污水源热泵系统设计及性能分析

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　　【摘 要】简述了污水源热泵的原理及工艺流程及其设计要点，论述了其系统设计流程，并从多角度对其性能进行了分析。
　　【关键词】污水源；热泵；空调
　　
　　0 引言
　　热泵技术是将热量从低温端向高温端输送的技术，由于城市污水内含有极大的环境能源，污水源热泵技术的节能作用非常明显，其将为国内能源结构带来巨大变化，可将城市污水做为热泵空调理想的冷热源，因此城市污水源热泵系统随即成为开发城市污水热能的关键因素之一。
　　1 污水源热泵原理及工艺流程
　　根据系统采用污水源可将其分为原生污水源热泵系统、一级污水源热泵系统和二级污水源热泵系统；根据热泵换热设备是否与污水直接接触可分为直接式污水源热泵系统和间接式污水源热泵系统。其工作原理是在夏季高温季节，通过热循环而将建筑内热量传递到污水源内，冬季寒冷季节通过热循环将污水源内能量提取到建筑物内，但由于污水特殊的水质故系统内应添加特殊设备以保证系统的正常运行。
　　2 污水源系统设计要点【1】
　　由于污水具有较强的腐蚀性，因此在系统换热器前应加装自动式过滤器和反洗装置，在运行过程中仍有可能存在较大悬浮物堵塞交换器，因此应定期对其进行清理；同时为保证热泵机组的可靠运行且目前没有适合污水换热的满液式蒸发器而引入中介水循环，以通过减少换热器中的污垢来减少换热器的换热热阻，其中污水和中介水间利用壳管式污水换热器换热，污水走管程，中介水走壳程；
　　整个污水系统的管路设计应遵循管路平直、阀门少的原则，其中污水源热泵的取水与配管方式一般污水泵设计为自灌式，但应保证污水水面高于水泵吸入口0.5-1.0m，并在自流管的进口和端头分别安装闸阀和法兰盲板以便于检修和清洗；潜水泵的选择应设置相应的潜水池，并应从压水干管接出一根支管并伸到集水池底部，运行过程中应定期开启以将浮渣冲起并用水泵冲走；
　　由于污水的黏性及对换热地面的污染，污水在换热器内的流动阻力和换热特性同清水相比较有很大不同，因此为保证一定传热系数而提高管内流速，但应对封头部位的结构进行特殊处理；
　　为避免污水内大体积悬浮物进入壳管式换热器，而应对其进行预处理，将内部大尺度污物去除，以保证换热器的正常工作；同时为了平衡污水换热器的阻力可通过设置二级污水泵来保证良好运行。
　　3 系统设计流程
　　3.1 设计参数
　　应结合当地气候状况对系统全年动态负荷进行分析，确定系统热负荷以及供冷负荷大小，并决定设计参数是以供暖为主还是以供冷为主，之后确定设计供热或供冷负荷。
　　3.2 热泵机组
　　热泵机组的运行参数尤其是供热参数将直接影响机组效率，不同热泵机组制热性能参数见表1，进而可影响系统的经济性。冬季供暖工况下若水源热泵低温热源侧的进出口水温不发生变化，则热泵的供水温度对其制热性能系数影响较大；当蒸发器侧热源水的进出口温度不变，热泵机组的供水温度和供回水温度的差值对机组的COP值均会产生影响，但供水温度的影响更为严重，即表明热泵供水温度的选择更为重要。目前多采用半封闭螺杆式水源热泵机组。
　　表1不同采暖供/回水温度水源热泵机组的制热性能参数（COP值）
　　
　　3.3 污水换热器参数【2】
　　由于污水的腐蚀性及易结垢的特点，在换热器选用时应选用清洗方便、适应性强、处理量大并工作可靠的类型，目前多采用管壳式换热器。换热器的工程计算公式可采用下式：
　　Q=km•A•Δtm
　　式中：Km为整个传热面的平均传热系数，kW/(m2．K)；
　　A为传热面积，m2；
　　△tm为污水与中介水之间的平均温度差，℃。
　　同时由于污水内含有较多的油性物质，其经过换热管时会使其内壁挂模而增大换热热阻，影响换热效果，因此在选用换热器时除应保证其方便拆卸、清洗外还应考虑换热管壁粘泥所产生的热阻。
　　3.4 水泵扬程
　　水泵扬程应考虑水系统总的沿程阻力和局部阻力损失、设备阻力损失以及系统的安全扬程；并应考虑管路内最低流速不可过低以防止污水在管内产生沉淀，其计算公式为：
　　Hp=Py+Pj+Ps+Pa
　　式中Hp为水泵扬程；Py、Pj为系统总的沿程阻力和局部阻力损失；Ps为设备阻力损失；Pa为系统安全扬程，一般取值为20Kpa。
　　4 系统性能分析
　　4.1 可行性分析
　　理论分析。目前国内污水排放量日益增多，且中东部地区人口密度大，污水排放相对集中，该现状为污水源热泵的利用提供了保证，资料显示给600万t污水降温3℃，则可获得相当于燃烧60万t煤所产生的热量，因此说给污水降温蕴藏着更为诱人的能量，因此说污水源热泵具有更为广阔的前景。
　　对环境友好。该系统以城市污水为冷热源无需消耗燃煤、燃油等一次性能源，运行中无烟气粉尘、废渣、废液等污染物质，该种性能可在很大条件下改善城市大气环境和地面环境。
　　节能潜力大。污水源热泵系统无需消耗矿产能源，其对降低现阶段能源危机有缓解作用，并切实可落实国家节能减排工作，可在一定程度上促进可持续发展。
　　4.2 经济性分析【3】
　　国内大部分地区城市污水在环境温度低于0℃时仍能保持在10-15℃，且夏季高温阶段污水温度仍可控制在25℃左右，温差较小的现实可使热泵机组的运行工况得到很大的改善，与空气源热泵机组相比其COP值也有明显提高，且该系统可省掉制冷机组和锅炉供热的冷却塔和锅炉，可在很大程度上节省机房占地面积，并可避免风冷机组室外机结霜和化霜现象；系统初投资包括系统所有部分投资，其中主要为土建费用、设备费用、安装设计费用、监理费用及不可预见费用等，但由于污水源热泵系统的负荷侧系统与其他形式冷热源空调系统基本相同，只是在机房部分不同，因此其经济性比较可从机房部分初投资进行。水源热泵与传统方案投资估算比较见表2、表3.
　　表2污水源热泵投资估算汇总表：
　　
　　表3传统方案投资估算汇总表：
　　
　　5 结语
　　城市污水源温度同室外气温比较冬季高而夏季低，且其变动幅度较小，因此其为良好的冷热源，城市污水经过处理后主要去向为排放河道或经过深度处理用于城市绿化、居民冲厕用水等杂用水，城市污水在二级及深度处理中一般选用生化处理，其过程具有一定的升温作用，更为增强了用城市污水作为空调系统的热源及散热体的功能，且该系统可很大程度上节省一次性能源，因此将水源热泵技术与城市污水相结合在扩大城市污水利用范围及拓展城市污水治理效益等方面具有深远意义。
　　
　　
　　参考文献：
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