污水源热泵节能与环保价值.docx
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污水源热泵节能与环保价值
污水源热泵节能与环保价值
1、节能与节煤
采暖时每使用一吨污水，可获取5000--10000千卡热能（与冬季污水的水温条件有关），相当于1.5--3kg燃煤供热的有效热值。
如果考虑本项目使用的是火电，即所使用的电力原来也是燃煤发出的，则有如下粗略计算：
燃煤发电的效率为1/3左右，热泵的能源利用效率为400%左右，两者综合得到热泵供热的能源利用效率为3/4=1.33。
而直接燃煤供热的能源利用效率仅为0.6左右（考虑到锅炉效率，输运损失，不平衡时调节不利的损失等）。
两者比较可知热泵供热比燃煤供热节煤55%。
如果按使用的是水电考虑，则与燃煤完全无关。
该项科技成果相当于找到了一个巨大的环境能源。
全国全年排放污水总计600亿吨左右，此外，该项技术成果可以很容易地推广应用到使用江、河、湖、海等地面水。
利用这些水中的热能资源解决我国南方广大地区的采暖问题是完全可行的，大力开发每年可节煤上亿吨。
2、环保
在冬季采暖时，燃煤1kg将向大气排放3kg左右的。
本成果在全球的推广应用将减少多少温室气体排放！
在夏季空调工况中，空调废热被排放到了污水中，而不是像常规空调那样通过冷却塔排放到大气中。
这对夏季炎热的南方城市有特殊的意义，可完全避免所谓“空调越开，城市越热”的所谓“热岛现象”。
具体工程项目的经济效益
1、初投资
利用本成果建成的工程项目一机三用：
夏季空调，冬季供暖，全年供热水，而且夏季是使用空调废热无能耗地制备热水。
与冬季接热网或自备锅炉房，夏季中央空调的常见方案相比，热泵空调主机投资相同，本方案多投入污水处理设备，但省下了空调冷却塔和热网入网费或锅炉房费用，以及大量的占地空间。
总体估算节约初投资30%左右。
与地源热泵或地下水源热泵系统相比，净节省耗资很大的打井费用。
2、运行费用
夏季空调时由于污水对机组的冷却效果要好于冷却塔，故机组的COP值高于传统系统，夏季约可节电10%。
冬季采暖的成本主要是燃料费。
燃煤、燃油、燃气、燃电诸方式无论采用哪一种，即使将初投资分年度折旧计入，燃料成本均还要占80—90%。
各种采暖能源的燃料成本比较见下表
名称
燃料热值
q
转化总效率
η
燃料单价
c
燃料成本
（元/GJ）
煤
5000kcal/kg
0.6
400元/t
32
油
12000kcal/kg
0.85
4000元/t
95
天然气
8000kcal/m3
0.88
2元/m3
67
人工煤气
3500kcal/m3
0.88
1.00元/m3
77
电锅炉或
电热膜
3600kJ/kwh
1
0.47元/kwh
130
水源热泵
4
0.47元/kwh
32
由表中数据可见，燃料成本最低的仍然是燃煤供热，水源热泵在采用民用电价时是可以与之相媲美的。
燃油与燃气的燃料成本均要高出1-2倍。
直接燃电要高出3倍。
冬季采暖的运行费用大都略高于燃料成本，但燃煤采暖除外。
城市热网包括管理费在内的实际收费约为其燃料成本的1.8倍。
由此可见，水源热泵的运行费用是其它热源无法比拟的。
实施条件及程序
系统特点
1、高效、节能《节能率30℅—75℅》该系统的运行方式，使能量输入与输出之比达到1：
4以上，即输入1千瓦的电能，就能够得到4千瓦以上的能量，节能30—75%。
采暖费与燃煤供热相比为70%，与燃气相比为50%、与燃油相比为30%。
采暖时每使用一吨污水，可获取5000——10000千卡热能，相当于1.5㎏—3㎏标准煤供热的有效热值。
2、绿色环保 该系统不需要锅炉、冷却塔等设备。
没有煤、油及天然气燃烧排放物污染，无室外机，不会产生令人不适的热岛效应，噪音大大地于传统空调。
在冬季取暖时，利用一万吨污水为建筑物供热4个月，可减CO2排放量5040吨。
3、寿命长，维护费低 该系统主机设备使用寿命长达25年，污水防阻机和污水换热器寿命长达20年以上，系统不设室外机，不设冷却塔，设备维修简单，费用低，正常使用条件下无须维护。
4、一机多用，占地小 系统一机多用，一套系统可以代替原来的锅炉加空调两套装置。
可以实现供暖、供冷、供热水三联供。
机房占地面积只是原来的1/3。
5、运行稳定，安全可靠 污水的温暖度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于室外气温的波动，使得热泵机组运行可靠稳定。
污水源热泵系统使用电能驱动热泵，吸收污水热量（或向污水排放热量），无须燃烧设备，从而不存在爆炸，燃烧等隐患。
6、应用广泛WFJ污水热能采集装置分为：
1型和11型，1型适用于对固体污杂物含量较高的城市原生污水。
11型适用于对江、河、湖、海水等含有少量悬浮物的地表水源。
实施条件及程序
实施目标 污水源热泵空调系统经过五年的成功实践，积累了丰富的经验，凭借我们成熟的技术、先进的设备以及配套设施，全面为用户提供服务。
实施条件 应用建筑须提供符合要求的电力（220V—380V），建筑物附近必须有足够的污水源，利用地表水作为冷热源时水温必须达到4℃以上。
实施程序 根据用户提供的建筑图纸，污水源及地表水温度（冬季）的资料及使用要求，从技术咨询开始，进行深入细致的可行性调研，为用户出具可行性建议方案书和投资概算，在得到用户认可后，接受用户委托进行详细的施工图设计并提供施工预算，签订系统安装合同，完成系统安装，经调试验收合格后，交给用户使用。
节能环保效益高 原生污水源热泵系统为冷热源，冬季供热、夏季空调和全年供生活热水。
供热时省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排烟污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音及霉菌污染、大气污染。
不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，环境效益显著。
2010年，我国年污水排放量将达500亿立方米，若大力开发利用，同时加大对江、河、湖、海水的开发，年节省标煤量可达亿吨以上（占全国总能耗的3℅，建筑能耗15℅），同时每年可减少CO2排放数亿吨。
污水源热泵中央空调与常规中央空调特点比较
项 目
污水源热泵空调
溴化锂吸收式
直燃机组
水冷机组＋燃油（气）
热水锅炉
水冷机组＋
电热锅炉
家用空调
水资源消耗
利用原生污水和地表水的热量，不消耗水资源
夏季冷却水消耗量为循环量的1-2%，冬季供热排污补水
夏季冷却水消耗量为循环量的1-2%，冬季供热排污补水
夏季冷却水消耗量为循环量的1-2%，冬季供热排污补水
不消耗水资源
能源消耗
电能，能效比为4-6以上
燃油或燃气，能源利用系数80%
夏季：
利用电能效比为3.5-4.5；冬季：
燃油或燃气，能源利用系数80%
夏季：
利用电能，能效比为3.5-4.5；冬季：
能源利用系数90%-95%
电能，额定工况下能耗比3.0-3.5随气温不同有较大变化
环境保护
无燃烧，无热岛效应，零污染
有燃烧污染，冷却塔有一定的噪音和水霉菌污染
有燃烧污染，冷却塔有一定的噪音和水霉菌污染
无燃烧污染，冷却塔有一定的噪音和水霉菌污染
噪音较大
设备维护和
运行费用
设备维护方便、运行费用节约30-75%
水泵和冷却塔能耗较大，机组冷量衰减快，维护和运营费用高
需要制冷和加热两套机组和人员，运行维护复杂，锅炉房需要设置安全措施
需要制冷和加热两套机组和人员，运行维护复杂，冬季运行费用高
热泵性能受到气温影响大，运行费用较高
控制灵活性
运行自动控制
集中控制，不能单独选择制冷和制热
集中控制，不能单独选择制冷和制热
集中控制，不能单独选择制冷和制热
集中控制，不能单独选择制冷和制热
占地面积
机房占用面积较小
机房占用面积较大
需要冷冻房和锅炉房，占用面积较大
需要冷冻房和锅炉房，占用面积较大
安装在屋内或室外，安装繁琐维修不便
设备寿命
20-25年
10-15年
冷水机组20年
燃油锅炉10年
冷水机组20年
电锅炉15年
10年
技术领域与特征
1、建筑物的采暖与空调耗能巨大，其中采暖主要在消耗矿物能源。
建筑物的采暖与空调能耗在国民经济总能耗中占有相当大的比例（工业发达国家可占到40%），其中有相当的比例仍在采用传统的矿物能源。
地球上的矿物能源是有限的，而且其燃烧过程必然污染大气环境。
社会的可持续发展战略将能源与环保列为两大主题。
按照这一战略要求人们在积极地寻求替代能源，特别是那些来自于大自然环境的清洁的可再生的能源，例如太阳能、风能、潮汐能等等。
2、热泵供暖与空调是一项既节能又环保的技术。
热泵能够使用少量电能从环境（水或空气）中攫取大量冷、热能量去满足建筑物对冷、热的需求。
在将电能的利用率提高四倍或以上的同时，对环境是零污染。
上述替代能源大都需要通过热泵加以利用。
3、城市污水是热泵空调理想的冷、热源。
热泵是需要环境能源的，例如天然水、河水、空气等，又称低温热源。
而这种合适、可用的低温热源却并非处处都有。
例如在我国北方严寒地区，冬季室外大气温度太低，已无法被用作热泵的热源；根据传统的技术，可作为热泵冷、热源的只有地下水，而地下水的开采是受限制的。
城市污水温度适宜稳定，冬季在严寒地区也有100C以上，是丰富的热源；夏季20几摄氏度是空调废热理想的排放处。
城市的生活污水虽然水质很差，但酸碱度适用（PH=7）。
对管路设备无严重的腐蚀作用，一般可采用碳钢材质做污水换热器。
城市原生污水遍布城区，凡在建筑需要采暖空调之处，均有污水的排放。
其数量浩大，建筑物排放污水中所含的热能足以供应1/6左右相应建筑面积采暖空调的能耗。
4、实现无堵塞连续换热是城市原生污水作为冷、热源的技术关键。
本成果已经解决城市污水冷热源的技术关键在于在取、排热过程中如何防止
恶劣水质对换热设备的堵塞与污染。
此前在世界范围内还没有城市原生污水作为热泵冷热源成规模应用的工程实例和研究成果（供应几百平方米建筑采暖空调很小规模的浸泡式工艺除外）。
已有的研究成果和工程实例均是利用污水处理站中的二级出水的。
这种水的水质已相当好，作为热泵冷热源本来就没有原则上的技术困难。
因此，以往城市污水源热泵只能建在污水处理站附近，去供应污水处理站附近的建筑，其使用范围和开发空间是很有限的。
在暖通空调新能源开发利用领域中，真正有吸引力的是将城市原生污水开发成为热泵冷热源。
为解决恶劣水质对换热设备及管路的堵塞与污染问题而进行传统意义上的水处理是不可行的，因为即使采用最简单的水处理工艺，其处理成本也要大大地高于热泵从水中取热与取冷的价值，况且在城区水处理工艺的占地也成问题。
本技术成果初步，但成功地解决了这个问题。
采用该项技术与设备，可以保证在采用城市原生污水时换热设备无堵塞地长时间运行，附加设备体积小，价格低廉，从而使大规模地使用城市原生污水作为热泵冷热源成为可能。
污水源热泵的特点与优势
城市原生污水是暖通空调非常重要不可多得的新能源。
城市污水水量巨大，温度适宜，与现有水源热泵机组蒸发与冷凝的工作温度有良好的匹配。
根据城市原污水的特点研发的原生污水源热泵关键技术已成功应用到多个工程中。
本文研究分析了哈尔滨望江宾馆、太古商城和大庆恒茂商城城市原生污水源热泵空调工程三个成规模试点工程的运行工况，表明了本文所开发的城市原生污水源热泵系统不仅有重要的社会意义，同时也说明污水源热泵系统初投资与运行费均较低，系统一次能源利用率较高，应用潜力巨大。
污水源热泵的特点与优势
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。
原生污水热泵空调系统是哈工大自主创新的专利技术，包括多项发明专利与多项专有技术及产品，被中国工程院院士及国家设计大师平为世界首创、国际一流。
原生污水源热泵机组以原生污水为热源，冬季采集来自污水的低品位热能，借助热泵系统，通过消耗部分电能，将所取得的能量供给室内取暖；在夏季把室内的热量取出，释放到水中，以达到夏季空调的目的。
它有以下特点：
1.环保效益显著
原生污水源热泵是利用了城市废热作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统，污水经过换热设备后留下冷量或热量返回污水干渠，污水与其他设备或系统不接触，污水密闭循环，不污染环境与其他设备或水系统。
供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排烟污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音及霉菌污染。
不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，环境效益显著。
我国年污水排放量达464亿m3，可节省用煤量0.33亿吨，以全国年总能耗30亿吨标煤计算，达到了1.1%，若按暖通空调的一次能源消耗量10亿吨标煤计算，达3.3%。
同时每年可减少排放量达72万吨。
2.高效节能
冬季，污水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。
而夏季水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。
具有可用冷热量的单位污水量，污水源热泵系统为建筑物供暖需消耗1.33的一次能源，相对燃煤系统可节省0.64的一次能源。
设单位污水量以100m3计，所能利用的显热温差为5℃，则可利用冷热量为=2.1×106kJ。
供暖时：
可节省一次能源（燃煤）1.34×106kJ，相当于71.3㎏（22.8元）燃煤。
可节省一次能源（燃气）0.651×106kJ，相当于40.7m3（48.8元）燃气。
制冷时，可节省一次能源（燃煤）0.357×106kJ，相当于19㎏（6.1元）燃煤。
可节省一次能源（燃气）0.168×106kJ，相当于10.5m3（12.6元）燃气。
3.运行稳定可靠
水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。
不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。
4.一机多用，应用范围广
此热泵系统可供暖、空调，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。
城市污水热泵空调系统利用城市污水，冬季取热供暖，夏季排热制冷，全年取热供应生活热水，夏季空调季节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。
5.初投资、运行费低
城市污水源热泵系统具有初投资低，运行费低的巨大经济优势。
实际工程（北京悦都大酒店、北京弘丽苑大厦、山西省产权交易市场、哈尔滨望江宾馆、哈尔滨太古商城）运行效果良好，经济效益显著。
污水热泵系统的机房面积仅为其他系统的50%。
系统根据室外温度及室内温度要求自动调节，可做到无人看管，同时也可做到联网监控。
污水热泵系统原理简单，设备的可靠性强，维护量小，平时无设备的维护问题。
以哈尔滨地区为例，每万㎡建筑物供暖热指标650kW，供冷冷指标1200kW，原生污水源热泵系统与其他各系统运行费用估算比较如图2所示（燃煤等系统未计排污费）。
图2所示的对比结果表明污水源热泵系统（USSHP）较燃煤系统节省运行费10%左右，这是在末端耗热量相同条件下，通过比较所花燃料成本计算得到的。
而实际污水源热泵系统在此基础上还可节省30%左右的运行费，是系统实施自动控制后，在节能与运行维护方面获得的效益。
这就是通常热泵厂家在计算热泵系统的运行费时，在考虑平均热负荷系数之后，又提出其机组的负载率为70%，因此运行费用进一步减少了30%。
我们给出了污水源热泵系统的运行费由47元/m2降至33元/m2（USSHP），正是出于这种考虑。
原生污水源空调系统能源新战略
能源战略新目标
据世界能源组织统计，全球煤炭预计可采200年，石油可采30—40年，天然气可采60年，在全球能耗以每年5%的增长速度下，化石燃料能源预计还能使用一二百年，世界能源短缺形势严峻；我国人均能源贫乏，人均拥有量仅为世界平均值的1/2和美国的1/10。
能源短缺问题更加严重。
节约用能和开发新的能源已经成为全人类共同面对的迫切问题。
我国已将节约资源和保护环境作为基本国策，将其提高到关系人民群众切身利益和中华民族生存发展的高度，放在工业化、现代化发展战略的突出位置，要求落实到每个单位、每个家庭。
巨大的能源
全国每年排放城市生活污水500亿吨左右，按温度升高或降低5°C计算，若全部开发所贡献出的热和冷10亿GJ，这部分热量可供20亿m2建筑和制冷。
全国江河湖海水资源更是丰富，以长江为例，冬季枯水期的水流量也有1.5万m3/秒，按温度升高或降低1℃计算，则相当有63000GJ的冷热源。
可供采暖或空调建筑面积为10亿m2。
如果将湖泊包括在内全国其它淡水水体的潜在热能都计算在内，数字将大得难以统计。
主要城市日污水排放量与可满足供暖面积表
项 目
北京
天津
上海
南京
无锡
杭州
宁波
合肥
广州
厦门
沈阳
大连
长春
哈尔滨
日污水排放量万m3
350
200
540
110
80
140
100
100
170
77
208
100
100
108
可满足供暖面积万m2
1400
800
2160
440
320
560
400
400
680
240
832
400
400
432
理想的冷热源
城市污水温度适宜，冬季在严寒地区也有10℃——18℃以上，是丰富的热源。
夏季20℃——28℃是空调废热理想的排放处。
城市的生活污水虽然水质很差，但酸碱度适中（PH≈7），对管路设备无严重的腐蚀作用。
南方江河湖海水的水温冬季温度都在4℃以上，夏季温度在28℃以下。
因此都可作为热泵空调系统的冷、热源。
部分地区地面水冬季最低水温表
地 区
上海
上海
南京
杭州
西安
地面水体名称
西沟河3.5m深处
黄浦江江边
秦淮河2m深处
京杭大运河4m处
西安护城河1.5m深处
水 温
4℃
5℃
4.5℃
5℃
4.5℃
控制系统
以北京悦都大酒店的控制系统进行说明
为了更方便用户对本系统的操作与管理，本公司特别采取数字化控制技术，加上我公司在该领域的开发与实践经验，精心设计了具有特色的控制系统。
操作方便
采用可编程控制器组成控制核心，配以彩色液晶触摸屏，实现了对系统精确控制。
自行诊断功能
标准化的自行诊断故障软件程序，随时检测机组的工作过程，方便操作员快速定位设备的异常情况。
适应负荷性能强
系统按要求可提供精确的温度控制，精确的温度控制保证了优越的出力与负荷随动性能，机组出力大小快速依随负荷的变化而自动调整，从而使机组耗能完全取决于用户负荷的大小，可直接控制运行成本。
远程控制
专为客户开发的远程控制界面，可在PC机上以图形、动画、曲线、表格等方式显示机组的信息。
系统流程示意图
原生污水源热泵方式图
说明：
利用原生污水源热泵空调系统根据工程实际情况方案有四种（如上组合链）：
第一种方案：
原生污水经过智能污水防阻机过滤后，直接进入原生污水专用热泵机组
第二种方案：
原生污水进入自清洗防堵塞热能采集器与中介水进行换热后，再由中介水进入满液式热泵机组
第三种方案：
原生污水经过智能污水防阻机过滤后进入污水专用板式换热器与中介水换热，再由中介水进入满液式热泵机组
第四种方案：
原生污水经过智能污水防阻机过滤后进入污水专用壳管式换热器与中介水换热，再由中介水进入满液式热泵机组
污水源热泵的发展与应用
污水源热泵的发展与应用
1、国外研究应用进展
对城市污水源热泵空调系统的研究，日本、挪威、瑞典及一些其它北欧等供热发达国家比较活跃。
最早起源于杨图夫斯基（前苏联）等人对河水、污水、海水的利用探讨，1978年，杨图夫斯基等人对热泵站供热与热化电站、区域锅炉房集中供热进行比较，得出热泵站供热可节省燃料20%-30%，并提出利用莫斯科河水作水源热泵站区域供热方案。
1981年6月，瑞典在塞勒研究开发了第一个净化污水源热泵系统。
自此发达国家纷纷投入大量的财力和人力进行此项研究，并取得了一定的发展。
针对污水水质问题，以挪威、瑞典为代表的一些国家，开发出淋水式污水换热器污水源热泵系统，典型实例是挪威奥斯陆1980年开始建设利用未处理城市污水作为热源的热泵站，1983年投入使用。
奥斯陆利用未经处理污水做热源的热泵站位于地下污水干渠（新建污水干渠）旁，污水干渠中的污水经格栅流入污水泵的吸水池，然后通过缝宽2mm的自动筛滤器，粗粒污水通过排污管排入下水管。
水由水泵输送，经粗孔喷嘴均匀淋在板式蒸发器上，使水成膜状流动。
被冷却后的水返回下水道中，每台热泵有一台蒸发器，其淋水量360t/h。
每台板式换热器设计负荷为1500kW，有80个板组，每个板组为4m2，这些板组分两层叠置。
水的流程为4m。
蒸发器每3-5天用高压水冲洗，每年有1-2次化学清洗。
瑞典1982年建成了最大的污水源热泵站，使用二级出水，供热量为39000Kw。
目前，瑞典斯德歌尔摩有40%的建筑物采用热泵技术供热，其中10%是利用污水处理厂的出水。
日本也是利用城市污水低温热能很早的国家之一，开发出壳管式污水源热泵系统，东京政府从1987年开始启动城市污水热能回收项目，现有12个热泵系统在运行，四套设备使用污水泵站的未处理城市污水作为热源（实际为一级出水），另外八套设备使用二级或三级出水。
俄罗斯莫斯科市乌赫托姆斯基小区也建有用处理后的城市污水作为低温热源向生活小区供热的热泵系统。
2、国内研究应用进展
国内应用较早、较为突出的是北京高碑店污水处理厂的二级出水。
2000年，北京市排水集团在高碑店污水处理厂开发了污水源热泵实验工程，空调建筑面积900m2，这是我国最早的城市污水源热泵系统。
2001年，大庆开发区富尔达公司开发安装了一套未处理污水源热泵系统，空调建筑面积700m2，采用浸泡式方法，是我国最早的未处理城市污水源热泵系统。
继此之后，北京市排水集团、哈尔滨水泵二厂又分别投建了个别小型污水源热泵试验工程。
2003年，大庆富尔达公司及哈尔滨工业大学共同开发应用了哈尔滨望江宾馆、大庆恒茂商城污水源热泵系统工程、目前哈尔滨青年宫（清华同方开发）正在建设，三工程均为原生污水源热泵工程。
近几年，北京工业大学以高碑店为实验对象，针对污水的水质特点专门设计了污水换热器，该污水换热器属浸没式，但制冷剂与污水直接换热，无中介系统。
经过实验探讨，分析了污水低位能源开发利用的可行性及运行过程中的能效状况。
在此基础上，比较了利用污水源与其他能源的技术经济，论证了污水源的实用性和应用前景。
吉林建筑工程学院对污水源利用的系统形式（包括间接利用、直接利用）、污水源的节能性、环保性、经济性做了深入探讨，调查了我国可利用污水源热能的分布情况。
哈尔滨工业大学以试点工程为实例，针对污水中大尺度杂物问题，研究开发了污水冷热源的应用工艺与装置，对壳管式污水源热泵系统做了深入的理论研究与实验、应用设计。
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