污水源热泵知识问答 - 图文

1.什么是热泵？

热泵是一种可以利用低温热源，以少量的电能转换出多于电能本身数倍热量的装置。它是利用压缩机驱动管道内的制冷剂循环流动，不断的蒸发冷凝，通过制冷剂温差吸热和压缩机压缩制热后，把外界的热量源源不断地聚集起来。 2.什么是污水源热泵？

污水源热泵，是利用污水（城市原生污水，二级污水，江、河、湖水）资源作为热泵的冷、热源，通过热泵技术将污水中的低品位热能，转换为高品位热能的装置。

3.哈尔滨工大金涛污水源热泵系统工作原理？

污水热泵是以污水（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：

风机盘管热泵机组污水换热器污水干渠45℃末端循环4℃中介循环6℃污水循环50℃9℃末端泵中介泵11℃取水井污水泵

图1 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，达到真真节能环保的目的。

以原生污水热泵供热为例，如图1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。 4.污水源热泵系统的关键技术是什么？

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。

（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3 未处理原生污水的堵塞现象

图4 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，

2510152025污染成迅速的累积过程，30但水源的利用为开式循环，小时流量数百至上千立方米，2250160012001000800600550500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热热量衰减幅度图。 2250200017501500h/(W/m2℃)125010007505002500051015202530T/d 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。 5.哈尔滨工大金涛科技股份有限公司是如何解决污水源热泵系统的关键技术问题的？

哈尔滨工大金涛科技股份有限公司采用了自主研发的流道式污水源专用高效换热器解决了污水源热泵系统的关键技术问题。 6.哈工大金涛污水专用换热器工作原理，具体特点？

工作原理：污水与中介水在换热器内以纯逆流的换热方式换热。

具体特点：根据污水的特点，特殊设计了换热器的内部结构，无需任何前置水处理，即可通过污水中任意大小的悬浮物或颗粒。该换热器具有结构紧凑，效率高，抗污染，容易清洗维护的优点，是污水源热泵系统最合理、最有效的换热方式之一。

1、专利流道设计：采用了独特的单通流道，保证足够大的流通面积，最大限度的减少了污杂物的堵塞概率，同时在流道内保持合理的流速，使流体具有足够的携带能力，避免污垢在换热表面产生沉积，影响换热能力。另外，由于单通流道设计，使换热器的清洗工作相对得以简化。

2、防腐涂层设计：根据原生污水的水质特性，采用专用的涂层技术，对换热器的基体进行保护，在防腐蚀的同时，保证换热器的换热性能。而且防护涂层还兼具阴极保护功能，可进一步对换热器基体进行保护。 7.什么是热泵能效比？

热泵的制热量与消耗功率的比值。 8.污水源热泵系统能效比高低决定因素是什么？

1、取决于热泵的性能。2、取决于运行工况。3、取决于污水换热器的换热效率。4、取决于系统中热泵与水泵的合理选配。 9.利用污水源热泵系统时应注意哪些方面？

1、在采用污水源热泵系统之前，必须根据水源的实际情况进行可行分析和研究。适用原则：水量充足，水温适当，供水稳定。

2、选择理想的热泵主机。因为主机是整个系统的核心，它的质量的好坏直接影响这个系统的可靠性和使用效果。

3、各种辅助设备和材料要合理匹配。 10.污水源热泵系统是如何进行设计的？

首先根据建筑物的功能和使用要求，计算出系统的冷热负荷，并确定系统的冷、热源及空调系统的运行方式。污水源热泵系统常用的系统方式是：“一机一泵”，即一台主机关联一台污水泵，一组换热器，一台中介水泵，一台循环水泵以及电气控制设计。在设计时，把整个系统中所有相关联的设备作为一个系统工程来考虑，并对系统整体和流程进行优化，对设备选型、功效、数量、质量、价格进行优化，对选购材料质量、数量、价格进行优化，对污水引退水系统进行优化。

11.污水源热泵系统的特点是什么？

1、污水处理最大，水源稳定。主要来源为生活污水，集中排放。 2、污水冬暖夏凉。长期测量的数据表明，城市污水中具有较大的热量。北京地区冬天污水温度在13℃至17℃，高出日常气温20～30℃；夏天，污水水温为22℃至25℃，又比日常气温低了10℃。

3、全年的水温变化幅度较小。对北京地区而言，1月份和8月份的大气温差在40℃，河水的温差均在25℃，而城市污水的温差只有12℃，温度变化幅度较小，因而可在全年获得比较稳定的水温，可作为稳定的冷热源。

4、受气候影响小。例如太阳能就不能在夜间不能加以利用，而且还受阴天下雨等气候因素的影响，可以说是一种不稳定的热源。还有空气源热泵系统，因为室外气温在一天当中波动较大，所以也是一种不稳定的热源。城市污水受气候

影响非常小，在设备配置和系统运行上都非常安全可靠。

5、节能与环保潜力巨大，消耗约25%的电能即可提取75%以上的污水热能，得到100%的供热热能，系统能耗模式如图3所示。使电能的利用率提高到4倍，若按火力发电0.33的效率计算，系统的一次能源利用率高达1.33，再高效的锅炉效率也在0.9以下，考虑辅助能耗及热损耗，污水热泵空调系统的一次能源的节能幅度达45%以上。同时，CO2、NOx、SO2及粉尘的排放量也相应减少45%以上。另外，就具体项目本身而言，由于一套系统冬夏两用，全年供应卫生热水，具有显著的经济效益。较燃煤锅炉加冷水机组、城市热网加冷水机组、直燃机组等供热空调方式相比，节省初投资及运行费用均在25%以上。

消耗的电能2500大卡25%驱动吸收污水热量7500大卡75%污水热泵系统性能系数=4供热量10000大卡100%室内

图2污水热泵供热空调系统能耗模式示意图

12.污水源热泵系统的优势是什么？与普通水源热泵的比较?

我国北方地区，冬季采暖主要是依靠煤、石油、天然气等石化燃料的燃烧来获得。采暖与环保成为一对难以解决的矛盾。城市污水是北方寒冷地区不可多得的热泵冷热源。它的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，这种温度特性使得污水源热泵比传统空调系统运行效率要高，节能和节省运行费用效果显著。

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。 13.水源热泵在利用污水换热的历史发展有哪几个阶段？各自的应用情况？

第一阶段：利用防阻机过滤原生污水，过滤后的污水进入一般的板换换热。过滤效果差，易堵塞换热器。

第二阶段：原生污水直接进入专用污水换热器换热。无堵塞，连续使用效果好。

14.现代节能建筑的系统供水温度是多少？（分别就地热和风盘的采暖方式谈）

地热采暖的建筑系统供水温度为35～40℃；风盘采暖的建筑系统供水温度为：50～55 ℃。

15.北方地区污水源热泵的基本运行工况是多少？（即冷冻水的进出水温度是多少？）

冷冻水的进水温度在6～9℃ ；出水温度在3～6℃。 16.污水热泵系统的换热温差指什么？

是指换热器内，中介水进出水温度与污水的进出水温度的对数平均温差或算术平均温差。

17.哈工大金涛污水专用换热器维护周期是多久？

一个采暖季为一个维护周期。

18.污水源热泵系统中水泵选择需要注意什么？

中介水泵的选择要考虑换热器的阻力，扬程应加安全系数；污水泵的选择流量要大些，因为考虑到污水的粘滞性。 19.污水取水的基本方案是？

在干渠的取水处建方涵，然后在干渠上开孔与引水管连通至泵坑，此处的引水管应不小于3‰的坡度。

20．应用污水源热泵的意义有哪些？

供热空调的能源消耗占社会总能耗的比例大达30%，而环境污染的20%也是由供热空调燃煤引起的。因此，采用热泵技术，开发低位的、可再生的清洁能源用于建筑物的供热空调意义重大，是建筑节能减排的有效途径之一。这些能源包括：大气、土壤、地下水、地表水、工业余热及城市污水等等。其中污水在数量（水量）、质量（水温）及分布规律上（地理位置）具有明显优势。预计2010年我国污水排放量达720亿t/a，水温全年在10-25℃之间，按开发50%的水量计算，可供热空调的面积至少在5亿㎡以上。另外，原生污水均匀地分布在城市地下空间，为因地制宜地有效利用及建设分散式的热泵供热空调系统创造了有利条件。而地表水源在南方水源丰富的地区以及沿海城市更具有广阔的应用前景。 21．污水源热泵在我国各地应用的分布情况？

黑龙江省：佳木斯、牡丹江。吉林省：四平市、通化市。辽宁省：大连。北京市，天津市。河北省：石家庄。内蒙古：包头市。山西省：临汾。 22．哈尔滨污水处理厂的进水水质？

COD5≤350mg/L BOD5≤200mg/L SS ≤250mg/L NH4—N≤35 mg/L TN ≤45mg/L TP ≤5.0mg/L

COD（化学需氧量，ChemicalOxygenDemand）区别：COD,化学需氧量是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量。水样在一定条件下，以氧化1升水样中还原性物质所消耗的氧化剂的量为指标，折算成每升水样全部被氧化后，需要的氧的毫克数，以mg/L表示。它反映了水中受还原性物质污染的程度。该指标也作为有机物相对含量的综合指标之一。

BOD（Biochemical Oxygen Demand的简写）：生化需氧量或生化耗氧量。BOD，生化需氧量（BOD）是一种环境监测指标，主要用于监测水体中有机物的污染状况。一般有机物都可以被微生物所分解，但微生物分解水中的有机化合物时需要消耗氧，如果水中的溶解氧不足以供给微生物的需要，水体就处于污染状态。BOD才是有关环保的指标！

SS：指悬浮在水中的固体物质，包括不溶于水中的无机物、有机物及泥砂、黏土、微生物等。水中悬浮物含量是衡量水污染程度的指标之一。悬浮物是造成水浑浊的主要原因。水体中的有机悬浮物沉积后易厌氧发酵，使水质恶化。中国污水综合排放标准分3级，规定了污水和废水中悬浮物的最高允许排放浓度，中国地下水质量标准和生活饮用水卫生标准对水中悬浮物以浑浊度为指标作了规定。

NH4—N：氨氮：动物性有机物的含氮量一般较植物性有机物为高。

TN:总氮指有机氮和无机氮的总和。无机氮包括氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮。 TP：总磷，在天然水和废水中，磷几乎都以各种磷酸盐的形式存在，它们分为正磷酸盐，综合磷酸盐（焦磷酸盐、偏磷酸盐和多磷酸盐）和有机结合的磷酸盐。水是磷的测定，通常按其存在的形式，而分别测定总磷、溶解性下磷酸盐和总溶解性磷。 23．污水源热泵在国内外的发展现状？

国外（挪威、瑞典、日本等）从上世纪70-80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㎡。

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