污水源热泵应用现状与性能分析研究

贾少刚 魏翠琴 蒉秀惠

（湖州职业技术学院 浙江湖州 313000）

污水源热泵应用现状与性能分析研究

贾少刚 魏翠琴 蒉秀惠

（湖州职业技术学院 浙江湖州 313000）

热泵冷热源采用城市污水可提高热泵性能，且节能减排效果显著。介绍了污水源热泵的分类，总结了国内应用研究现状，概括了优缺点，分析了性能影响因素与节能减排效果。解决污水侧换热器的堵塞、结垢与腐蚀问题会极大促进该技术的大规模应用。

热泵；城市污水；性能；节能减排；换热器

城市污水是一种余热型低品位清洁能源，可作为热泵冷热源为建筑物供暖或制冷，其利用可减少环境污染和石化燃料的消耗[1]。污水源热泵冬季供暖时吸收污水中的热能，夏季制冷时把室内热量转移到低温污水中。

1 污水源热泵的种类

污水源热泵按不同的标准分类有多种，主要有以下几种分类[1]：

（1）按污水是否经过处理可分为原生式和中水/二级出水式；（2）按污水和热泵的换热方式，可分为直接式和间接式；（3）按污水侧换热器形式的不同，可分为浸泡式、淋激式、壳管式三类；（4）按热泵的工作原理，可分为蒸汽压缩式和吸收式等。

直接式污水源热泵是指污水直接与热泵的蒸发器或冷凝器换热，如图1所示。间接式污水源热泵是指污水先和中介水换热，再由中介水与热泵的蒸发器或冷凝器换热，如图2所示。直接式可就近利用城市污水，并能就近供给用户冷热量，可显著增加区域供热供冷范围；间接式增加了中间换热器，中介水水质好，对热泵机组设备影响较小。

图1 直接式污水源热泵系统示意图

图2 间接式污水源热泵系统示意图

2 污水源热泵的国内研究应用现状

近年来国内科研院所对污水源热泵的研究工作蓬勃开展，并取得较好的成果。吴荣华等[2-4]测试分析了污水污垢对换热器设计和污染变化过程的影响，得到了原生污水流动具有非牛顿流体特性，不适用常规的换热准则的结论，并开发了防阻塞换热的实用技术。姚杨等[5～6]针对哈尔滨某药厂提出了污水侧采用淋激式换热器的结构设计，并就换热器中污垢热阻的变化对热泵性能的影响进行仿真分析。哈工大孙德兴教授[7]发明了多项专利，如城市污水冷热源的应用方法与装置、设置有旋转反冲洗格栅滤网的城市污水冷热源的应用装置等，有力促进了污水源热泵的开发和利用。毕海洋[8]开发了旋转板式/旋转筒式自动除污取水装置，提出了流化除垢与强化换热的方法，提高了污水换热效率。我国城市污水源热泵的应用发展迅速，表1所示为工程实践应用。

3 污水源热泵优缺点分析

污水源热泵使城市污水资源化，具有显著的经济性、节能性和环保性，对于建筑供暖的可持续发展具有重要意义，相较其它热源热泵，其优势较为显著[10]：（1）与空气源热泵相比，其COP可达4.0～6.0，高出40%，节能效果更显著，且避免了空气源热泵冬季结霜与除霜的问题；（2）与土壤源热泵相比，无需埋地敷设管子，节省大量施工和材料费用；（3）与地下水源热泵相比，不受地下水区域和水量限制，无需打井费用和考虑回灌问题。

污水源热泵存在的缺点[10]，严重制约了其应用发展：（1）使用区域限制，只能在城市周边使用，受污水处理厂地点限制；（2）污水流量要稳定，否则会严重影响热泵COP（31）污水中含有大量悬浮物、胶体、超胶体和溶解性物质，不经处理会导致换热器阻塞与结垢，严重影响换热性能；（4）污水源热泵需要建立泵房、敷设污水导入管等导致初投资较高。

表1 国内城市污水源热泵应用实例[9]

4 污水源热泵的性能影响因素与节能减排分析

4.1 污水源热泵的性能影响因素

（1）热泵系统形式：间接式比直接式增加了换热器和中介水循环水泵，传热环节增多且耗电量增加；（2）污水品质：二级出水和中水的水质比原生污水好，换热效果更好，热泵可长期稳定运行，减少设备的清洗次数；（3）热泵质量：如表2所示，大品牌热泵的额定和测试COP都比较高，因此选择高质量的生产厂家是基础。

表2 污水源热泵供热工况下的额定和实测COP[11]

4.2 污水源热泵的节能减排分析

节能分析——污水源热泵的高COP使其能源利用率是电采暖的3倍～4倍；夏季制冷时比传统中央空调节省30%～40%的运行费用[12]；在冬季供暖时相比燃煤锅炉节省煤量48.79%，比燃油锅炉节省煤量37.45%，比燃气锅炉节省煤量34.55%[13]。

减排分析——与空气源热泵相比，利用污水热能可显著减轻大气污染：长沙市利用60%的城市污水的减排效果如表3所示。