污水源热泵

污水源热泵，主要是以城市污水作为提取和储存能量的冷热源，借助热泵机组系统内部制冷剂的物态循环变化，消耗少量的电能，从而达到制冷制暖效果的一种创新技术。与其他热源相比，污水源热泵的技术关键和难点在于防堵塞、防污染与防腐蚀。

据《2013-2017年中国污水源热泵行业深度调研与投资战略规划分析报告》[1]统计，全球煤炭预计可采200年，石油可采30-40年，天然气可采60年，在全球能耗以每年5%的增长速度下，化石燃料能源预计还能使用一二百年，世界能源短缺形势严峻;我国人均能源贫乏，人均拥有量仅为世界平均值的1/2和美国的1/10。能源短缺问题更加严重。节约用能和开发新的能源已经成为全人类共同面对的迫切问题。我国已将节约资源和保护环境作为基本国策，将其提高到关系人民群众切身利益和中华民族生存发展的高度，放在工业化、现代化发展战略的突出位置，要求落实到每个单位、每个家庭。
能源与环境是可持续发展的两大主题，目前以燃烧石化原料为主的建筑物供暖空调不仅能耗量大，而且对环境造成极大污染。城市污水是由工业废水和生活污水组成，水量巨大，是一种蕴含丰富低位热能的可再生热能资源，污水源热泵空调系统则是以城市污水作为建筑的冷热源，解决建筑物冬季采暖、夏季空调和全年热水供应的重要技术，也是城市污水资源化开发利用的思路和有效途径。同时减少了城市废热和CO2、SO2、NOX、粉尘等污染物的排放。
污水源热泵系统是我国当前各类热泵技术中发展和应用前景最被看好的一种。目前，该技术较为成熟，国内外工程实例很多，20世纪80年代初在瑞典、挪威等北欧国家就已经开始对污水源热泵技术的应用，而现在我国污水源热泵也得到一定程度的应用。数据统计显示，应用污水源热泵系统比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比传统的燃煤锅炉节省l/2以上的煤炭资源。由于污水源热泵的热源温度全年较为稳定，其制冷、制热系数比传统的空气源热泵高出40%左右，其运行费用仅为普通中央空调的50-60%。
在清洁供热方式对比方面，前瞻网测算结果表明污水源热泵的经济效益十分显著：设备投资、年运行费用、年运行成本3个方面分别为地下水热源系统的84.1%、85.0%、72.5%，为燃气空冷空调系统的77.1%、35.0%、46.2%。

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。
污水源热泵系统由通过水源水管路和冷热水管路的水源系统、热泵系统、末端系统等部分相连接组成。根据原生污水是否直接进热泵机组蒸发器或者冷凝器可以将该系统分为直接利用和间接利用两种方式。直接利用方式是指将污水中的热量通过热泵回收后输送到采暖空调建筑物；间接利用方式是指污水先通过热交换器进行热交换后，再把污水中的热量通过热泵进行回收输送到采暖空调建筑物。

我国北方地区，冬季采暖主要是依靠煤、石油、天然气等石化燃料的燃烧来获得。采暖与环保成为一对难以解决的矛盾。城市污水是北方寒冷地区不可多得的热泵冷热源。它的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，这种温度特性使得污水源热泵比传统空调系统运行效率要高，节能和节省运行费用效果显著。
环保效益原生污水源热泵空调系统是利用了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。
高效节能冬季，污水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得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中央空调系统。
运行稳定水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，是很好的热泵热源和空调冷源，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。
一机多用污水源热泵可供暖、空调，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。
投资费用城市污水源热泵具有初投资低，运行费低的巨大经济优势。运行效果良好，经济效益显著。污水热泵系统的机房面积仅为其他系统的50%。系统根据室外温度及室内温度要求自动调节，可做到无人看管，同时也可做到联网监控。污水源热泵系统原理简单，设备的可靠性强，维护量小，平时无设备的维护问题。
优势表现：
◆ 与燃煤、燃气、然油等锅炉房系统相比，我国年污水排放量超过500亿m³，可节省用煤量0.33亿吨，以全国年总能耗30亿吨标煤计算，达到了1.1%，若按暖通空调的一次能源消耗量10亿吨标煤计算，达3.3%。同时每年可减少排放量达72万吨。据相关统计，15万平方米供冷、供热、以及供生活热水，年可节约标煤1万吨，减排二氧化硫300吨、烟量2200万立方米、颗粒物6400吨，年少排炉渣2800吨、废水600吨。
◆ 另外，污水源热泵系统将污水热能连同热泵机组本身产生热能一并转移到室内,能效比高达4.5-6.0,能源利用率是电采暖的3-4倍, 污水源热泵与空气源热泵相比,夏季冷凝温度低,冬季蒸发温度高, 能效比和性能系数大大提高,而运行工况稳定,比传统中央空调节省30﹪-40﹪的运行费用。且污水源热泵技术系统无需设冷却塔,利用的是城市原生污水，节约了大量水资源的同时又开发创造出新的清洁型新能源。

投资比较污水源热泵系统有良好的经济效益，与地下水源热泵、直燃机、热网+水冷机组、燃煤+水冷机组等系统相比，该系统经济优势十分明显。
1万平米列表

序号	空调类型	热（冷）源设备（万元）	其他费用（万元）	合计（万元）	功能
1	污水源热泵系统	100	80	180	采暖+制冷+生活用水
2	地下水源热泵系统	80	110	190	采暖+制冷+生活用水
3	热网+水冷机组	70	150	220	采暖+制冷
4	土壤源热泵	80	160	240	采暖+制冷+生活用水
5	直燃机	120	130	250	采暖+制冷
6	燃煤+水冷机组	160	100	260	采暖+制冷

10万平米列表

序号	空调类型	热（冷）源设备（万元）	其他费用（万元）	合计（万元）	功能
1	污水源热泵系统	600	400	1000	采暖+制冷+生活用水
2	地下水源热泵系统	480	600	1080	采暖+制冷+生活用水
3	热网+水冷机组	420	800	1220	采暖+制冷
4	土壤源热泵	480	800	1280	采暖+制冷+生活用水
5	直燃机	700	650	1350	采暖+制冷
6	燃煤+水冷机组	900	500	1400	采暖+制冷

1万平米列表

序号	空调类型	采暖费（120天/万元）	空调费（120天/万元）	全年合计（万元）	备注
1	污水源热泵系统	16	12	28	0.8元/度
2	地下水源热泵系统	17	13	30	0.8元/度
3	土壤源热泵	18	14	32	0.8元/度
4	直燃机	25	18	43	2.1元/立方
5	热网+水冷机组	27	20	47	0.8元/度
6	燃煤+水冷机组	36	20	56	0.8元/度

10万平米列表

序号	空调类型	采暖费（120天/万元）	空调费（120天/万元）	全年合计（万元）	备注
1	污水源热泵系统	156	110	266	0.8元/度
2	地下水源热泵系统	167	116	283	0.8元/度
3	土壤源热泵	168	140	308	0.8元/度
4	直燃机	238	178	416	2.1元/立方
5	热网+水冷机组	255	189	444	0.8元/度
6	燃煤+水冷机组	344	200	544	0.8元/度

国外研究应用进展对城市污水源热泵空调系统的研究，日本、挪威、瑞典及一些其它北欧等供热发达国家比较活跃。最早起源于杨图夫斯基(前苏联)等人对河水、污水、海水的利用探讨，1978年，杨图夫斯基等人对热泵站供热与热化电站、区域锅炉房集中供热进行比较，得出热泵站供热可节省燃料20%-30%，并提出利用莫斯科河水作水源热泵站区域供热方案。1981年6月，瑞典在塞勒研究开发了第一个净化污水源热泵系统。自此发达国家纷纷投入大量的财力和人力进行此项研究，并取得了一定的发展。
国内研究应用进展国内应用较早、较为突出的是北京高碑店污水处理厂的二级出水。2000年，北京市排水集团在高碑店污水处理厂开发了污水源热泵实验工程，空调建筑面积900㎡，这是我国最早的城市污水源热泵系统。
污水源热泵的弊病城市原生污水成分及其复杂，且不稳定，含有多种悬浮物质，絮状物，油脂，固体颗粒，以及生活垃圾，随着污水源热泵的使用越来越广泛，很多的弊病也被彰显出来，其中最重要的就是要按时把污水源热泵进行拆开来进行清洗，需要耗费大量的人力和精力，而且一般清洗时建筑物无法进行供暖制冷。一般解决办法分为两种：一个是采用化学液体或者是高压水枪进行清洗内部结构，但是由于污水源热泵的结构较为复杂，所以给清洗造成了很大的不便；另一个就是在污水源热泵前面加离心污水换热器使其构成一整套的污水源热泵系统的方法，污水换热器使用防堵塞免拆洗的离心污水换热器，这样就避免了污水源热泵的冲洗。
但是无论如何，污水源热泵的节能与环保都使得其成为现在采暖制冷的主流趋势，以后估计也会得到越来越多得普及。

污水源热泵在建筑领域中的应用污水源热泵主要适合于宾馆、饭店、写字楼、工厂等建筑空调、工艺冷却、加热和制取卫生热水。北京南站属于大型的公共建筑，建筑面积约25万平米，采用污水源热泵进行改造后，每年可节电约500万度，节能环保效果非常显著。随着我国节能改造的不断深入，污水源热泵所带来的社会效益和经济效益必将十分巨大，在具备污水源条件的地区必将逐步并最终取代传统制冷制热方式。

7应用因素能源因素包括能源的价格（电能、煤、油、燃气等的比价）和能源的丰富性。当不同能源间的比价合 理或者能源紧张时，污水源热泵机组技术就有较好的发展大环境。
环境因素当出于环境保护的考虑，对其他制热方式（如燃煤制取热能）有严格限制时，原生污水源热 泵技术就具有更大的应用空间。
技术因素包括通过热泵循环、部件、工质的改进提高污水源热泵机组运行效率，利用材料技术简化热 泵结构、降低热泵造价，利用测控技术提高热泵的可靠性和操作维护的简易性等，可是热泵技术比其他简 单加热方式具有更强的综合竞争优势。
低温热源原生污水源热泵技术与其他简单加热方法不同点之一是必须要有低温热源。热源的温度越高 ，对提高污水源热泵机组的性能和应用优势约有利。优势能否有合适的低温热源，甚至是决定热泵技术应 用的关键因素，因此，利用相关领域的先进技术，拓展原生污水源热泵的低温热源，也是促进热泵技术应 用和发展的重要因素。
　　引用领域的开发：目前污水源热泵机组已经应用于供暖、制冷、制取热水、干燥、种植、以及人工温室 等各个领域。进一步了解不同产品生产工艺中的热需求。并将热泵技术和工艺有机结合，可为热泵拓展更多的应用领域。

8运行因素污水水质问题城市污水包括工业废水,工业冷却水及生活污水,而城市二级污水是经过一级物化处理和二级生化处理,去除了污水中大量的杂质，降低了污水的腐蚀度,更有利于污水中热能提取。
污水水温保障城市污冬暖夏凉,常年温度稳定,污水水温在冬季比环境温度高15--20度,夏季温度比环境温度低10--15度.因此热泵具有良好的热源,污水源热泵利用温差在5度,因此污水源热泵完全可以在高效率运行。
污水量的保证城市污水水量的变化主要是生活污水的变化,而生活污水的出水量基本保持不变。

9原生污水防阻技术分析原生污水防阻技术实现原理城市原生污水源及地表水热泵智能型污水防阻机滤面自身旋转，在任意时刻均有部分滤面位于过滤的工作区，污水中制定粒径以上的固体、悬浮物被滤面截留，使含有该粒径以下固体悬浮物去污水换热器无堵塞换热。另一部分滤面位于水力反冲区。
在滤面旋转一周的时间内，每一个滤孔都有部分时间在过滤的工作区行使过滤功能，另一部分在反冲洗区被反洗，以恢复过滤功能。污水经由过滤后去换热设备无堵塞换热，换热后的污水回到污水防阻机的反冲洗区对过滤面进行反冲洗，并将反冲洗掉的污杂物全部带走并排回污水渠中。成功解决原生污水中大量杂物造成设备与管路的堵塞污染问题。采用该项设备可以保证城市原生污水换热设备无堵塞地长时间运行，从而使大规模应用城市原生污水作为热泵冷热源成为现实。
污水直接进蒸发器技术蒸发器内部结构专有设计，增强增大换热效率。喷淋式蒸发器可以有效地提高机组的蒸发温度。专用喷射泵在无能耗状态下，完成系统的连续回油，安全可靠。专项设计的高效能冷凝器，可降低机组的冷凝温度。

10污水源热泵杂物堵塞问题的解决污杂物对管路堵塞问题大颗粒物体堵住管径的问题：智能污水防阻机中滤网的孔径为φ2（毫米）。换热管内的铜管内径为φ17（毫米）。污水源热泵机组之前采用污水专用防阻机，其滤网的孔径为2 毫米，故直径大于2 毫米的污杂物将会被防阻机阻止进入。
毛发对管路堵塞问题一般挂在内壁的长型污杂物直径较细，所以将流经污水的通道表壁处理光滑，除了采用具体的专业处理外，同时还采用了纳米涂层技术解决内壁表面光滑的问题，来杜绝污杂物挂在内壁的可能性。采用冷媒侧作机组运行工况（即冬季制热工况及夏季制冷工况）转换时，污水源热泵机组中冷凝器和蒸发器的功效将产生互换，因此该机组设计两种工况下的换热效果及水流量的适用性，又由于污水源热泵机组的污水在不同城市是不一样的，该技术根据具体情况对机组进行修正，来满足机组在不同工况下的正常运作。
造成流经换热器中的污水流速及流量的突变的原因是流通管道的形状改变，出现此种状况的位置是换热管与管箱的配合处，采用专项的方法将污杂物处于悬浮状态来避免污杂物的沉积。
污水中高浓度脂肪对管路堵塞问题防阻机与污水源热泵机组中间设计二级泵，一方面为机组供水，另一方面控制水流量和流速。
由于毛发和牛羊动物脂肪较轻，只要控制好污水流量和流速就不会使其大量附着在管道内，少量脂肪的附着可以起到防腐的作用。例如在北京地区牛羊肉的吃法以涮为主，污水中的脂肪含量更大，而采用该技术在北京的很多项目都成功的解决了堵塞的问题，不会造成机组堵塞现象的产生。
污水腐蚀换热器材质问题换热器材主要采用海军铜（军用技术）。海军铜主要成份：有机树脂、纳米SiO2。纳米粒径：30-100nm（纳米SiO2）。乾膜厚度：5-20μm。此种合金具有较好的抗腐蚀性。