作用。

（2）污水管需要有足夠的耐腐蝕性，同時也需要能夠抵抗污水中雜質的沖刷。

（3）污水管的內表面需要足夠光滑，以減少對污水水流的阻力。

（4）出于對工程成本的考慮，管材的選取要盡可能的節約。

4.3 由于污水中的污染物具有較強的腐蝕性，易在管道中造成堵塞，故本方案采用離心式換熱器。利用水流離心力的作用，形成較大的湍流，使得相鄰污水流層間作不規則運動，進而實現熱交換的作用。該型換熱器具有初投資小、換熱效率高、占地面積小等優勢。

5 結語

污水源熱泵系統具有傳熱效率高，運行效果好，環境友好性強等有點，可對建筑物冬季供熱和夏季供冷。該系統極大程度節約了煤炭石油天然氣等化石能源的使用，減少了污染物的排放并緩解了溫室效應。

本文通過一個岳陽市的工程實例，相比常規能源系統，使用污水源熱泵系統夏季制冷期150天可節約電能400.05kWh，節約水量374.4t，冬季采暖期90天節約天然氣78.122m3。全年綜合節約能源費用118.086萬元。

通過水處理和優化換熱器材質，可明顯的預防和清除系統中的垢類，從而保證換熱效果和系統性能。

[1]尹朝輝，劉芳，王志明，張群力.污水處理廠典型節能技術分析[J].建筑科學，2016：12-16.

[2]周志平，李念平.污水源熱泵系統應用的節能減排分析[J].建筑節能，2012，40(6)：46-49.

[3]趙文秀，姬長發，李麗霞.污水源熱泵的防除污技術分析[J].制冷與空調，2008，5：31-33.