污水源热泵空调原理

污水源热泵介绍中央空调概述：•空调系统由冷热源、空调机、末端设备以及连接各部分之间的介质输送系统组成。空调冷热源包括：空气、冷却塔、锅炉（其中包括电锅炉、燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉）、水（包括地表水、地下水、生活废水）、土壤等。空调机组种类包括：活塞式、离心式、螺杆式、溴化锂吸收式等。末端形式主要有风机盘管、散热器、地板辐射等。输送系统主要指输送冷热介载体介质的管道，送风系统的风管、风道，水系统的水管，制冷剂系统的铜管等。如下图所示：地板采暖散热器风机盘管空气冷却塔锅炉土壤水末端系统空调机组冷热源二、污水源热泵•根据以上空调各个部分的不同组合，可以有多种空调系统的方案，如以冷却塔（冷源）+锅炉（热源）+空调主机+风机盘管系统，实现夏季制冷、冬季制热功能；地下水（冷热源）+热泵机组+风机盘管+地板采暖实现夏季制冷、冬季制热功能等。污水源热泵即以污水作为空调系统的冷热源，实现制冷、制热的目的。2.1污水源热泵的特点•城市污水是理想的空调冷热源，开发利用低位清洁可再生能源是暖通空调能源消耗的新模式。可再生性清洁能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和工业余热、城市废热等等，我们利用其中的部分低位能源作为热泵冷热源为建筑物供热时，按电驱动热泵制热性能系数4.0计算，其系统的一次能源利用率大于1.3，而利用其他矿物燃料供暖时一次能源利用率则在0.7卸0.9之间，因此低温热源+热泵供暖空调是缓解能源紧张、保护环境的有效途径之一。城市污水是工业废水与生活污水的总和，是城市余热型可再生性清洁能源，包括城市原生污水与二级出水，是一种理想的低位冷热源。作为热泵空调冷热源具有如下特点：•(1)城市污水水量为城市供水量的85％以上，数量巨大，据《2005年国民经济和社会发展统计公报》显示：我国2005年全年城市污水排放量达359.52亿立方米，城市污水处理率达48.4％。•(2)城市污水水温相对较高且其随季节变化幅度较小，通常在10℃以内，具有冬暖夏凉的特点，温度全年在10—25℃之间，适合暖通空调冬夏两季制热及制冷双工况运行，供暖时水温较地下水温高3—5℃，制冷时较空气温度低10—15℃。•(3)作为城市废热之一，城市污水占城市区域废热百分比很高，日本东京占近40%，我国各城市所占比例在10一16％之间，是城市废热回收潜力最大的部分。•(4)城市污水是载热水体，热容量大，相对空气源、土壤源而言，换热设备具有很高的传热效率，热泵空调系统运行效率高，空气源、土壤源热泵制热系数在3.5以下，而污水源热泵可高达4.5甚至以上。•(5)城市污水量大面广，在市区内既可分散性小规模应用，也可建设大型热泵站，系统机组装机容量可在100kW-2000kW之间，甚至更大。开发利用城市污水作为热泵冷热源为建筑物供暖空调不仅具有节能环保效益，而且符合生态建筑的发展趋势。•(6)城市污水能源区域分布优越。我国能源资源分布不均．煤炭等矿产资源有60%分布在华北，水力资源有70％分布在西南，而经济发达、工业和人口比较集中(约占全国人口总数的37％)的南方八省市的能源却比较缺乏，煤炭量仅占全国2％，水力资源仅为10%。而城市污水热能分布于各大中城市市区内，与人口及城市工业化程度成正比，将城市污水作为一种新能源，在适当优化能源结构的同时，缓解了能源缺乏及分布的不均匀性问题。•依上述可知，城市污水是理想的暖通空调冷热源，因此对以城市污水为冷热源的热泵空调系统进行深入的研究并加以推广应用具有很重要的意义。2.2污水源热泵技术的国内外发展现状•20世纪80年代以来，美国、日本等国家相继建立了一批大型城市污水源热泵系统。从开始时单机容量仅几兆瓦已发展至今单机容量达30MW，单个项目总装机容量达160MW。以瑞典为例，到1987年已有约100座热泵站投入运行，总供热能力达到1200MW，已成为世界上应用大型污水源热泵的代表国家之一。大型城市污水源热泵系统在国外已有十几年的运行历程，已形成一套较完备的技术和经验。•我国目前也已实施多个项目的城市污水源热泵，如北京高碑店污水处理厂、北小河污水处理厂、卢沟桥污水处理厂、秦皇岛海港区污水处理厂利用污水二级出水实施了几个项目，哈尔滨马家沟、哈尔滨望江宾馆、哈尔滨太古商城、大庆恒茂商城等利用原生污水实施了几个项目，均取得了较好的效果。2.3污水源热泵的原理•首先，污水源热泵技术主要来源为城市污水，污水具备水处理量大，水源稳定，冬暖夏凉等特点。调查表明，城市污水中具有较大的热量，冬天污水温度在10℃至16℃，高出日常气温。夏天，污水水温为22℃至25℃，又比日常气温低。热泵机组依靠内部制冷剂的物态循环变化，冬季从污水中吸收热量经热泵机组升温后对建筑供热，夏季通过热泵机组把建筑物中的热量传递给污水从而实现供冷的新技术。•制热原理图制热过程地板采暖散热器50℃60℃污水6℃污水12℃空调机组末端系统•制冷原理图末端系统空调机组污水25℃污水30℃7℃12℃风机盘管、新风机组等制冷过程污水源热泵不同的系统分类方式又可分为：•按污水热能提取方式可分为：直接利用式和间接利用式。•从模式转换方式又可以分为：通过四通换向阀的换向来实现制热工况和制冷工况的转换(工质切换式)和通过阀门改变水流方向来实现工况转换(水切换式)。•直接换热式热泵空调系统为热泵空调机组换热器中的制冷剂直接同污水进行热交换，提取污水中的热量或冷量；间接换热式热泵空调系统污水先通过热交换器与某一中间媒介进行热交换．再通过中间媒介同制冷剂换热。需要明确指出，直接污水源热泵空调系统中，污水与制冷剂之间不存在混合，它们之间的传热方式依然是间接传热。•与间接换热式污水源热泵空调系统相比，直接系统具有更为简单的系统形式和更高的制热效率。在间接系统中，热量的传递路线是：污水、中介水、制冷剂。从热力学的角度分析，中介媒质的存在增加了传热热阻，导致能量在转移过程中其品质有大幅度的下降，因此整个热泵系统的制热效率也随之下降。同时，中介媒质的存在也使污水的可利用温差区间减小，单位质量污水的供热量也就减小了。没有中介水系统的直接污水源热泵系统由于系统形式得到简化，初投资也随之减小，而且调试、调节操作简单，运行管理方便。直接换热式污水源热泵空调系统一般为工质切换式系统，而问接式污水源热泵空调系统一般属于水切换式系统。直接系统具有简单的结构和更高的效率，是未来的主流系统形式。目前国内外以二级污水作为冷热源的热泵空调系统通常都采用直接换热式系统。而对于水质较差的城市原生污水大都采用间接利用式，以减少对热泵空调机组的腐蚀。2.4成本分析•2.4.1初投资费用低•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比其他系统的占地面积要小。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。2.4.2运行成本低•现以某工程实例来分析城市污水热泵的技术经济效益情况。某工程可能获得的能源形式包括：（1）电热辐射供暖；（2）电热锅炉方式；（3）污水源热泵系统方式；（4）空气源热泵系统方式；（5）燃气壁挂采暖炉。•该项目总建筑面积150000平方米，污水源热泵机组制热时cop值取4。供暖季为从11月15日到次年的3月15日(共计120天)。使用城市污水源热泵时该项目单位面积供暖运行成本为：(单位面积热指标×负荷系数×天数×24÷效率)×单位能源价格=(65÷1000×0.66×120×24÷4)×0.56=17.0元/平方，与其它供暖方式运行费用对比如下：几种供热方式运行费用对比4421020108025540829.5687217.027.21.7元/立方0.560.560.560.560.950.81.042.56565656565项目运行费（万元）单位面积运行成本（元/平方）电或燃气价格热效率W/W热指标KW/㎡燃气壁炉电热辐射电热锅炉污水源热泵空气源热泵热泵燃气采暖电力驱动方式•由以上数据可以看出，污水源热泵的运行效率较高，费用较低，与传统的空调制热采暖相比具有明显的优势。2.5环保效益显著•原生污水源热泵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。以上例对比如下：•3采暖季污染物排放量g/m43.4无无无121.7无无无3262.95无无无34.77XNO2SO烟尘燃气壁炉电热辐射电锅炉污水热泵城市热网采暖方式三、小结•污水源热泵与传统空调相比具有节能和环保的优势，我国作为一个能源消耗大国，能源压力和由此产生的环境问题日益突出，而污水源热泵作为一项节能技术，不仅能节约能耗更能减少污染，减轻和缓解我国目前面临的能源和环境压力，将为全国建设小康社会提供新的清洁可再生能源，实现能源结构的优质化转变。因此开发利用城市污水作为热泵冷热源为建筑物供暖空调前景广阔。谢谢