原生污水源热泵技术在生活小区应用

城市污水除具有“水”的特性和用途外，还储存有大量的低位能量。据测算，北方冬季城市污水的水温在12～20℃，夏季城市污水的水温在20～25℃之间。1立方米城市污水中可以利用的热量为33600kJ，1kg标准煤低位发热量为21000kJ，换算一下，每利用1立方米原生污水中的热量相当于少燃烧1.6kg标准煤，少排放3.616kgCO2气体。由此可见，将城市污水中的能量提取出来加以应用，对于扩大城市污水利用范围，拓展城市污水治理效益，促进水资源节约和节能减排，都有着深远意义。而污水源热泵技术则为实现这一目的提供了一条有效途径。

1、污水源热泵工作原理及特点

1.1污水源热泵的工作原理

污水源热泵的主要工作原理是借助污水源热泵压缩机系统，消耗少量电能，在冬季把存于水中的低位热能“提取”出来，为用户供热，夏季则把室内的热量“提取”出来，释放到水中，从而降低室温，达到制冷的效果。其能量流动是利用热泵机组所消耗能量（电能）吸取的全部热能（即电能+吸收的热能）一起排输至高温热源，而起所消耗能量作用的是使介质压缩至高温高压状态，从而达到吸收低温热源中热能的作用。

1.2污水源热泵的应用优势

1.2.1环保效果较好。污水源热泵是利用城市废热作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统，污水经过换热设备后留下冷量或热量返回污水干渠，污水与其他设备或系统不接触，污水密闭循环，不污染环境与其他设备或水系统。供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排烟污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音及霉菌污染。不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，环境效益显著。

1.2.2节能效果显著。冬季，污水温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度和能效比也都比较高。而夏季水体温度比环境空气温度低，制冷的冷凝温度降低，冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。供暖制冷所投入的电能在1KW时可得到5KW左右的热能或冷能，能源利用效率远高于其他形式的空调系统。

1.2.3运行稳定可靠。水体温度较恒定的特性，使得污水源热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。

1.2.4应用范围广。污水源热泵可供暖、制冷，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。城市污水热泵空调系统利用城市污水，冬季取热供暖，夏季排热制冷，全年取热供应生活热水，夏季空调季节可实施部分免费生活热水供应。一套系统冬夏两用，实现三联供。

2、对某小区污水源热泵项目的可行性分析

某生活小区总建筑面积98000 m2（其中公共建筑12000 m2，住宅：86000 m2），为新建建筑。该小区冬季采暖设计负荷为50w/m2，总采暖负荷为4900kW。根据运行条件、设备性能、运行环境等相关情况，对污水源热泵技术在该小区的应用进行预测分析。

2.1负荷条件

1、冷、热负荷条件表

2、室外计算温度

3、在满足正常采暖要求下集中供热锅炉与污水源热泵的耗能比：

2.2设计方案

充分考虑该小区对采暖、空调的要求，以及当地的气候条件，小区入住率等因素，确定技术方案的原则为：系统中供暖外网设计满足小区全部入住后对冷、热负荷的需求；平衡初投资，机房内设备分期投入，投入比例根据小区的入住率进行调整；系统控制以自动控制为主。

下图为冬季采暖运行简图：

图1 污水热能采集系统

图2 污水热能提升系统（热泵机组）

说明：

1、原生污水源热泵采暖空调系统由污水热能采集系统（如图1所示）、污水热能提升系统（如图2所示）、热能释放系统（可以采用地板辐射采暖、风机盘管空调系统等，与常规设计方法相同）；

2、污水热能采集系统由全自动取水除污机和污水专用换热器及相应的污水循环泵组成（如图1所示），其中全自动取水除污机和污水专用换热器是组成系统的关键设备。

a.全自动取水除污机

全自动取水除污机是专门用于原生污水源热泵空调系统中的过滤除污设备。原生污水作为热泵空调系统的冷热源，首先需要解决污水中的物理杂质对换热设备的堵塞问题。以本工程为例, 原生污水中物理杂质浓度在0.8~0.5%之间，传统的做法是建设沉砂池、过滤池定期的进行清理。传统做法，一方面需要增加系统占地面积；另一方面对环境造成二次污染。

全自动取水除污机不需要建造污水过滤池、沉砂池，不需要污杂物的二次搬运，不会造成环境的二次污染，可集中设置在空调机房内。设备的基本原理是滤面的过滤和再生连续进行，通过装置的内部水路切换，使用利用过的污水反冲洗过滤滤面，满足过滤除污的要求；采用内置刮刀解决纤维状污杂物挂壁问题。

b.污水专用换热器

污水换热器是专门用于原生污水源热泵空调系统中的热能采集设备。针对污水流动黏度较大，油性物质较多，污泥软垢容易挂壁的问题进行设计的。换热器采用管壳式设计，污水走换热管内，针对污水量身定做防腐措施，并配合专用自洁装置；中介水走壳程；多管程、多壳程设计使换热器换热效率更高，占地面积更小。

3、污水热能提升系统由热泵机组、中 介水循环泵、采暖热水循环泵组成，通过制冷剂在蒸发器中吸热蒸发，由制冷剂液体变成制冷剂气体进入压缩机，在压缩机内制冷剂气体被压缩成高温高压后进入热泵机组的冷凝器释放热量加热采暖热水用于供暖，在这个能量转移的过程中75%的采暖热量来自污水中，仅有25%的热量来自电能的消耗，一次能源利用绿率可以达到1.2以上。

2.3污水资源情况

与该项目所在地相距10m为一市政污水提升泵站，该污水提升泵站每天输送污水4万吨左右，平均小时流量1666吨/小时；污水冬季平均温度16—19℃，平均每小时可以为热泵机组提供的热量为15MW以上。目前的污水资源是设计工况下的4倍以上，且流量稳定，水温适宜，完全可以满足小区对采暖的需求。

气温及污水温度表：

2.4投资分析

与集中热网采暖方式投资比较：

热网集中供热55元/m2，总投资539万元。

污水源热泵采暖系统90元/m2,总投资862万元。

增加投资333万元。

虽然一次性投资有所增加，但污水源热泵后续运行管理费用仅为热网集中供热的50%-60%，且可获得国家政策补贴，投资效果比热网供热为佳。

2.5温室气体减排效益

2.5.1采用燃煤锅炉房进行采暖

当地冬季室外气温为±1℃，设计采暖负荷50w/m2，设计室外计算温度-6℃，一个采暖季每平方米耗热量为248400kJ，煤炭的低位发热量为21000kJ/kg，锅炉的燃烧效率按65%考虑，则每平方米建筑物冬季采暖用煤18.20kg,将会排放CO241.132kg，该小区98000平方米建筑物全部采用燃煤锅炉房采暖每个采暖季节将会消耗燃煤1783.6吨，排放CO2气体4000吨。

2.5.2采用污水源热泵空调系统进行采暖

依然按上述设计条件，一个采暖季每平方米耗热量为248400kJ，耗电量为17.25kWH，火力发电厂发电效率按35%考虑，则需要消耗热量为177428.6kJ，煤炭的低位发热量为21000Kj/Kg,则每平方米建筑物冬季采暖消耗煤炭8.45kg，排放CO219.10 kg。

2.5.3两个方案比较

采用污水源热泵空调系统与传统方式的环保效益如下表所示。

节能减排效益比较

2.6结论

1．当地的气候条件符合污水源热泵的使用要求。

2．某小区附近污水源丰富，且温度适宜，能够为热泵提供充足能源，可以保证设备稳定运行。

3．污水源热泵在投资效益、减排效益等方面相对于传统热网供热有明显优势，推广意义较大。