1、污水源熱泵的發(fā)展
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)嵩矗鹚哪芰孔饔玫氖鞘菇橘|(zhì)壓縮至高溫高壓狀態(tài)，從而達(dá)到吸收低溫?zé)嵩粗袩崮艿淖饔谩?/span>
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、污水源熱泵技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢
我國北方地區(qū)，冬季采暖主要是依靠煤、石油、天然氣等石化燃料的燃燒來獲得。采暖與環(huán)保成為一對難以解決的矛盾。城市污水是北方寒冷地區(qū)不可多得的熱泵冷熱源。它的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，這種溫度特性使得污水源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高，節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用效果顯著。
3.1 污水源熱泵技術(shù)特點(diǎn)
（1）環(huán)保效益顯著
原生污水源熱泵是利用了城市廢熱作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)，污水經(jīng)過換熱設(shè)備后留下冷量或熱量返回污水干渠，污水與其他設(shè)備或系統(tǒng)不接觸，污水密閉循環(huán)，不污染環(huán)境與其他設(shè)備或水系統(tǒng)。供熱時省去了燃煤、燃?xì)狻⑷挥偷儒仩t房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，避免了排煙污染；供冷時省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音及霉菌污染。不產(chǎn)生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵，環(huán)境效益顯著。
（2）高效節(jié)能
冬季，污水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。而夏季水體溫度比環(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。供暖制冷所投入的電能在1KW時可得到5KW左右的熱能或冷能。
（3）運(yùn)行穩(wěn)定可靠
水體的溫度一年四季相對穩(wěn)定，其波動的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，水體溫度較恒定的特性，使得污水源熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)問題。
（4）一機(jī)多用，可應(yīng)用范圍廣
污水源熱泵可供暖、制冷，供熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。城市污水熱泵空調(diào)系統(tǒng)利用城市污水，冬季取熱供暖，夏季排熱制冷，全年取熱供應(yīng)生活熱水，夏季空調(diào)季節(jié)可實(shí)施部分免費(fèi)生活熱水供應(yīng)。一套系統(tǒng)冬夏兩用，實(shí)現(xiàn)三聯(lián)供。
（5）投資運(yùn)行費(fèi)用低
城市污水源熱泵具有初投資低，運(yùn)行費(fèi)低的巨大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。表1，2為污水源熱泵與同類產(chǎn)品的投資與運(yùn)行費(fèi)用比較。運(yùn)行效果良好，經(jīng)濟(jì)效益顯著。污水熱泵系統(tǒng)的機(jī)房面積僅為其他系統(tǒng)的50%。系統(tǒng)根據(jù)室外溫度及室內(nèi)溫度要求自動調(diào)節(jié)，可做到無人看管，同時也可做到聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。污水源熱泵系統(tǒng)原理簡單，設(shè)備的可靠性強(qiáng)，維護(hù)量小，平時無設(shè)備的維護(hù)問題。
3.2 污水源熱泵優(yōu)勢
與燃煤、燃?xì)狻⑷挥偷儒仩t房系統(tǒng)相比，我國年污水排放量達(dá)464億m3，可節(jié)省用煤量0.33億噸，以全國年總能耗30億噸標(biāo)煤計(jì)算，達(dá)到了1.1%，若按暖通空調(diào)的一次能源消耗量10億噸標(biāo)煤計(jì)算，達(dá)3.3%。同時每年可減少排放量達(dá)72萬噸。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，15萬平方米供冷、供熱、以及供生活熱水，年可節(jié)約標(biāo)煤1萬噸，減排二氧化硫300噸、煙量2200萬立方米、顆粒物6400噸，年少排爐渣2800噸、廢水600噸。
另外，污水源熱泵系統(tǒng)將污水熱能連同熱泵機(jī)組本身產(chǎn)生熱能一并轉(zhuǎn)移到室內(nèi),能效比高達(dá)4.5~6.0,能源利用率是電采暖的3~4倍, 污水源熱泵與空氣源熱泵相比,夏季冷凝溫度低,冬季蒸發(fā)溫度高, 能效比和性能系數(shù)大大提高,而運(yùn)行工況穩(wěn)定,比傳統(tǒng)中央空調(diào)節(jié)30?~40?的運(yùn)行費(fèi)用，且污水源熱泵技術(shù)系統(tǒng)無需設(shè)冷卻塔,利用的是城市原生污水，節(jié)約了大量水資源的同時又開發(fā)創(chuàng)造出新的清潔型新能源。
設(shè)計(jì)和開發(fā)污水源熱泵系統(tǒng)時，需要考慮以下幾方面：
①從城鎮(zhèn)污水管道中提取水源需要考慮水溫和水量的波動性。
②污水經(jīng)熱泵系統(tǒng)后，溫度會降低，需確保污水換熱后污水廠的處理設(shè)施仍能正常運(yùn)行。
③污水屬于非牛頓冪方流體，流變指數(shù)為0.92，污水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不能直接套用清水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和方法。
④控制由污水中各類污染物所引起的堵塞和結(jié)垢等問題。
以原生污水作為熱源時容易導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞、結(jié)垢和腐蝕，需要研發(fā)出高效低成本的防污防堵防腐蝕技術(shù)，很多學(xué)者就此開展了設(shè)計(jì)應(yīng)用的探索。基于污水流動阻力和熱交換特性，研究者利用SCILAB（開放源代碼）平臺和TCL/TK軟件，結(jié)合多年的研究和工程實(shí)踐，提出了污水側(cè)熱交換器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)和主要參數(shù)。
根據(jù)雙相流理論、制冷系統(tǒng)的動力學(xué)原理、污水側(cè)的同向流、逆流、垂直交錯流、斜交錯流的流動模式，開發(fā)了具有自動除污功能的干式管殼污水換熱器。傳統(tǒng)污水熱泵系統(tǒng)由于污水量難以滿足建筑供暖高峰的需求，相關(guān)研究者還設(shè)計(jì)了新型冷凝潛熱交換器系統(tǒng)，將污水的冷凝潛熱作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩矗軌虬踩B續(xù)吸熱，去除污水軟垢，強(qiáng)化熱傳遞，該系統(tǒng)具有較大的可行性和應(yīng)用潛力。
實(shí)際工程應(yīng)用時污水管渠和建筑物之間應(yīng)有一定的距離，套管輸送換熱（TDHT）系統(tǒng)直接以輸送管路作為換熱器，采用套管型的換熱部件，污水走管徑大而防堵的內(nèi)管，載熱介質(zhì)走環(huán)形空間，在污水輸送過程中完成換熱。研究表明，中介水子系統(tǒng)是套管換熱系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，對于一般工程，中介水和污水的經(jīng)濟(jì)流量比（Cr）、流速比（Ur）分別為（0.3～0.4）和（0.54～0.85）；對于較大工程，Ur可取較小值而對應(yīng)的Cr可取較大值，此時中介水揚(yáng)程與污水泵揚(yáng)程之比為0.7～1.6;采用ε－NTU法計(jì)算雙程套管系統(tǒng)順、逆流的換熱效率，發(fā)現(xiàn)城市污水TDHT系統(tǒng)采用順流方式最佳。
通過優(yōu)化分析，雙程TDHT的換熱損失系數(shù)β為0.05～0.25，合理的最小距離負(fù)荷比DLＲ值為8.8m/kW0.5左右。為提高雙級泵式污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)節(jié)的合理性，張承虎等建立了污水子系統(tǒng)的旁路串聯(lián)水泵模型，管路阻抗、水泵性能對系統(tǒng)實(shí)際用水量和流量系數(shù)的影響結(jié)果表明，小阻抗旁路串聯(lián)水泵系統(tǒng)具有環(huán)路獨(dú)立性，可以采用簡單的分級調(diào)試方法來監(jiān)控運(yùn)行；增加旁路漏水阻抗有利于優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流量系數(shù)，選擇特性曲線較平緩的水泵有利于提高系統(tǒng)的綜合性能。
在全球面臨能源危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的形勢下，城市污水中賦存的熱能已被公認(rèn)為是尚未有效開發(fā)和利用的清潔能源 污水源熱泵技術(shù)的日趨成熟和快速發(fā)展為在實(shí)際工程中推廣和應(yīng)用城市污水熱能有效利用系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)保證，具有節(jié)能、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)勢 污水源熱泵技術(shù)將城市污水資源化，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)了能源的可持續(xù)發(fā)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(cái)力和人力進(jìn)行此項(xiàng)研究，并取得了一定的發(fā)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(shí)驗(yàn)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)，?近年來，在青島、大連等地均有污水源熱泵系統(tǒng)。
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)嵩矗鹚哪芰孔饔玫氖鞘菇橘|(zhì)壓縮至高溫高壓狀態(tài)，從而達(dá)到吸收低溫?zé)嵩粗袩崮艿淖饔谩?/span>
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、污水源熱泵技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢
我國北方地區(qū)，冬季采暖主要是依靠煤、石油、天然氣等石化燃料的燃燒來獲得。采暖與環(huán)保成為一對難以解決的矛盾。城市污水是北方寒冷地區(qū)不可多得的熱泵冷熱源。它的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，這種溫度特性使得污水源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高，節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用效果顯著。
3.1 污水源熱泵技術(shù)特點(diǎn)
（1）環(huán)保效益顯著
原生污水源熱泵是利用了城市廢熱作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)，污水經(jīng)過換熱設(shè)備后留下冷量或熱量返回污水干渠，污水與其他設(shè)備或系統(tǒng)不接觸，污水密閉循環(huán)，不污染環(huán)境與其他設(shè)備或水系統(tǒng)。供熱時省去了燃煤、燃?xì)狻⑷挥偷儒仩t房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，避免了排煙污染；供冷時省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音及霉菌污染。不產(chǎn)生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵，環(huán)境效益顯著。
（2）高效節(jié)能
冬季，污水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。而夏季水體溫度比環(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。供暖制冷所投入的電能在1KW時可得到5KW左右的熱能或冷能。
（3）運(yùn)行穩(wěn)定可靠
水體的溫度一年四季相對穩(wěn)定，其波動的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，水體溫度較恒定的特性，使得污水源熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)問題。
（4）一機(jī)多用，可應(yīng)用范圍廣
污水源熱泵可供暖、制冷，供熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。城市污水熱泵空調(diào)系統(tǒng)利用城市污水，冬季取熱供暖，夏季排熱制冷，全年取熱供應(yīng)生活熱水，夏季空調(diào)季節(jié)可實(shí)施部分免費(fèi)生活熱水供應(yīng)。一套系統(tǒng)冬夏兩用，實(shí)現(xiàn)三聯(lián)供。
（5）投資運(yùn)行費(fèi)用低
城市污水源熱泵具有初投資低，運(yùn)行費(fèi)低的巨大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。表1，2為污水源熱泵與同類產(chǎn)品的投資與運(yùn)行費(fèi)用比較。運(yùn)行效果良好，經(jīng)濟(jì)效益顯著。污水熱泵系統(tǒng)的機(jī)房面積僅為其他系統(tǒng)的50%。系統(tǒng)根據(jù)室外溫度及室內(nèi)溫度要求自動調(diào)節(jié)，可做到無人看管，同時也可做到聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。污水源熱泵系統(tǒng)原理簡單，設(shè)備的可靠性強(qiáng)，維護(hù)量小，平時無設(shè)備的維護(hù)問題。
3.2 污水源熱泵優(yōu)勢
與燃煤、燃?xì)狻⑷挥偷儒仩t房系統(tǒng)相比，我國年污水排放量達(dá)464億m3，可節(jié)省用煤量0.33億噸，以全國年總能耗30億噸標(biāo)煤計(jì)算，達(dá)到了1.1%，若按暖通空調(diào)的一次能源消耗量10億噸標(biāo)煤計(jì)算，達(dá)3.3%。同時每年可減少排放量達(dá)72萬噸。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，15萬平方米供冷、供熱、以及供生活熱水，年可節(jié)約標(biāo)煤1萬噸，減排二氧化硫300噸、煙量2200萬立方米、顆粒物6400噸，年少排爐渣2800噸、廢水600噸。
另外，污水源熱泵系統(tǒng)將污水熱能連同熱泵機(jī)組本身產(chǎn)生熱能一并轉(zhuǎn)移到室內(nèi),能效比高達(dá)4.5~6.0,能源利用率是電采暖的3~4倍, 污水源熱泵與空氣源熱泵相比,夏季冷凝溫度低,冬季蒸發(fā)溫度高, 能效比和性能系數(shù)大大提高,而運(yùn)行工況穩(wěn)定,比傳統(tǒng)中央空調(diào)節(jié)30?~40?的運(yùn)行費(fèi)用，且污水源熱泵技術(shù)系統(tǒng)無需設(shè)冷卻塔,利用的是城市原生污水，節(jié)約了大量水資源的同時又開發(fā)創(chuàng)造出新的清潔型新能源。
設(shè)計(jì)和開發(fā)污水源熱泵系統(tǒng)時，需要考慮以下幾方面：
①從城鎮(zhèn)污水管道中提取水源需要考慮水溫和水量的波動性。
②污水經(jīng)熱泵系統(tǒng)后，溫度會降低，需確保污水換熱后污水廠的處理設(shè)施仍能正常運(yùn)行。
③污水屬于非牛頓冪方流體，流變指數(shù)為0.92，污水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不能直接套用清水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和方法。
④控制由污水中各類污染物所引起的堵塞和結(jié)垢等問題。
以原生污水作為熱源時容易導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞、結(jié)垢和腐蝕，需要研發(fā)出高效低成本的防污防堵防腐蝕技術(shù)，很多學(xué)者就此開展了設(shè)計(jì)應(yīng)用的探索。基于污水流動阻力和熱交換特性，研究者利用SCILAB（開放源代碼）平臺和TCL/TK軟件，結(jié)合多年的研究和工程實(shí)踐，提出了污水側(cè)熱交換器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)和主要參數(shù)。
根據(jù)雙相流理論、制冷系統(tǒng)的動力學(xué)原理、污水側(cè)的同向流、逆流、垂直交錯流、斜交錯流的流動模式，開發(fā)了具有自動除污功能的干式管殼污水換熱器。傳統(tǒng)污水熱泵系統(tǒng)由于污水量難以滿足建筑供暖高峰的需求，相關(guān)研究者還設(shè)計(jì)了新型冷凝潛熱交換器系統(tǒng)，將污水的冷凝潛熱作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩矗軌虬踩B續(xù)吸熱，去除污水軟垢，強(qiáng)化熱傳遞，該系統(tǒng)具有較大的可行性和應(yīng)用潛力。
實(shí)際工程應(yīng)用時污水管渠和建筑物之間應(yīng)有一定的距離，套管輸送換熱（TDHT）系統(tǒng)直接以輸送管路作為換熱器，采用套管型的換熱部件，污水走管徑大而防堵的內(nèi)管，載熱介質(zhì)走環(huán)形空間，在污水輸送過程中完成換熱。研究表明，中介水子系統(tǒng)是套管換熱系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，對于一般工程，中介水和污水的經(jīng)濟(jì)流量比（Cr）、流速比（Ur）分別為（0.3～0.4）和（0.54～0.85）；對于較大工程，Ur可取較小值而對應(yīng)的Cr可取較大值，此時中介水揚(yáng)程與污水泵揚(yáng)程之比為0.7～1.6;采用ε－NTU法計(jì)算雙程套管系統(tǒng)順、逆流的換熱效率，發(fā)現(xiàn)城市污水TDHT系統(tǒng)采用順流方式最佳。
通過優(yōu)化分析，雙程TDHT的換熱損失系數(shù)β為0.05～0.25，合理的最小距離負(fù)荷比DLＲ值為8.8m/kW0.5左右。為提高雙級泵式污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)節(jié)的合理性，張承虎等建立了污水子系統(tǒng)的旁路串聯(lián)水泵模型，管路阻抗、水泵性能對系統(tǒng)實(shí)際用水量和流量系數(shù)的影響結(jié)果表明，小阻抗旁路串聯(lián)水泵系統(tǒng)具有環(huán)路獨(dú)立性，可以采用簡單的分級調(diào)試方法來監(jiān)控運(yùn)行；增加旁路漏水阻抗有利于優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流量系數(shù)，選擇特性曲線較平緩的水泵有利于提高系統(tǒng)的綜合性能。
在全球面臨能源危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的形勢下，城市污水中賦存的熱能已被公認(rèn)為是尚未有效開發(fā)和利用的清潔能源 污水源熱泵技術(shù)的日趨成熟和快速發(fā)展為在實(shí)際工程中推廣和應(yīng)用城市污水熱能有效利用系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)保證，具有節(jié)能、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)勢 污水源熱泵技術(shù)將城市污水資源化，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)了能源的可持續(xù)發(fā)展。
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