污水与地表水源热泵系统技研及设备产业化项目可研报告(编辑修改稿)

污水与地表水源热泵系统技研及设备产业化项目可研报告(编辑修改稿)内容摘要：

品位热能进行回 收，转换为高品位热能的一种节能与环保性技术，利用这项技术的逆过程同时还可以达到制冷的目的，是以存在合适的低位能源为必要条件的。 水源水系统水6℃11℃50℃45℃60℃2℃3 膨胀阀4 蒸发器2 冷凝器1 压缩机 图 1 热泵工作原理示意图 图 1示意了一种水源热泵向建筑物供热的工作原理。 所谓水源热泵，就是指以环境中的水（污水、地表水、地下水等）作为热源。 热泵工质（例如氟利昂）在压缩机 1 的驱动下，在压缩机 冷凝器 膨胀装置 蒸发器 4 几个主要部件中循环运动。 工质的热力性质决定了蒸发器中的工质温度可以保持在例如 2℃（称为蒸发温度）左 右，而冷凝器中则为 60℃（称为冷凝温度）左右。 这里的水源虽然在冬季可能仅为 11℃，但却可以作为热泵系统的热源，因为当将它引入温度为 2℃的蒸发器时，它必然要把自身中的热能（称为内能）交给机组，变为例如 6℃排放出去。 获取了水源热能的工质被压缩机压缩到例如 60℃，在冷凝器中加热来自建筑物的系统循环水，由该水将热量带到建筑物的散热设备中。 总的来看，热泵能够从常温或低温（ 11℃）的环境中提取热量，以较高的温度（ 50℃）向建筑物供热。 过程中机组每消耗 1份高位能源（例如电能），能够从环境中提取 3 份以上的温差热量，建筑物 实际可以得到的 热量则为 4 份以上。 然而热泵技术应用的关键问题已不是热泵机组的效率有多高，而是需要有合适的低位能源或低温热源，以及整个系统的全面高效低能耗运行，以保证节能性。 污水及地表水源热泵 污水及地表水源热泵是以污水（包括地表水）作为低温热源，利用热泵技术回收或提取污水中的低温热能，其中污水包括市政管网中未处理的原生污水、污水处理厂已处理污水，地表水包括江河湖水、海水及污水处理后的再生水。 由于污水及地表水的水质条件较差，利用过程中又是开式循环，悬浮物和杂质成迅速的累积过程，因此提取热量时需 要解决防堵、防垢及低能耗运行等一系列可能影响到系统的运行效果、运行维护、投资、运行费的相关问题。 为应对污水或地表水水质条件，目前的系统多采用间接式系统。 先将污水或地表水的热量传递给清洁水，再由清洁水进入热泵机组，清洁水在污水换热器和热泵机组之间形成封闭循环，起中介热量传递作用，我们将其称之为“中介循环”，而污水或地表水的自身循环称之为“污水或地表水循环”，末端系统循环水在热泵机组与末端散热设备之间循环则称之为“末端循环”。 为此，污水与地表水热泵供热空调系统宏观上由三个子循环系统构成，即污水循环、中介循环 和末端循环，热泵机组的内部还有一个热泵工质（例如氟利昂）循环，即热泵机组的工作过程，宏观上不显现。 系统的主要设备包括污水泵、污水换热器、中介泵、热泵机组、末端泵。 如图 2所示，系统的工作过程如下： 污水泵取水井污水换热器热泵机组污水干渠污水循环中介循环末端循环45℃50℃4℃9℃6℃11℃末端泵 中介泵风机盘管 图 2 污水热泵供热空调工艺流程示意图 （ 1）首先， 11℃左右的污水或地表水经过污水泵提升，在无堵塞高效换热技术条件下进入污水换热器进行换热，将一定温差范围内（ 5℃左右）的温差热量传递给清洁水，再以 7℃左右排放至下游水源处，实现污水循环。 （ 2）然后， 9℃左右的清洁水经中介泵输送，在配置合理有效状态下进入热泵机组 进行释热，将从污水那里获取的热量传递给热泵机组，再以4℃左右再次进入污水换热器进行吸热，形成封闭循环，即中介循环。 （ 3）最后， 45℃左右的末端系统水经末端泵输送，同样在配置合理有效状态下进入热泵机组进行换热，将热泵机组从低温那里转化来的高温热量吸收，再以 50℃左右进入末端散热设备将热量释放给建筑空间，实现末端循环。 其中的技术关键是污水或地表水的高效换热循环，以及各子循环的有效匹配，实现系统的低能耗运行，达到真正节能环保的目的。 以原生污水热泵供热为例，如图 2 所示，其运行模式为：冬季 11℃左右的原生污水进 入热泵系统，变为 6℃左右后返回，留下了 5℃左右的低位温差热能，该热能为系统供热量的 75%，热泵工质经蒸发、压缩与冷凝进行低、高位热量转换，同时消耗相当于供热量的 25%的能量，并将这100%的供热量（ 50℃左右）传递给末端散热介质，末端散热介质再将这100%的供热量释放到房间，满足室内 20℃以上的热环境。 制冷空调时为上述过程的逆过程，但工况不同。 同类 产品 比较 在供热空调领域里，当前研究和应用的可再生性清洁能源系统包括太阳能供热及吸附或吸收式制冷系统、土壤源热泵空调系统、地下水源热泵空调系统、空 气源热泵空调系统以及工企业的余热回收热泵系统等，这几种低位能源的应用目前还存在一些问题与局限性： （ 1）空气源热泵在以供暖为主的寒冷地区受到室外温度的限制，能源利用效率很低，在以制冷空调为主的热带或亚热带地区不可避免地给城市区域带来热岛效应。 另外，空气热容量小，机组容量及项目规模受到限制。 （ 2）地下水源热泵存在的主要问题是：我国水资源贫乏，地下水作为可再生性冷热源受到水资源保护等问题的限制，井水回灌技术要求高，不合理的成规模应用可能引发环境地质问题，另外还有水井枯竭、老化等。 （ 3）土壤源热泵系统传热效率 低，埋管数量与占地空间很大，初投资高，在住宅密集度、容积率高的繁华城市区域内受到地理条件限制，机组装机容量要小，目前还难以实现大规模应用。 （ 4）太阳能与日照时间及昼夜变化有关，需要附辅热源或蓄能系统，太阳能集热器初投资很大，目前建筑用能还很难承当，仅限于太阳能热水器的使用，另外太阳能制冷系统还处于研制开发阶段。 （ 5）对于回收工企业余热的热泵系统，通常需要具体的定量设计，如何保证系统的真真节能，需要基于可靠的系统设计方法和先进的控制技术。 关键技术 污水与地表水作为低位热源或冷源有三个明显的特点 ，即“防堵塞”、“非清洁”与“小温差”换热，这三个特点都集中在污水循环子系统内，妥善地解决好污水循环是系统的关键换热技术，而三个循环子系统的合理有效匹配是保证系统高效低能耗运行的另外一个关键配置技术。 关键换热技术 （ 1）防堵塞。 未处理原生污水中含有大尺度悬浮物，包括纤维状的发丝类、纸屑类、藻状类，普通的换热设备是根本无法承受的。 而实践证明：已处理污水和地表水中的悬浮物含量相对较少，尽管与未处理原水不在同一数量级，但随着运行时间增长，堵塞问题也立即突现，原水的堵塞时间为 1～ 3d，而地表水则为 7～ 10d。 图 4是未处理原生污水的堵塞现象，图 5 是已处理污水的堵塞状况。 图 4 未处理原生污水的堵塞现象 图 5 已处理污水的堵塞状况 （ 2）非清洁。 污水（未处理原生水）中含有大量的小尺度悬浮固体、油类，以及溶解与非溶解化合物，很容易造成换热面的“瞬时污染”（ 2～3d），换热器内换热面上的软垢增长速度快，成分复杂（油膜、生物膜、颗粒等粘泥），严重地增大热阻，降低传热效果，并增大流动阻力，使流量减少，换热工况严重恶化。 已处理污水与地表水（江河湖海水）属同类，与未处理原水相比，相对清洁，但水源的利用为 开式循环，小时流量数百至上千立方米，污染成迅速的累积过程，易“短时污染”（ 7～ 10d），因此对热泵系统或换热过程也是“非清洁”的水源。 图 6是某地表水源热泵工程换热器和换热量衰减幅度图。 0 2 5 10 15 20 25 302250 1600 1200 1000 800 600 550 5000250500750100012501500175020xx22500 5 10 15 20 25 30T /dh/(W/m2℃) 图 6 某地表水源热泵工程换热器热热量衰减幅度图 （ 3）小温差。 我国大部分地区的冬季时段，污水水温 15℃以下，地表水 7℃以下，渤海与黄海近海域水温 3℃左右，提取水源的显热热能温差在 2～ 6℃范围内。 这使得换热设备的传热温差非常小，例如污水 15℃降至 10℃，中介介质由 6℃升至 11℃，则平均传热温差 4℃左右；若海水由 3℃降至 0℃，中介介质由 2℃升至 1℃，则平均传热温差 2℃左右。 如此小的取热温差，要求的水源水量则很大，对“非清洁”引起的污染问题就更不利。 而更小的传热温差，则需要增大换热面积或换热设备的数量，这不仅加大系统的建设投资，而且又增加了换热器的维护工作量。 防堵塞是系统的基本功能要求，污水循环若不具备防堵的能力，则系统根本不能运行，而非清洁则需要防污垢，防污垢与小温差换热直接影响到系统的经济性和维护操作的难易程度与工作量。 目前的污水热泵系统中的污水循环有两类实施途径 ，一类 是功能型的，一类是高效型的，功能型是指仅达到了使用的目的，高效型则是从本质上适应污水。 第一，采取高效防堵技术 ，例如污水热泵防堵机，再利用现有的换热器技术加以适当改造后的换热器，采取定期清洗污水换热器作为防垢处理的措施，即防堵机加普通换热器。 这是功能型的，是因为换热器不具备防堵能力，故此加设了防堵过滤设备，而现有的换热技术都是针对清水的，适当的改造来适应污水也只是一种应对措施。 这势必造成经济效益不明显，包括初投资和运行费，例如哈尔滨望江宾馆，哈尔滨太古商城。 第二，直接利用防堵型高效换热装置， 不设置任何过滤 措施，采用非常简单的清洗维护方案，以降低系统投资，提高换热效率，还使得系统的工艺流程简单，设备占地减小，具有明显的经济优势，完全达到了较传统 中央空调系统节省投资和运行费用 30%以上的经济指标。 例如哈工大南园餐厅，首都机场东污水处理厂。 本项目已由第一套功能型技术发展到了第二套高效型技术，其中防堵型高效换热技术装置分为两种定型产品，分为明渠式（ M型）和流道式（ B型）两类。 专利号为： ； ； ；。 关 键配置技术 国外（挪威、瑞典、日本等）从上世纪 7080年代开始建设大型热泵系统，包括污水源（已处理污水）、地表水源（河水、江水）、海水源热泵等，实例很多，规模也很大，热泵机组的装机负荷达 50MW以上。 近几年，我国开始大量推广应用热泵技术，包括土壤源、地下水源、地表水源、污水源等，其中水源热泵系统的应用开始向大规模化发展，尤其是污水厂污水源与地表水源，由于水量集中，水量大，热泵集中区域供热供冷的建筑面积由几万㎡到几十万㎡，甚至上百万㎡。 由于热泵系统的能耗主要是电能，与国外相比，我国以火力发电为主，发电效率 只有 33%左右，而国外的发电效率达 50%，其中水力与核电占有很大比例，这就决定了同样的热泵系统其能源消耗情况有一定的差异。 另一方面，大型热泵系统的主要问题又是介质的输送投资及其能耗问题，例如，当热泵机组的制热系数是 4，如果水泵等的辅助能耗达 30%，则系统的综合性能系数只有 ，而按 33%的发电效率计算，一次能源利用率只有 93%，而国外若按 50%的发电效率计算，则一次能源利用率可达 140%。 因此，我国大型热泵系统的成功与否，除需要解决一些重要的技术问题以外，影响系统能耗的设计也将是一个关键的问题。 而小型热 泵系统虽然没有大型热泵系统中显现出输送能耗问题，但是否设计成功，一方面是热泵机组、水泵、换热器等的容量是否匹配，这直接影响到系统的运行效果，另一方面是输送能耗是否超标，是否不高于20%，这关系到热泵系统的节能程度，以及是否节能的问题。 目前有一些系统的运行效果不好，经济效益不明显，也没有达到预期的节能指标，有些系统甚至根本不节能，除了由于水源问题没有解决好以外，系统的配置设计则是一个最主要的原因。 污水换热器 工艺流程 工艺流程图 适用范围 由于土壤、地下水、地表水、工业余热及城市污水等这些低温热源不具有运输性，因此只能因地制宜地加以利用。 只要有低温热源和热用户同 联箱焊接 出厂 管排焊渣清理 /校平 组件分装 方管下料焊接 上下 盖 板下料 法兰门 下料 整机防腐 侧板下料 管排 测试 整机总装 法兰门打孔 尺寸检测 水压。