污水源热泵影响因素.doc

1.影响热泵系统运行的因素
水量、水温、水质和供水稳定性是影响污水源热泵系统运行性能的重要因素。
1. 1污水流量对热泵系统的影响
在热泵机组运行时，若污水流量过低，不利于机组的安全运行;污水流量过高时循
环水泵的功率就会增大，耗电量增加。
假设其它条件不变分析水流量对热泵机组性能的影响。在制冷工况下，当增大水的
流量时，换热器的出口水温就会降低，换热系数增大，从而制冷量增加。然而，当水的
流量增加到一定值时，换热系数不再增加，制冷量达到一定值不再变化，如图1.1。同
样的，在冬季工况下增大水的流量时，水侧换热系数增大，蒸发温度升高，从而制热量
也会增加，如图1.2
水量也会对热泵COP产生一定的影响。如图1.3所示，在夏季制冷运行时，增加冷
凝器的水流量会导致冷凝压力的降低，使得压缩机的输入功率降低，从而COP值增大。
然而，当水的流量增加到一定值时，COP值的增加速率趋于稳定。同样地，图1.4中的
冬季制热运行时，增加蒸发器中水量使得热泵COP值增大。因为在蒸发压力增加的同
时，压缩机内蒸汽的比体积增加虽然会导致工质的质量流量增加，但压缩比减小又使得
单位质量压缩功下降，两者作用相互抵消，使得压缩机输入功率增加的幅度较制热量增
加的幅度小，所以COP值增加。
图1.1 夏季工况下水流量和进水温度对制冷量的影响
图1.2 冬季工况下水流量和进水温度对制热量影响

1. 2污水温度对热泵系统的影响
在夏季制冷工况下，污水源热泵机组使用污水作为冷源，水的温度越低越好;在冬
季工况下污水作为热源时，温度则是越高越好。而且蒸发温度要适度，不能过高，否则
会导致压缩机的排气温度过高，可能导致润滑油发生炭化。因此，污水温度在200 C左
右时机组的制热和制冷将处于最佳工况点。
水温对热泵COP值是有一定影响的。夏季制冷时，如果升高冷凝器入口处的水温，
则会导致冷凝压力的增加，此时制冷量会降低，同时压缩机的功率会增大，COP值反而
下降，如图1.3所示。冬季以制热工况运行时，如果升高蒸发器入口处的水温，则会导
致蒸发压力的增加，制热量增大，此时压缩机功率的增加速度较为缓慢，热泵COP值
增大。然而，当水温增加到一定值时，热泵的COP值不再发生改变，如图1.4图1.3 冬季工况下水流量和进水温度对制冷COP值影响
图1.3 夏季工况下水流量和进水温度对制冷COP值影响

1.3污水水质对热泵系统的影响
在热泵机组的运行中，水源的水质影响着其寿命和效率。选择水源时对水质有着一
定的基木要求，即:澄清、化学性质稳定、不发生腐蚀现象、不易结垢、无微生物滋生
等。对水源热泵机组来说，水中有害的成分常常有:钙、铁、镁、锰、二氧化碳、氯离
子、溶解性的氧以及酸碱度等。
(1)结垢。结垢一般发生在换热面上。水中Cat+, M梦+存在的形式通常为正盐和碱
式盐，很容易析出沉淀聚集在换热面上形成水垢，很大程度上影响换热的效果，进而影
响机组效率。水中以胶体形式存在的Fee+容易在换热面上聚集沉淀，加剧水垢的生成。
Fe2+在遇到氧气的情况下还会发生氧化反应，被氧化后生成的Fe3+在一定的碱性条件下
会生成为氢氧化铁絮状物，进而阻塞换热器的管道，使热泵机组无法正常地运行。
(2)腐蚀。溶解于水中的氧对不同金属的腐蚀性有所不同。对钢铁来说，氧溶解于
水中的含量大会加快腐蚀的速率。一般情况下，铜在淡水中的腐蚀性较小，但当氧和二
氧化碳在水中的溶解含量较高时，其腐蚀速率将加快。在缺氧的条件下，在水中处于游
离状态的二氧化碳也会会导致铜和钢发生腐蚀现象。水中的氯离子也会加剧热泵系统中
换热器管内的局部腐蚀。
(3)混浊度与含砂量。污水的混浊度高会在系统中形成沉积，阻塞、管道，影响机
组的正常运行。
(4)油污。城市生活污水中常常会有残余的油类物质，它会影响到热泵设备的换热
效果，并很有可能使机组的使用寿命减少。
1. 4水质稳定性对热泵系统的影响
水质的不稳定将加剧对换热器的腐蚀程度。我们不仅可以通过各种试验来对水质稳
定性进行检测，也可以通过计算水质的分析指标来进行判断。溶解于水中的碳酸钙的饱
和pH常常用pHs表示，通过计算可以求得

式中，—总的溶解固体常数;
温度常数;
—钙的硬度常数;
—总的碱度常数。
水质的稳定指数可以简写为RSI,
式中，pHs—在系统运行状况下污水的实际pH值;
—水中的碳酸钙饱和pH值.。
稳定指数标准如下表1.1
表1.1 稳定指数判定标准

2热泵性能评价
目前有很多种评价热泵性能的指标，常用的热泵系统热力指标[[53]有:性能系数COP .
一次能源利用系数E。通常利用清洁能源时进行的节能与环保评价指标是以一次能源消
耗利用系数E来表征的。
2. 1热泵性能系数
热泵想要将低品位能源的品质提高，就必须要消耗一定量的高品质能源。因而，热
泵对能量的消耗是一个很重要的技术性经济指标。我们常用热泵的性能系数来比较热泵
的能量效率。循环热流量Q和所消耗的驱动功率W之比，称为性能系数COP。热泵制
热时的性能系数称为制热系数COPH，热泵制冷时的性能系数称为制冷系数COP R 。
表2.1 污水源热泵与其他空调系统比较

2.1.1与空气源热泵相比
空气源热泵历史悠久，系统也很简单，但是它与污水源热泵相比，不适宜用于寒冷
地区，则是因为作为冷热源的空气比热容小，随环境温度影响较大。空气源热泵的制热
量随室外环境温度的下降而减少，而制冷量也会随夏季室外温度的升高而减少，因此夏
季高温和寒冬时热泵的效率会大大降低，COP一般为2.2-3.0，要比污水源热泵的COP
低。通常污水源热泵性能系数可高达5.0-6.0，在产生相同热量或冷量的条件下所消耗的
能量与比空气源热泵相比要节省45%左右。另一方面，空气源热泵在冬季供暖时，蒸发
器上会出现结霜现象，因此需要进行定期除霜，也会产生额外的能量消耗。
2. 1. 2与地下水源热泵相比
地下水源热泵利用从水井中抽取的地下水资源，地下水温度恒定，水质较好，但是
地下水源热泵有着一定的选址条件。要求选取的地区要有丰富的地下水资源和可靠的回
灌能力。目前我国对地下水回灌技术的研究并不太成熟，因此要花大量的精力和物力去
解决水质污染、废水回灌以及地面沉降等可能出现的问题。而污水源热泵不需要考虑这
些问题，污水作为冷热源，不会造成污染问题，更为城市污水提供了再利用的途径。
近年来，混合式热泵有了一定的发展。齐鲁石化水厂采用了污水源与地下水源复合
热泵空调系统[}ss}，冬季直接利用厂内污水作为热源进行供热，夏季时热泵机组通过向地
下水源放热进而达到为办公楼供冷的目的。热泵机组的实际制热系数可达4.8。因此，
恰当利用混合式热泵可提高机组的性能系数。
2.1.3与土壤源热泵相比
土壤源热泵利用的是地面Sm以下的上壤中蕴含的能量，绿色环保，占地面积小。
但是上壤的导热系数较小，换热量小，因此换热的盘管占地面积较大，无论是水平或垂
直敷设埋管，投资较大，还要注意腐蚀问题。从节能效益上看，污水源热泵的节能系数
与上壤源热泵的相差不大。选择土壤源热泵时需要慎重考察当地的地质条件和土壤性
育旨。
2. 2一次能源利用系数
COP值可以反映热泵输出热量与功耗的比值，但是热和功之间存在能、质上的差别，
因此，热泵系统常用一次能源利用系数来评价热泵的效率[[s6]。一次能源利用系数一般E
来表示，它表示系统循环供应的能量和所消耗的一次能源能量之比。能源利用系数E具
有与锅炉效率等同的含义，此时将热泵与锅炉等设备相比，则具有很好的可比性。
任何形式热泵的一次能源利用系数E可表示为:

以供暖季节为例，不同形式的供暖设备的一次能源利用系数不同。
(1)燃煤、燃气锅炉:

式中，—锅炉的热效率，燃煤锅炉的效率取70%，燃气锅炉效率取85%。
(2)电锅炉:

式中，—电锅炉的热效率，取98%;
—输送电效率，取90% 。
COP取4.32。
通过以上公式可以得到常用供热方式的一次能源利用系数，如表2.2所示。其对比
情况可用直观的柱状图表示如图2.1图2.1 常用供热方式的一次能源利用系数柱状图
表2.2 常用供热方式的一次能源利用系数比较

从上述图表中可以看出，燃气热泵的一次能源利用系数最高，二电锅炉最低。污水源热泵系统也是电能驱动的，虽然一次能原利用系数没有燃气热泵的高，但比传统的锅炉房供暖设备要高。热泵的一次能源利用系数都大于1。因此污水源热泵能源使用价值很高，具有很大节能潜力。