水源热泵在城市污水处理厂应用可行性探讨

2012-04-12王凤翔

时代农机 2012年9期

王凤翔

（牡丹江龙江环保水务有限公司，黑龙江牡丹江 157015）

1 水源热泵在污水处理厂应用形式

水源热泵技术是将以水形式存在的太阳能作为能量主体，进行高低能转换的技术。其工作原理是：以少量高位能源为催化剂（像电能），实现低温位热能向高位转移。是将低温位热能通过消耗部分高位能利用“逆卡诺循环”提升温度后成为可直接利用高温位热能的装置。通过这种转换可充分利用各种低品位能源,减少化石燃料消耗和大气污染。水源热泵在污水处理厂的实际应用形式主要是将污水处理厂的污水源作为载体通过水源热泵系统机组变为可用于提供热和冷的能量传输到城市用户当中去调节室内温度。夏季空调季节利用冷凝热可实施部分免费生活热水供应，一套系统冬夏两用，实现三联供。

2 水源热泵的利弊

2.1 水源热泵的优势

（1）环保净化。水源热泵是利用了未经处理或二级污水为低位热能，进行能量转换的中介系统。输送高温位热能中无燃烧，减少了有害气体的排放；制冷时不采用水塔冷却，避免了噪音的产生；整个转换流程密闭式减少部分霉菌污染。由于过程中不产生三废一尘，不会导致城市热岛效应，同时表现出良好的空气净化作用，因此是一项安全绿色的环保技术。

（2）降低能耗。水源热泵机组可利用冬季较好的低温热源（11～15℃）系统机组内污水温度比外环境温度高，从而提高循环的蒸发温度，能效比也提高；夏季较好的散热体（17～21℃），水温比外环空气温度低，从而制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果优于旧技术，进而提高机组运行效率。这种特性使污水热泵比锅炉-冷却塔式运行的效率要高出20%。而在实际应用的对比中水源热泵也是已知空调系统中能效比最高的制冷/热方式。

（3）灵活性高。水源热泵可用于制冷，采暖以及生活用水的加热可谓真正做到了“一机三用”，体现其功能上的灵活性；因地制宜配置的污水热泵系统可以根据受压的波动，智能化的选择压缩开阖，提高系统运行效率体现了其工作运行的灵活性；而系统可随意安放，机组末端亦有多种选择，占用空间相对有限体现了其空间组合的灵活性；自动控制程度高，运行过程无需专人职守体现其管理操作的灵活性。

（4）节省设备资金。经过优化配置的水源热泵系统可以代替供热锅炉、制冷空调和生活水加热系统装置，这种一比三的模式有效节省设备的采购资金；利用城市污水源提供建筑物冷暖需求，提高了设备的利用率，机组维护费用低，使用寿命可高达15年以上，一定程度上降低了设备管理费用；设备的使用面积与常规空调系统相比大幅度缩小，进而也减少了房屋占地费用。

2.1 水源热泵应用的局限性

（1）水体环境的局限性。理论上水源热泵可以利用一切的水资源，但实际操作中，不同水源的利用成本差异是不同的。所以地域范围内是否有适合的水源成为其应用的一个重要成因。闭式水源热泵系统成本较高不符合时下低成本的诉求。而开式系统的关键就在于适水源的存在。适水源要求必须满足相应系统要求的水量、水温和水净度。以水温为例：清华同方GHP型系统在执行制热运行时，要求的水温范围在12～22℃；在制冷时，控制水温在18～30℃之间。而对水质的要求是达到GHP型系统机组、管道和阀门材质不至于产生酸碱性腐蚀损坏的净度。对于水量则要求水源系统供水能力具有可持续性，供水率要高，借此保证水源热泵系统长期和稳定运行。就现下而言，在我国北方应用实施比南方更具可操作性。

（2）经济投资差异的局限性。与传统的空调制冷取暖方式相比，采用水源热泵所需费用较低而运行效率较高，是典型的金牛产品。不同情况下的投资主体对水源热泵的投入规模也会有所差别。影响一次性投资及运行费用高低的因素有不同的用户、不同国家及地区能源政策、燃料价格的影响；所采用的污水源热泵系统材质配比的影响；此外还有基本条件不同的水源以及传输距离的影响。

3 可行性分析和探讨

（1）水源热泵在实际污水处理中的可行性。由水源热泵技术的工作原理，可知该技术是以丰富廉价的城市污水作为水源。而水源热泵系统在实现高低能量交换的过程中对水量水质水温的要求又具有选择性。①对于水量。污水源热泵系统的规模与相对低流高负时段的水流量有关。若通过扩大热泵系统规模来达到充分利用污水资源的目的,可以相应设置蓄水池对污水流量进行人为控制。②对水质要求。对于二级处理后的水源甚至未经处理的污水原水要求水源热泵系统组机设备具有强抗堵塞以及抗腐蚀性。针对未经处理污水源能够实现整个系统有效转化的前提就是系统前端防污除杂的顺利进行。可采用滤网式格栅、滤罐等装置进行预处理。采用抗堵塞、耐酸碱度的热置换装置，以解决污水中污垢沉淀物过多和酸碱度大所导致的系统堵塞和腐蚀的问题。这方面可借鉴密云县檀州污水处理厂的解决方案。该县经多方考证，采用了挪威生产的AEM 508/6000/4型热置换装置，该装置采用新型材料和特殊钢质组成，采用新的表面处理技术，有效地解决了堵塞和腐蚀的问题。

（2）能源消耗以及效益分析。就能源消耗方面看，采用水源热泵进行污水处理其投入1kW的电能可得到4～5倍以上的制冷或供热的能量，电耗为常规系统运行能耗的2/5到一半左右。冷凝热回收用于制造生活热水使水温从20℃升至45℃，节省用户使用热水的能源消耗。以乌鲁木齐为例：建筑面积设定为29000m2，通过全年用电量乘以用电单价除以总面积得水暖热泵运行费19元/m2，采用集中供暖是23元/m2，相对节省4元/m2。又以湖南地区用户为例：采用水暖热泵系统一次性投资为1099.74万元，22536元/户，年运行费为91.2万元，均户分摊1868.2元/年；传统中央空调系统分别为一次性投资1099.24万元，22525元/户，年运行费103.4万元，均户分摊2118.9元/年；家庭分体空调一次性投资1091.3万元，22363元/户，年运行费214.7万元，均户分摊4400元/年。从数据可以看出一次性投资水源热泵略高出两种中央空调系统，但三者基本持平；在运行费上水源热泵最低，传统式空调系统高出13%，家庭分体空调系统高出23.6%。通过比较得出水源热泵经济性最优。