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污水源热泵技术应用的简析

摘要：本文简要介绍污水源热泵的特点、工作原理及分类。本文将污水源热泵系统与地下水水源热泵系统、燃气锅炉供热+普通空冷空调供冷相结合的供能方式进行了比较，结论如下：在投资有效期内(按20年考虑)，综合比较3种方案的费用，污水水源热泵系统的总运行费用最少。此外，根据建立的稳态水—水热泵机组模型，模拟了机组在污水量和温度不同的情况下，机组各项性能指标的变化，结果表明，对任一机组，污水流量存在一个最佳值，当超过该值时机组，性能不再随其而变化。
关键词：污水源热泵  仿真  机组性能  COP
    1、前言
    在当今，可持续发展已经成为热门话题，环境因素作为可持续发展三要素之一，已引起各个方面的关注。可持续发展意味着维护、合理使用并且提高自然资源基础，意味着在发展计划和政策中纳入对环境的关注和考虑。用热泵系统回收城市污水中的热能，既开发了一种清洁能源，同时又降低了城市废热的排放，保护了环境。开展城市污水热能利用技术的研究，是一项具有节能和环保意义的应用技术研究。
    污水源热泵是利用污水处理厂出水量大，水质稳定，常年温度在13至25摄氏度等特点，以污水作为热源进行制冷、制热循环的一种空调装置。污水源热泵具有热量输出稳定、COP值高、换热效果好、机组结构紧凑等优点，是实现污水资源化的有效途径。污水源热泵比燃煤锅炉环保，污染物的排放比空气源热泵减少40%以上，比电供热减少70%以上。它节省能源，比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃煤锅炉节省1/2以上的燃料。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%。因此，污水源热泵有着广阔的应用前景，但其使用还需解决以下问题：清洁技术的选择、系统形式的选择、污水源水温、流量的问题以及其保证性和经济性问题。
    2、污水源热泵工作原理及分类
    污水源热泵的技术状况和经济性与热源/热汇的特点密切相关。对热泵系统来说，理想的热源/热汇应具有以下特点：在供热季有较高且稳定的温度，可大量获得，不具有腐蚀性或污染性，有理想的热力学特性，投资和运行费用较低。在大多数情况下，热源/热汇的性质是决定其使用的关键[1]。
    污水源热泵采用污水作为水源热泵的热源/热汇，它具有以下特点：产生量大，几乎全年保持恒定的流量；夏季温度低于室外温度，冬季高于室外温度，而且在整个供暖季和供冷季，水温波动不大；含有大量的热能，据估计，城市社区产生的废热40%含在污水中。因此，污水与热泵一起使用为区域供热供冷提供一种理想的热源/热汇。
    污水源热泵系统其供暖系统原理和普通水源热泵相同，主要由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流机构构成一个最简单的蒸汽压缩式热泵装置作为供热系统的热源。它通过蒸发器从污水中吸取热量Qe，在冷凝器中放出热量Qc（Qc=Qe+W）供给供热系统。这种供热系统只要消耗少量的电能W,便可得到满足房间供热所需要的热量Qc。
    污水源热泵系统按照其使用的污水的处理状态可分为以未处理过的污水作为热源/热汇的污水源热泵系统和以二级出水或中水作为热源/热汇的污水源热泵系统；根据污水与热泵的热交换部分是否直接进行热交换，可分为间接利用系统和直接利用系统[2]；从工况转换方式上看，大体可分为两种：一种是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；另一种是水切换式，即通过阀门改变水流方向来实现工况转换。
    3、与其他热泵系统的简单比较
    将污水热能利用系统与地下水水源热泵系统和燃气锅炉供热+普通空冷空调供冷相结合的供能方式进行了比较，其结论见表1。

    从设备投资上看：在计增容费的情况下，污水热能利用系统最少，为地下水热泵系统的84.10%，为燃气+空冷空调系统的77.08%；在不计增容费的情况下，污水热能利用系统的设备投资为地下水水源热泵系统的81.32%，为燃气+空冷空调系统的227.08%。从年运行费用上看：燃气+空冷空调系统的运行费用最高，地下水水源热泵系统次之，污水水源热泵系统为最低。3种供能方式的年运行成本以污水热能系统最低，仅为燃气+空冷空调系统的46.19%，为地下水热泵系统的72.50%。在投资有效期内(按20年考虑)，综合比较3种方案的费用，污水水源热泵系统的总运行费用大约是地下水水源热泵系统的70%左右，是燃气+空冷空调系统运行费用的45%左右。由此可见，污水水源热泵系统比其它两方案更具经济性。总的来说，污水热能利用系统的经济性是十分显著的。
4、污水源热泵系统特性及其性能仿真
    由于污水水质的特点，与污水接触的换热器的堵塞、腐蚀以及结垢问题显得尤为突出。据调查90%以上的换热设备都存在不同程度的污垢问题。由于污垢的存在使传热热阻增加，它不仅恶化了换热器的传热性能，而且因为垢层的增厚使流通面积减小，在流量维持恒定的情况下，这必然导致平均流动速度的增加，再有污垢还常常使流道表面的粗糙程度增加，引起摩擦系数和局部阻力系数的增加，这必然要引起整个换热器的流动阻力压降增大，故泵消耗的功率增加。所以在污水源热泵系统中换热器的设计、使用中，如何防垢、抑垢、除垢是非常重要的。
    热泵机组的模拟仿真，已发展成为机组性能研究的一种有效手段，因此，本文将采用部件模型法分别建立了机组各个部件的模型，然后采用顺序模块阀构建了水—水热泵机组的稳态模型，机组的主要部件类型如下：压缩机采用活塞式压缩机，套管式冷凝器和蒸发器，节流阀为热力膨胀阀，具体结构参数本文不再赘述，详细情况请参阅曲云霞博士论文。
    以山东建筑大学为例，冬季每日生活污水排量约为1500m3/d，夏季为2000m3/d，该校现有一中水系统，日处理污水能力为500m3/d，污水经过处理后，用来浇花和冲厕所用。经过调查，冬季中水温度在10~15℃，夏季在22~27℃。现在以中水作为直接式污水源热泵的吸热源和放热源，以中水流量为8.0kg/s，用户侧末端设备风机盘管为例，用户介质流量6.4kg/s为例，利用建立的热泵机组模型对该污水源热泵系统进行了模拟，结果如下，其中图1和图2分别为夏季工况下，机组性能参数随中水温度和流量的变化情况，图3为冬季工况下机组性能参数变化情况。

    5、模拟结果分析
    模拟结果表明，夏季随着重水温度的提高，机组制冷量和性能系数COP也随着下降，不过，即使中水温度在30℃时，机组的性能系数COP仍然可达4.19，由此说明污水源热泵系统比空气源热泵要经济的多。图2表明，在流量较小时，随着中水流量的增加，机组制冷量和COP迅速增加，当达到某一值时，机组参数随流量变化较小。 这说明对某一机组，存在流量的最佳值，当超过该值时，只能增加系统水泵耗电量，机组性能变化很小。在冬季工况下，机组制热量随中水温度的升高而增加。