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系統，消耗少量電能，在冬季把存于水中的低位熱能“提取”出來(lái)，為用戶(hù)供熱，夏季則把室內的熱量“提取”出來(lái)，釋放到水中，從而降低室溫，達到制冷的效果。其能量流動(dòng)是利用熱泵機組所消耗能量（電能）吸取的全部熱能（即電能+吸收的熱能）一起排輸至高溫熱源，而起所消耗能量作用的是使介質(zhì)壓縮至高溫高壓狀態(tài)，從而達到吸收低溫熱源中熱能的作用。
污水源熱泵系統由通過(guò)水源水管路和冷熱水管路的水源系統、熱泵系統、末端系統等部分相連接組成。根據原生污水是否直接進(jìn)熱泵機組蒸發(fā)器或者冷凝器可以將該系統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(guò)熱泵回收后輸送到采暖空調建筑物；間接利用方式是指污水先通過(guò)熱交換器進(jìn)行熱交換后，再把污水中的熱量通過(guò)熱泵進(jìn)行回收輸送到采暖空調建筑物。
3、污水源熱泵技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢
我國北方地區，冬季采暖主要是依靠煤、石油、天然氣等石化燃料的燃燒來(lái)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不可多得的熱泵冷熱源。它的溫度一年四季相對穩定，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空調系統運行效率要高，節能和節省運行費用效果顯著(zhù)。
3.1 污水源熱泵技術(shù)特點(diǎn)
（1）環(huán)保效益顯著(zhù)
原生污水源熱泵是利用了城市廢熱作為冷熱源，進(jìn)行能量轉換的供暖空調系統，污水經(jīng)過(guò)換熱設備后留下冷量或熱量返回污水干渠，污水與其他設備或系統不接觸，污水密閉循環(huán)，不污染環(huán)境與其他設備或水系統。供熱時(shí)省去了燃煤、燃氣、然油等鍋爐房系統，沒(méi)有燃燒過(guò)程，避免了排煙污染；供冷時(shí)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(zhù)。
（2）高效節能
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，機組效率提高。供暖制冷所投入的電能在1KW時(shí)可得到5KW左右的熱能或冷能。
（3）運行穩定可靠
水體的溫度一年四季相對穩定，其波動(dòng)的范圍遠遠小于空氣的變動(dòng)，是很好的熱泵熱源和空調冷源，水體溫度較恒定的特性，使得污水源熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經(jīng)濟性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)問(wèn)題。
（4）一機多用，可應用范圍廣
污水源熱泵可供暖、制冷，供熱水，一機多用，一套系統可以替換原來(lái)的鍋爐加空調的兩套裝置或系統。城市污水熱泵空調系統利用城市污水，冬季取熱供暖，夏季排熱制冷，全年取熱供應生活熱水，夏季空調季節可實(shí)施部分免費生活熱水供應。一套系統冬夏兩用，實(shí)現三聯(lián)供。
（5）投資運行費用低
城市污水源熱泵具有初投資低，運行費低的巨大經(jīng)濟優(yōu)勢。表1，2為污水源熱泵與同類(lèi)產(chǎn)品的投資與運行費用比較。運行效果良好，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。污水熱泵系統的機房面積僅為其他系統的50%。系統根據室外溫度及室內溫度要求自動(dòng)調節，可做到無(wú)人看管，同時(shí)也可做到聯(lián)網(wǎng)監控。污水源熱泵系統原理簡(jiǎn)單，設備的可靠性強，維護量小，平時(shí)無(wú)設備的維護問(wèn)題。
3.2 污水源熱泵優(yōu)勢
與燃煤、燃氣、然油等鍋爐房系統相比，我國年污水排放量達464億m3，可節省用煤量0.33億噸，以全國年總能耗30億噸標煤計算，達到了1.1%，若按暖通空調的一次能源消耗量10億噸標煤計算，達3.3%。同時(shí)每年可減少排放量達72萬(wàn)噸。據相關(guān)統計，15萬(wàn)平方米供冷、供熱、以及供生活熱水，年可節約標煤1萬(wàn)噸，減排二氧化硫300噸、煙量2200萬(wàn)立方米、顆粒物6400噸，年少排爐渣2800噸、廢水600噸。
另外，污水源熱泵系統將污水熱能連同熱泵機組本身產(chǎn)生熱能一并轉移到室內,能效比高達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, 能效比和性能系數大大提高,而運行工況穩定,比傳統中央空調節30?~40?的運行費用，且污水源熱泵技術(shù)系統無(wú)需設冷卻塔,利用的是城市原生污水，節約了大量水資源的同時(shí)又開(kāi)發(fā)創(chuàng )造出新的清潔型新能源。
設計和開(kāi)發(fā)污水源熱泵系統時(shí)，需要考慮以下幾方面：
①從城鎮污水管道中提取水源需要考慮水溫和水量的波動(dòng)性。
②污水經(jīng)熱泵系統后，溫度會(huì )降低，需確保污水換熱后污水廠(chǎng)的處理設施仍能正常運行。
③污水屬于非牛頓冪方流體，流變指數為0.92，污水源熱泵系統的設計不能直接套用清水源熱泵系統的設計參數和方法。
④控制由污水中各類(lèi)污染物所引起的堵塞和結垢等問(wèn)題。
以原生污水作為熱源時(shí)容易導致系統堵塞、結垢和腐蝕，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(kāi)展了設計應用的探索?；谖鬯鲃?dòng)阻力和熱交換特性，研究者利用SCILAB（開(kāi)放源代碼）平臺和TCL/TK軟件，結合多年的研究和工程實(shí)踐，提出了污水側熱交換器的關(guān)鍵設計點(diǎn)和主要參數。
根據雙相流理論、制冷系統的動(dòng)力學(xué)原理、污水側的同向流、逆流、垂直交錯流、斜交錯流的流動(dòng)模式，開(kāi)發(fā)了具有自動(dòng)除污功能的干式管殼污水換熱器。傳統污水熱泵系統由于污水量難以滿(mǎn)足建筑供暖高峰的需求，相關(guān)研究者還設計了新型冷凝潛熱交換器系統，將污水的冷凝潛熱作為熱泵系統的低溫熱源，能夠安全除冰，連續吸熱，去除污水軟垢，強化熱傳遞，該系統具有較大的可行性和應用潛力。
實(shí)際工程應用時(shí)污水管渠和建筑物之間應有一定的距離，套管輸送換熱（TDHT）系統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管，載熱介質(zhì)走環(huán)形空間，在污水輸送過(guò)程中完成換熱。研究表明，中介水子系統是套管換熱系統的關(guān)鍵部分，對于一般工程，中介水和污水的經(jīng)濟流量比（Cr）、流速比（Ur）分別為（0.3～0.4）和（0.54～0.85）；對于較大工程，Ur可取較小值而對應的Cr可取較大值，此時(shí)中介水揚程與污水泵揚程之比為0.7～1.6;采用ε－NTU法計算雙程套管系統順、逆流的換熱效率，發(fā)現城市污水TDHT系統采用順流方式最佳。
通過(guò)優(yōu)化分析，雙程TDHT的換熱損失系數β為0.05～0.25，合理的最小距離負荷比DLＲ值為8.8m/kW0.5左右。為提高雙級泵式污水源熱泵系統設計和運行調節的合理性，張承虎等建立了污水子系統的旁路串聯(lián)水泵模型，管路阻抗、水泵性能對系統實(shí)際用水量和流量系數的影響結果表明，小阻抗旁路串聯(lián)水泵系統具有環(huán)路獨立性，可以采用簡(jiǎn)單的分級調試方法來(lái)監控運行；增加旁路漏水阻抗有利于優(yōu)化系統設計的流量系數，選擇特性曲線(xiàn)較平緩的水泵有利于提高系統的綜合性能。
在全球面臨能源危機和環(huán)境污染日益嚴重的形勢下，城市污水中賦存的熱能已被公認為是尚未有效開(kāi)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)際工程中推廣和應用城市污水熱能有效利用系統提供了可靠的技術(shù)保證，具有節能、經(jīng)濟環(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)現了能源的可持續發(fā)展。
對城市污水源熱泵空調系統的研究，日本、挪威、瑞典及一些其它北歐等供熱發(fā)達國家比較活躍。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、區域鍋爐房集中供熱進(jìn)行比較，得出熱泵站供熱可節省燃料20%~30%，并提出利用莫斯科河水作水源熱泵站區域供熱方案。1981年6月，瑞典在塞勒研究開(kāi)發(fā)了第一個(gè)凈化污水源熱泵系統。自此發(fā)達國家紛紛投入大量的財力和人力進(jìn)行此項研究，并取得了一定的發(fā)展。國內應用較早，較為突出的是北京高碑店污水處理廠(chǎng)的二級出水。2000年，北京市排水集團在高碑店污水處理廠(chǎng)開(kāi)發(fā)了污水源熱泵實(shí)驗工程，空調建筑面積900m2，這是我國最早的城市污水源熱泵系統，?近年來(lái)，在青島、大連等地均有污水源熱泵系統。
污水源熱泵的主要工作原理是借助污水源熱泵壓縮機系統，消耗少量電能，在冬季把存于水中的低位熱能“提取”出來(lái)，為用戶(hù)供熱，夏季則把室內的熱量“提取”出來(lái)，釋放到水中，從而降低室溫，達到制冷的效果。其能量流動(dòng)是利用熱泵機組所消耗能量（電能）吸取的全部熱能（即電能+吸收的熱能）一起排輸至高溫熱源，而起所消耗能量作用的是使介質(zhì)壓縮至高溫高壓狀態(tài)，從而達到吸收低溫熱源中熱能的作用。
污水源熱泵系統由通過(guò)水源水管路和冷熱水管路的水源系統、熱泵系統、末端系統等部分相連接組成。根據原生污水是否直接進(jìn)熱泵機組蒸發(fā)器或者冷凝器可以將該系統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(guò)熱泵回收后輸送到采暖空調建筑物；間接利用方式是指污水先通過(guò)熱交換器進(jìn)行熱交換后，再把污水中的熱量通過(guò)熱泵進(jìn)行回收輸送到采暖空調建筑物。
3、污水源熱泵技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢
我國北方地區，冬季采暖主要是依靠煤、石油、天然氣等石化燃料的燃燒來(lái)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不可多得的熱泵冷熱源。它的溫度一年四季相對穩定，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空調系統運行效率要高，節能和節省運行費用效果顯著(zhù)。
3.1 污水源熱泵技術(shù)特點(diǎn)
（1）環(huán)保效益顯著(zhù)
原生污水源熱泵是利用了城市廢熱作為冷熱源，進(jìn)行能量轉換的供暖空調系統，污水經(jīng)過(guò)換熱設備后留下冷量或熱量返回污水干渠，污水與其他設備或系統不接觸，污水密閉循環(huán)，不污染環(huán)境與其他設備或水系統。供熱時(shí)省去了燃煤、燃氣、然油等鍋爐房系統，沒(méi)有燃燒過(guò)程，避免了排煙污染；供冷時(shí)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(zhù)。
（2）高效節能
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，機組效率提高。供暖制冷所投入的電能在1KW時(shí)可得到5KW左右的熱能或冷能。
（3）運行穩定可靠
水體的溫度一年四季相對穩定，其波動(dòng)的范圍遠遠小于空氣的變動(dòng)，是很好的熱泵熱源和空調冷源，水體溫度較恒定的特性，使得污水源熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經(jīng)濟性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)問(wèn)題。
（4）一機多用，可應用范圍廣
污水源熱泵可供暖、制冷，供熱水，一機多用，一套系統可以替換原來(lái)的鍋爐加空調的兩套裝置或系統。城市污水熱泵空調系統利用城市污水，冬季取熱供暖，夏季排熱制冷，全年取熱供應生活熱水，夏季空調季節可實(shí)施部分免費生活熱水供應。一套系統冬夏兩用，實(shí)現三聯(lián)供。
（5）投資運行費用低
城市污水源熱泵具有初投資低，運行費低的巨大經(jīng)濟優(yōu)勢。表1，2為污水源熱泵與同類(lèi)產(chǎn)品的投資與運行費用比較。運行效果良好，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。污水熱泵系統的機房面積僅為其他系統的50%。系統根據室外溫度及室內溫度要求自動(dòng)調節，可做到無(wú)人看管，同時(shí)也可做到聯(lián)網(wǎng)監控。污水源熱泵系統原理簡(jiǎn)單，設備的可靠性強，維護量小，平時(shí)無(wú)設備的維護問(wèn)題。
3.2 污水源熱泵優(yōu)勢
與燃煤、燃氣、然油等鍋爐房系統相比，我國年污水排放量達464億m3，可節省用煤量0.33億噸，以全國年總能耗30億噸標煤計算，達到了1.1%，若按暖通空調的一次能源消耗量10億噸標煤計算，達3.3%。同時(shí)每年可減少排放量達72萬(wàn)噸。據相關(guān)統計，15萬(wàn)平方米供冷、供熱、以及供生活熱水，年可節約標煤1萬(wàn)噸，減排二氧化硫300噸、煙量2200萬(wàn)立方米、顆粒物6400噸，年少排爐渣2800噸、廢水600噸。
另外，污水源熱泵系統將污水熱能連同熱泵機組本身產(chǎn)生熱能一并轉移到室內,能效比高達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, 能效比和性能系數大大提高,而運行工況穩定,比傳統中央空調節30?~40?的運行費用，且污水源熱泵技術(shù)系統無(wú)需設冷卻塔,利用的是城市原生污水，節約了大量水資源的同時(shí)又開(kāi)發(fā)創(chuàng )造出新的清潔型新能源。
設計和開(kāi)發(fā)污水源熱泵系統時(shí)，需要考慮以下幾方面：
①從城鎮污水管道中提取水源需要考慮水溫和水量的波動(dòng)性。
②污水經(jīng)熱泵系統后，溫度會(huì )降低，需確保污水換熱后污水廠(chǎng)的處理設施仍能正常運行。
③污水屬于非牛頓冪方流體，流變指數為0.92，污水源熱泵系統的設計不能直接套用清水源熱泵系統的設計參數和方法。
④控制由污水中各類(lèi)污染物所引起的堵塞和結垢等問(wèn)題。
以原生污水作為熱源時(shí)容易導致系統堵塞、結垢和腐蝕，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(kāi)展了設計應用的探索?；谖鬯鲃?dòng)阻力和熱交換特性，研究者利用SCILAB（開(kāi)放源代碼）平臺和TCL/TK軟件，結合多年的研究和工程實(shí)踐，提出了污水側熱交換器的關(guān)鍵設計點(diǎn)和主要參數。
根據雙相流理論、制冷系統的動(dòng)力學(xué)原理、污水側的同向流、逆流、垂直交錯流、斜交錯流的流動(dòng)模式，開(kāi)發(fā)了具有自動(dòng)除污功能的干式管殼污水換熱器。傳統污水熱泵系統由于污水量難以滿(mǎn)足建筑供暖高峰的需求，相關(guān)研究者還設計了新型冷凝潛熱交換器系統，將污水的冷凝潛熱作為熱泵系統的低溫熱源，能夠安全除冰，連續吸熱，去除污水軟垢，強化熱傳遞，該系統具有較大的可行性和應用潛力。
實(shí)際工程應用時(shí)污水管渠和建筑物之間應有一定的距離，套管輸送換熱（TDHT）系統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管，載熱介質(zhì)走環(huán)形空間，在污水輸送過(guò)程中完成換熱。研究表明，中介水子系統是套管換熱系統的關(guān)鍵部分，對于一般工程，中介水和污水的經(jīng)濟流量比（Cr）、流速比（Ur）分別為（0.3～0.4）和（0.54～0.85）；對于較大工程，Ur可取較小值而對應的Cr可取較大值，此時(shí)中介水揚程與污水泵揚程之比為0.7～1.6;采用ε－NTU法計算雙程套管系統順、逆流的換熱效率，發(fā)現城市污水TDHT系統采用順流方式最佳。
通過(guò)優(yōu)化分析，雙程TDHT的換熱損失系數β為0.05～0.25，合理的最小距離負荷比DLＲ值為8.8m/kW0.5左右。為提高雙級泵式污水源熱泵系統設計和運行調節的合理性，張承虎等建立了污水子系統的旁路串聯(lián)水泵模型，管路阻抗、水泵性能對系統實(shí)際用水量和流量系數的影響結果表明，小阻抗旁路串聯(lián)水泵系統具有環(huán)路獨立性，可以采用簡(jiǎn)單的分級調試方法來(lái)監控運行；增加旁路漏水阻抗有利于優(yōu)化系統設計的流量系數，選擇特性曲線(xiàn)較平緩的水泵有利于提高系統的綜合性能。
在全球面臨能源危機和環(huán)境污染日益嚴重的形勢下，城市污水中賦存的熱能已被公認為是尚未有效開(kāi)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)際工程中推廣和應用城市污水熱能有效利用系統提供了可靠的技術(shù)保證，具有節能、經(jīng)濟環(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)現了能源的可持續發(fā)展。
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