污水源热泵文献综述Word下载.doc
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我国余热普遍存在，特别冶金、化工、纺织等行业的生产过程中、城市排放生活污水中存着这丰富的余热资源。
这些余热余压以及其它没有得到利用的余能不仅造成能源的浪费，而且还污染了环境。
1.1工业余热
统计数据表明，我国工业余热资源的回收率仅为33.5%[3]。
回收利用潜力巨大。
城市消耗了全球近60%的水资源，它排放的污水中的余热巨大，回收价值高。
工业余热按照能量形态分为三大类，即载热性余热、可燃性余热和有压性余热。
（1）载热性余热
载热性余热指的是工业生产过程中排出的废气和物料、产物等所带走得高温热以及化学反应热等。
例如：
燃气轮机、内燃机等动力机械的排气，钢厂产品所携带的热，钢厂厂冷却水、凝结水所携带的显热，炉窑产生的高温烟气、高温炉渣、高温产品等。
（2）可燃性余热
可燃性余热是指工艺装置排放出来的、具有化学热值和物理显热还可以做燃料利用的可燃物。
例如焦炉气、木屑、炼油气、矿井瓦斯、油田伴生气等。
（3）有压性余热
有压性余热通常又叫余压（能），它是指排气、排水等有压液体的能量。
因为工业温度的温度是衡量其质量的重要标准，而其温度的高低亦影响余热回收利用的方式，所以余热也通常按照温度高低分为：
高温余热（高于650度的余热资源）；
中温余热（温度在200-500度的余热资源）；
低温余热（温度低于200度的气体以及温度低于100度的液体）。
1.2生活余热
（1）空调冷凝热
目前空调制冷系统依然是电制冷机组。
电制冷的工作原理决定了其在制冷过程中产生巨大的废热，这些废热排放到大气中构成热污染，加大城市的“热岛效应”。
据测算，一座面积5万平方米的现代建筑，冷负荷为5000KW，而冷凝废热排放高达6500KW[4]。
如果将这些废热回收，不仅可以减少向大气中排放的废热，减少大气污染，而且可以减少能源的消耗。
（2）污水废热
城市污水具有流量大，温度波动范围小，冬暖夏凉，可靠性强等优点，是一种理想的冷热源。
截止1996年底，全国600余座城市年排污总量约353亿,处理量为83亿，处理率23%。
1998年，城市污水处理量已经增加到350亿[5]。
2007年，全国城市生活污水集中处理率达到51.95%。
截止到2008年，全国生活污水排放量达到330.1吨[6]。
由上述的数据可以看出，城市污水中的废热具有巨大的资源潜能，有效的利用城市中污水的热能可以大量省去大量燃煤、燃气、燃油等锅炉放系统。
这种能源利用方式没有燃烧的过程，避免了排烟污染，既节约了能源，减缓能源危机的压力，并且对环境没有任何污染。
据日本东京地下水道局的测算，如按照东京区10个污水处理厂的污水量计算，可利用电能约,相当于KW的电采暖或的液化气的热值[7]。
我国每年污水排放量约为464[8],可以利用的热量可供采暖空调面积为5亿立方米以上[8]。
根据以上所述，污水中含有大量的可用废热，且作为一种清洁能源，对环境没有污染，节约能源，因而具有很大的研究价值。
1.3中国城市污水源现状
随着经济高速的发展，我国城市化进程加快，城市污水排放量增大。
1997，我国城市污水排放量为189亿吨，占总废水排放量的45.4%。
2008年我国城市污水量达到330亿吨，占总废水量的57.7%[9]。
在这种背景下，合理地开发适合城市污水中的废热资源具有重要的意义。
城市污水分为三大类：
原生态污水、一级污水、二级污水。
原生态污水指未经过任何处理的污水。
一级污水指经过格栅截留、沉淀、离心分离等物理方法去除污水中的悬浮物，砂砾等物质后的污水。
二级污水指经过大幅度去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物生物处理后的污水。
城市污水具有以下特点特点：
（1）.水温稳定。
城市污水冬暖夏凉，常年水温稳定，污水温度在冬季比环境温度高15-20度；
夏季比环境温度低10-15度，因而是良好的热冷源。
（2）.污水资源大，可利用热量大。
全国每年排放的城市污水接近600亿吨，使用每一立方米的水温降低亿吨较一立方米的空气多放出1.16KW的热量。
（3）.水质。
城市污水排放后，其自身含有的悬浮物、油脂类物质对管路、换热设备造成污染和堵塞。
城市污水涉及到两个问题，一是大尺度污染物（如塑料袋、废纸）对系统的堵塞；
二是小尺度污染物（如固体颗粒与纤维状杂物）堆流动与换热的影响[10]。
二．热泵技术的发展及分类
2.1热泵技术的发展
1854年，热泵技术被提出后，经历了曲折的发展过程。
随着能源危机和全球变暖的环境压力日益增强，热泵技术以其优越的节能环保性能受到世界各国的关注。
从20世纪90年代开始，热泵发展总体处于上升趋势，21世纪以来，热泵技术的发展和推广进入了高速发展的阶段。
我国各种低温余热资源丰富，各产业余热资源占燃料消耗量的17%-67%，其中可回收利用的占余热资源总数的60%[11]。
因而，利用热泵技术对余热进行回收利用，可以缓解能源危机，具有巨大的节能潜能。
热泵不仅能够利用余热资源，它还可以与清洁的太阳能热利用系统有机结合，实现优势互补，进一步降低能耗[12]。
热泵技术作为节能减排的一种技术，具有广阔的推广前景。
它的推广也会给国家和企业带来节能和环保效益。
随着热泵技术的发展，它在生活中的应用越来越广。
生活热水供应以及热水采暖是热泵技术在供暖方面的一项重要应用。
作为一种新型的热水系统，热泵热水器相比于电热水器、燃气热水器具有高效节能、环保、经济、安全等优点。
同太阳能热水器系统相比，热泵热水系统虽然消耗一定量的电能，但是它受气候影响较小，且可以全天候运行。
随着建筑生活热水供应及采暖方面的能耗的日益增加，热泵热水系统的应用得以推广[13-14]。
热泵干燥是近年来热泵系统技术应用于加工生产的主要方面之一。
20世纪70年代以来，美、日、法等过就开始了对热泵干燥技术的研究。
热泵干燥相对传统干燥技术，其干燥温度接近于自然干燥，因而用其来干燥粮食、水果（例如荔枝、龙眼等）、鱼类等，能够充分保持被干燥物的品质。
节约能源是热泵干燥的初衷。
热泵干燥技术相比于传统的干燥机组节能50%左右。
热泵技术在暖通方面的应用也很广泛，例如：
通过四通换向阀的切换，空气源热泵即可应用于冬季制热也可应用于夏季制冷。
换热器结霜问题是影响其推广的重要因素，但是随着近年来，醉着蒸发器除霜技术的逐渐成熟，热泵技术在冷暖空调方面的应用也越来越广泛[15-16]。
2.2热泵的分类
热泵按其热源来分主要有：
水源热泵、地源热泵、空气源热泵和复合热泵。
2.2.1水源热泵
水源热泵是利用水作为冷源的热泵。
水源热泵是通过输入少量高品位能源，实现低温位热能向高温位热能转移的目的。
其系统如图1所示。
地下水、地表的河流、湖泊海洋等千层水源富含太阳辐射的能量，在冬季可以借助水源热泵，通过输入少量的高位电能，使其中的低温热能向高位热能转换，可以用来加热生活用水等。
水源热泵具有高效节能、节水省地、环保效益显著、维护方便等优点，应用范围广泛。
目前，水源热泵技术发展迅速。
瑞典有40%的建筑物采用热泵技术供热，其中10%是采用污水处理厂的出水[17-18]。
图1水源热泵系统
2.2.2地源热泵
地源热泵是以土壤、地下水作为低温热源，是低品位热能向高品位热能转移的一种装置。
其系统如图2所示。
20世纪70年代以前，地源热泵因为初投资、能源价格等原因，一直发展缓慢。
在进入21世纪后，才得以迅速发展。
我国地源热泵的推广和应用起源于20世纪90年代，但是热泵以其优越的性能在我国迅速发展。
地源热泵系统的关键组成地埋管方式有水平埋管、竖直埋管、桩埋管等[19-21]，前两者为常用埋管形式。
水平埋管是在浅层土壤中水平埋设管道，特点是，埋设深度浅、占地面积大、施工简单、初投资较低；
竖直埋管是指在地层中竖直穿孔埋设到地下，特点是：
埋管具有较深的敷设深度、深层土壤具有较为恒定的温度，受地表温度的影响小，因而较前者具有较好的换热能力，但是初投资大。
图2地源热泵系统
2.2.2空气源热泵
空气源热泵是一种以室外空气为冷源的热泵，通过利用空气中的能量来产生热能。
空气源热泵按照逆卡诺原理工作，通过制冷压缩机按热泵方式将空气中的低品位热能升为高品位热能。
其系统图如图3。
空气源热泵使用方便，运行管理安全，初投资相对较低，但是当室外空气相对适度大于70%，温度在3°
C-5°
C之间时，机组室外花惹起就会结霜，使得系统的COP和可靠性下降[11]。
对于冬季较寒冷或室外空气较潮湿的地区，空气源热泵机组在冬季运行时容易结霜[22-23]。
因而，空气源热泵通常需要设置除霜装置，在我国长江以南地区较为适用。
图3空气源热泵系统
2.2.3复合式热泵
（1）太阳能-水源双源热泵系统
太阳能水源热泵系统是在传统的水源热泵系统基础上，利用太阳能热源开发的系统，主要由三部分组成，即太阳能集热系统、水源热泵系统和热水供应系统。
主要通过利用太阳能和水中的低品位热能来进行制热。
太阳能热水系统虽然环保，但是受气候的影响不能够全天运行。
太阳能-水源双源热泵系统利用太阳能作为水源热泵系统的辅助能源，可以弥补前者单独工作室存在的不做。
（2）太阳能-空气源复合热泵系统
太阳能-空气复合热源热泵系统是通过一个新型平板集热/蒸发器将太阳能热泵系统和空气源热泵系统有机地组合成一体的，制冷剂直接在集热器中吸收太阳能或空气中的热量蒸发，然后通过热泵系统制热。
其系统图如图4。
这种系统可以弥补两者单独工作时的缺陷，实现优势互补，并且可以全天候工作，可以有效提高热泵的性能系数[24-26]。
图4太阳能空气源复合热泵系统
三．污水源热泵技术的发展
污水源热泵具有制冷、制热双重特点，并且以污水为冷源。
污水温度变化幅度小，且不受阴雨天、气候、季节的影响，因而具有节能环保、经济性能好的优点，从而受到了国内外专家学者的广泛关注。
3.1国外污水源热泵的发展
随着不可再生能源的日益枯竭和污染带来的环境恶化，美国、瑞典、日本、德国等国家从20世纪70年代就开始对热泵进行了大量的研究，并取得一系列成果。
对污水源热泵系统的研究，日本挪威、瑞典及北欧一些国家起步较早。
水源热泵技术的起源是1921年，瑞士的一个发明专利开始[27]。
瑞典是最早将污水源热泵技术应用于城市区域供热的国家。
1981年6月，世界第一个污水源热泵系统在瑞典斯德哥尔摩投入运行[28]。
1983年，挪威奥斯陆的热泵站投入使用第一台热泵机组[29]。
截止到1987年，瑞典已经有100座热泵站投入使用，总供热能力高达1200MW[30]。
截止到2001年，日本东京共12套热泵系统投入运行，每天的废水利用量达70000立方米[31]。
根据已有的污水源热泵工程分析可知，有效的回收利用城市污水能具有明显的节能、经济和环保效果，对经济的发展、资源节约和推动社会进步具有重要的应用价值。
3.2国内污水源热泵发展现状
我国污水源热泵技术起步比较晚，但是发展速度相对较快。
早期伊军等人对我国城市污水热能利用的可行性进行研究，得出我国城市污水中赋存的能源潜力巨大，而且是一种不会产生污染的清洁能源[32]。
另具代表性的研究是孙德兴等人对城市污水冷热源的应用方法及装置的研究[33]。
自2001年起，我国先后建立了十几个污水源热泵供热、制冷系统，系统运行良好。
例如，截止到2011年，长沙主城区共有十座污水处理厂，目前日均处理能力到达110万t/d，污水处理率达90%。
长沙市生活污水温度冬季最低为12度，夏季最高为30度，各季节水温波动小，具有较强的可利用性[34]。
四．污水源热泵的分类及经济性分析
4.1污水源热泵工作原理
污水源热泵是水源热泵的一种。
污水源热泵是由压缩机、用户侧换热器、污水侧换热器和节流结构构成的一种蒸汽压缩式热泵装置。
冬季制热时，污水侧换热器为蒸发器。
污水通过蒸发器，释放出其可利用的热量，制冷剂通过换热器吸收污水释放的热量蒸发。
气态制冷剂进入压缩机，进行绝热压缩，压力和温度都升高。
高温高压的制冷剂蒸汽进入冷凝器，在冷凝器中冷凝放热，加热用户侧的用水，达到制热的目的。
制冷剂进入膨胀阀，进行绝热膨胀，压力和温度都降低。
随后制冷剂进入蒸发器，吸收污水中可利用的热量，，进入下一轮的循环。
在制热系统中，制冷剂连续地进行吸热、压缩、冷却、膨胀的过程，就可以将污水中的热量转移到蓄热系统中，达到制热的目的。
夏季制冷时，用户侧换热器为蒸发器，污水侧换热器为冷凝器。
其工作流程正好与冬季制热工作流程相反。
制冷剂经过冷却、膨胀、吸热、压缩的过程，将污水中赋存的冷凉转移到需要供冷的系统中去，达到制冷的目的。
4.2城市污水源热泵的分类
城市污水通过热泵来回收其中的废热主要有两种方式。
一种是直接式，一种是间接式。
直接利用方式是将污水中得热量通过热泵回收后直接送到采暖空调建筑物；
间接利用方式是指污水先通过热交换器进行热交换后，再把污水中的热量通过热泵进行回收输送到采暖空调建筑物[35]。
系统流程图如5、6[36]：
（1）直接换热式污水源热泵系统：
系统流程图如图5。
污水与管道中的热泵工质直接换热，具有占地面积小、初投资费用小、系统能耗低、热泵机组效率高的特点。
但是热泵的主机必须设置在污水出水管道旁，如果污水供应区离污水管道较远，就需要埋设较长的循环水管道，这样会增加在输送过程中的能量损失，并且增加初投资的费用。
段万军等[37]通过研究得出，间接式系统比直接式系统增加的造价是污水换热器造价的1.65倍左右；
在相同的初投资条件下，直接式机组的蒸发温度比间接式机组提高2.5°
C，相对应的COP提高5%左右，且直接式系统比间接式系统少消耗中介水循环的水泵工作，具有很高的可行性。
催福义等[38]对直接与间接式污水源热泵系统在经济性、可靠性运行效果等方面做出来理论分析。
天津大学秦娜等[39]通过研究直接式原生态污水源热泵冬季供暖工况下的自控调节特性得出，通过自控调节，室内温度从20°
C降到18°
C时，系统各个参数维持稳定，房间热负荷15KW时，压缩机耗功降低了48%，COP从3.4上升到4.1，具有很好的节能效果。
庄兆意等[40]提出了一种污水处理厂冷热资源的评估方法——逐时分析法，通过对工程实例的工作评估法作比较，并以年值作为经济评价指标，对污水源热泵系统、天然气直热热泵机组、燃煤锅炉加电机组进行对比得出，直接式污水源热泵系统在经济性、节能环保方面优于另外两种方案。
李瑞霞等[41]将直接式污水源热泵热水器系统应用于北京奥运村换热站。
（2）间接换热式：
系统图见图6。
污水不直接进入热泵，循环水路可以使用经过软化的清洁水，优点是避免了污水对热泵中换热设备的腐蚀和堵塞。
用户循环水管中的压力较低，污水热交换器中的腐蚀和堵塞都易于处理，。
缺点是需要另外附加换热器，设备的总费用相比于直接换热式要高。
天津大学刘春涛[42]等人分析了间接式污水源热泵机组在压缩机效率、改善压缩机工作条件、减小传热温差等方面与普通污水源热泵机组相比，得出间接式污水源热泵机组夏季制冷工况下系数可提高20%左右，冬季制热工况下性能系数可提高17%左右。
黄翔等[43]通过对间接式污水源热泵系统换热器进行理论计算分析得出，污水年度、换热管导热系数和管外污水流动速度是影响换热器换热量的主要因素。
图5直接换热污水源热泵系统流程图图6间接换热污水源热泵系统流程图
4.3污水源热泵的技术经济性分析
4.3.1污水源热泵的技术分析
冬季，环境温度低于0℃时，污水的温度仍能保持在15℃左右；
夏季，环境温度高于30℃时，污水温度仍能保持在25℃左右，这就使得污水源热泵的运行工况得到很大改善，可以满足冬天制热，夏天制冷。
文献[5]通过对污水源热泵进行㶲分析得出，污水源热泵循环的㶲损失最大的部件是压缩机，且是一种不可逆绝热压缩，因而减少污水源热泵的㶲损可是提高污水源热泵的COP。
文献[5]指出与空气源热泵相比，在相同的设计参数，相同的假设条件下，空气源热泵夏季工况COP=4.08，约为污水源热泵的68%；
冬季工况空气源热泵COP=2.94，约为污水源热泵的66%，污水源热泵比空气源热泵节能32%~34%。
结霜问题是影响热泵系统效率的主要因素之一，严重影响系统的热力性能和稳定性，污水源热泵所利用的热源污水温度很定，很好的解决了结霜的影响。
4.3.2污水源热泵的经济型分析
文献[44]计算得出集中空调系统的运行费用。
如表一：
表一各种空调系统的运行费用
空调系统
运行费用/万元
污水源热泵系统
20
土壤源热泵系统
24
直燃机
32
燃煤锅炉
36
文献[5]对污水源泵与空气源热泵在冬夏两个季节运行费用进行了比较。
如表二：
表二空调系统运行费用比较
污水源热泵/元
空气源热泵/元
夏季
48.78
71.40
冬季
55.69
84.92
由上面两表的数据可以看出污水源热泵的运行费用相对于其它热泵系统以及以一次能源为燃料的直燃机，燃煤锅炉等系统较低，具有很好的经济性。
文献[5]对空调系统的能耗进行了比较，如表三
表三空调系统的能耗
污水源热泵/KW
空气源热泵/KW
93.8
137.3
107.1
163.3
文献[44]对集中空调系统全年的一次能源利用率进行比较，如表四：
表四空调系统的全年一次能耗比
一次能耗比
空气源热泵系统
0.83
土源热泵系统
1.06
1.15
0.82
由表三和表四可以看出，污水源的能源利用率最高，污水源热泵的能耗夏季只有空气源热泵的68.3%，冬季只有空气源热泵的65.6%，节能效果明显。
污水源热泵具有很好的节能型，因而值得推广。
五．污水源热泵应用中遇到的问题及现今的解决方法
城市中原生态污水资源丰富，但其水质较差，如果先对污水进行处理，再将其输送到污水源热泵，将使得整个系统的初投资以及运行费用增加，使得污水源热泵的经济型降低，因而怎么避免投资增大，又能降低污水对系统设备的性能和系统的效率的影响是研究的一个重点。
所以污水预处理和换热器的清洗是设计工艺中的关键工艺。
城市污水作为污水源热泵的冷源的应用过程中必然遇到两方面的问题，一是大尺度污染物对系统的堵塞，二是小尺度污染物对流动阻力与换热的影响[45]。
因而污水源热泵设计的最大难题就在于防止污水对管路、换热设备的污染、腐蚀和堵塞。
这些问题将影响到换热效率、设备的使用寿命以及运行的安全性。
5.1腐蚀问题
城市污水对换热设备的腐蚀不仅严重影响换热设备的使用寿命，且换热器表面的腐蚀为其它不洁物聚集在换热器表面提供了条件，促进污垢的形成。
而污垢层下缺氧，又为腐蚀创造条件。
污水水质的复杂性，其含有的大量具有腐蚀性的离子是污水源热泵技术推广应用的首要难题。
贺东钰等[46]对城镇再生水板式换热器板片腐蚀性进行了研究。
黄翔等[43]在不断试验和实际应用中，逐渐完善研发一种高效宽通道污水换热器，可以消除热泵机组的堵塞、腐蚀等问题。
5.2污垢问题
污垢的存在给污水源热泵热水器机组换热器的设计和机组的运行带来一系列的问题。
Zubair等[47]从新的角度研究结垢问题，将其增长规律纳为线性、幂率、降率和渐进四类，并引入概率分析方法，建立了污垢增长模型。
徐之明等[48]在前者的基础上提出了考虑初始污垢热阻影响的污垢模型。
吴学慧[49]提出了压降模型，可预测污垢的集聚程度。
1983年，日本发明了壳管式污水源热泵系统[50]，针对管内粘泥附着问题开发了自动毛刷清洗装置，从而解决了粘泥热阻带来了传热下降问题。
5.3堵塞问题
污水中的固体污杂物容易堵塞管道，造成管道的流通面积减少，使整个换热设备流动阻力增加，进而增加热泵的功耗。
水泵流量减少又会导致污垢增厚，进一步降低换热设备的性能，使系统节能性降低。
因而，解决堵塞问题是一个推广污水源热泵的关键问题。
哈尔滨工业大学吴荣华[6]等针对无水源热泵堵塞问题，研发了一种将污杂物隔离在污水干渠中，使污物不进入管路系统的取排水工艺。
工艺流程如图7：
图7反冲洗系统流程图
1—污水干渠；
2—污水泵；
3—污水换热器；
4—反洗装置；
5—进出口格栅
6~9—阀门
主要结构是将格栅分成若干子格栅，并设自行研制的反冲洗装置，通过反冲洗装置孔子子格栅，增大出水流速，其中一个子格栅冲洗时关闭其它子格栅，直到该子格栅上得污物被冲洗掉，再换到下一个子格栅，从而将堵塞在格栅上得污物及时处理掉。
此外，吴荣华等[51]提出的设过滤栅、自动过滤器。
孙德兴等[52]提出的滤面水力连续再生过滤装置。
刘志斌等[53]提出的增加防阻器等方法，在一定程度上解决了污水源热泵的物色问题。
六、结论与展望
（1）污水作为一种清洁能源，它作为低温余热源的优越性日益受到关注，它不仅能在南方城市得到广泛应用，在天气寒冷的北方也能发展和运用。
利用污水源热泵系统还可以缓解传统供暖带来的环境污染和能源浪费问题。
（2）污水源热泵可供暖和制冷，一机多用，并且只需要很少的电能消耗就能获取污水中的废热，相比中央空调及电加热热水器具有很好节电性。
（3）污水源相比较于其它热泵系统COP较高，能源利用率高，运行费用较低，具有很好的经济性，因此研究和发展污水源热泵具有长远的意义。
（4）污水水质仍然是制约着污水源热泵发展的重要因素，如何经济性的解决污水源热泵系统中的腐蚀、堵塞、换热器表面污垢问题，减少污水
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