摘    要：介绍了污水源热泵的原理和技术优势，针对处理后的污水的水质特点，通过设置合理的污水利用的前处理装置，增加二次循环水路、反冲洗过滤器，选用特殊材质的换热器等措施解决堵塞、腐蚀和结垢的相关问题。通过工程案例实测和国家民用建筑能效测评机构的能效评估得出结论：系统能效比为3.61，机组能效比为5.44，民建建筑节能率达65%，公建建筑节能率达50%，与其他空调系统相比SO2年排放减少量11.9t,CO2年排放减少量1469.35t，粉尘年排放减少量5.95t，年节约费用1.2323×106元。

关键词:污水源热泵;余热;效益分析;

Application and Benefit Analysis of Sewage Source Heat Pump Technology

LI Wenzhuo LIU Huiqing

YANG Wei ZHANG Yitong YU Ruiling ZHAO Yujie

North China University of Water Resources and Electric Power

Abstract：This paper introduced the principle and technological superiority of sewage source heat pumps. According to the water quality characteristics of treated sewage, the problems related to blockage, corrosion and scaling were solved by setting reasonable pre-treatment device for sewage utilization, adding secondary circulation water circuit and backwashing filter, and selecting heat exchanger of special material. Through the actual measurement of project case and energy efficiency evaluation of national civil building energy efficiency evaluation agency, it was concluded that the system energy efficiency ratio was 3.61, the unit energy efficiency ratio was 5.44, the energy efficiency of civil buildings was 65%, the energy efficiency of public buildings was 50%; SO2 emissions reduction was 11.9 t, CO2 emission reduction was 1 469.35 t, and annual dust emission reduction was 5.95 t compared with other air conditioning systems; annual cost savings was 1.232 3×106 yuan.

Keyword：sewage source heat pump; waste heat; benefit analysis;

近年来，随着人民生活水平的提高，中国城镇污水排放量每年以3%～8%[1]的速度递增。在夏季，污水处理厂中再生水二级出水温度普遍低于最高气温，比平均气温低3℃左右；在冬季，出水温度均高于最高气温，比平均气温高10～20℃，并且每日水温温差较小，日均温差小于3℃，远小于气温变化的范围[2]。因此基于污水水温特性，利用再生水这一优质的余热源，通过污水源热泵系统进行室内温度调节，具有巨大的节能效益。同时污水源热泵利用废水中的热量进行制冷、供热和制备热水，减少了不可再生能源的消耗，环保效益显著。污水源热泵技术的应用，响应了中国“十四五”规划中推进重点行业和重要领域绿色化改造的节能政策，有利于推动能源清洁低碳安全高效利用，有利于中国碳中和战略目标的实现。

1 污水源热泵原理特点和技术优势

1.1 污水源热泵原理特点

污水源热泵系统就是利用污水进行能量转换的空调系统，污水作为冷热源与二次循环水经过换热设备进行热量交换。污水在换热过程中不直接接触其他设备或系统，独立循环，不影响其他水系统和外界环境。在冬季，热泵“汲取”污水中的低品质能量，经管网供给室内用作采暖和供应生活热水；在夏季，热泵带走室内热量并将热量转移到污水中，向室内供冷并可同时供应生活热水[3]。

污水源热泵在冬季供热时，污水侧换热器为蒸发器，用户侧换热器为冷凝器。城市污水与制冷剂在蒸发器中进行热量交换，制冷剂蒸发吸收城市污水中所携带热量转化为过热蒸汽。压缩机将过热蒸汽吸入后压缩至较高压力，被压缩的高温高压制冷剂蒸汽进入冷凝器，在冷凝器中冷凝成液态制冷剂，在冷凝器中放出热量用以加热热媒（水），满足供热系统的需要；液态制冷剂经过膨胀阀节流膨胀后，变为低温低压的气液混合物，再进入蒸发器吸收城市污水中所储存的热量，进行下一轮循环。在该系统中，制冷剂连续地经过吸热、压缩、冷却、膨胀的过程，就可将城市污水中携带的热量转移到需供热的系统中去，达到供热的目的[4]。夏季制冷时，污水侧换热器为冷凝器，用户侧换热器为蒸发器，夏季热泵的工作流程正好与冬季热泵的工作流程相反。污水源热泵机组工作原理如图1所示。

1.2 污水源热泵技术优势

污水源热泵系统在夏季供冷时不需要冷却塔，避免了冷却塔运行过程中产生的噪声及霉菌污染；在冬季供暖时不需要燃煤、燃气、燃油等相关设备，没有燃烧过程，减少了CO2,SO2等气体及颗粒物的排放[5]。该热泵系统不燃烧任何化石能源，是一种清洁的能量转换系统。污水在污水侧与二次循环水换热后经回水管返回污水干渠，污水密闭循环，不产生任何废水、废渣、废气和烟尘。城市污水具有水流量大、污水水温和水量较为稳定的特点，且一般日变化幅度较小，可作为比较稳定的冷热源。因此，污水源热泵系统环境效益十分显著。

污水源热泵系统能效比通常可达4.0～4.5，即输入1k W的电能，可得到4.0～4.5kW的可利用能[5]。冬季，污水温度高于室外环境空气温度，蒸发器中蒸发温度提高，能效比也相应提高，同时避免了空气源热泵冬季除霜的问题。夏季，水体温度比室外环境空气温度低，冷凝器中冷凝温度降低，相较风冷式和冷却塔式系统，冷却效果较好，机组效率相应提高，能源利用效率高于以上几种形式的中央空调系统。因此，污水源热泵系统节能效益十分显著[6]。

2 实践应用

2.1 项目概况

安阳市A工程是国家可再生能源建筑应用示范项目，其中居住建筑面积为8.12×104m2，公共建筑面积为0.63×104m2。该项目所在地靠近安阳市东区污水处理厂，该污水处理厂出水水质达到GB8978—1996《污水综合排放标准》国家一级标准（中水）。以安阳市东区污水处理厂污水源热泵系统为例，进行项目分析。

出水水质检测结果如表1所示。

结果显示，经过深度处理的生活污水完全达到生活杂用水标准，但Cl-质量浓度较高，对金属有一定的腐蚀性，而且处理的生活污水中仍有部分悬浮物，且具有一定的黏性。因此，该项目着重考虑阻塞、腐蚀问题的解决方案。

2.2 项目技术难点和解决方案

该项目污水源热泵系统可满足夏季制冷、冬季供暖和全年生活热水供应。安阳市东区污水处理厂深度处理的生活污水仍有部分悬浮物，且具有一定的黏性。在冬季，当水温较低时，废水中生物菌活力差，菌胶团聚胶能力下降，不易沉淀，极易淤塞换热器。因此系统长时间运行必须解决管路和换热器的阻塞、腐蚀、结垢等问题[6]。

与传统的风冷、水冷等热源相比，污水源热泵的技术关键和难点在于防堵塞、防腐蚀与防结垢。该项目通过设置合理的污水利用的前处理装置，增加二次循环水路、反冲洗过滤器等措施来解决上述难点。水质中Cl-质量浓度直接影响换热管的使用寿命，为避免处理后污水中Cl-对铜管换热器的腐蚀，该项目增加了不锈钢板式换热器作为二次换热器，不锈钢材质具有与水质相适应的抗腐蚀性。使用具有防堵塞、防腐蚀、防微生物繁殖等功能的换热器，通过间接换热与热泵机组进行能量交换。

针对该项目特点，换热器表面采用特殊材质，具有流道增大、浅凹槽的特点，以解决腐蚀和堵塞问题。对水中大的悬浮物在进入板式换热器之前进行过滤处理，防止造成直接堵塞事故。在过滤器选择方面，考虑到普通过滤器纳污量小、易受污物堵塞、清洗工作复杂等缺点，该项目采用全自动自清洗过滤器，具有对原水进行过滤并自动对滤芯进行清洗排污的功能，且清洗排污时系统不间断供水。该系统自动化程度高、处理量大，可实现原生污水源热泵系统的长期无堵塞运行，保证系统运行的长期性、稳定性和可靠性。

在污水侧，间隙增大，流速增大到3m/s，虽然悬浮物会难以沉积，但是长时间运行也会有沉积及黏泥吸附现象（主要是因为污水中的细菌），大幅度降低换热效率[7]。在很多工程中往往采用增设电子除垢仪的方式处理，但实际工程经验表明效果很差。导致黏泥污垢产生的因素是污水中的有机物（细菌）和生物溶解性油脂，电子除垢仪通常难以清理，同时增加了设备投资费用。该工程在换热器污水一侧增加反冲洗系统，定期对污水侧二次换热器进行药物强制反冲，储药系统采用耐腐蚀的PE药箱，通过反冲洗水泵吸取消毒药剂循环反冲洗板式换热器，投药系统补药采用Sigma/2-07120PVT精密计量泵，根据系统消毒剂浓度通过可编程逻辑控制器自动控制投加清洗药物，保证了原生污水源热泵系统污水侧长期运行的稳定性。

2.3 项目系统运行方案

根据项目实际情况，污水侧夏季设计供/回水温度为26℃/31℃，冬季设计供/回水温度为10℃/6℃。携带有低位能热量的污水与板式换热器进行换热，通过板式换热器将热量传递至污水源热泵机房的二次水源环路，再经过热泵机组加以处理。二次水源水进出换热机组，夏季设计供/回水温度为27.5℃/32.5℃，冬季设计供/回水温度为8.5℃/4.5℃。

公建机房和住宅机房合用1个空调水系统，项目设置2台污水源热泵机组制备所需的空调水，夏季设计供/回水温度为7℃/12℃，冬季设计供/回水温度为45℃/40℃；专设的2台污水源热泵机组制备55℃的生活热水供向住户，生活热水的一次供/回水温度为55℃/50℃。项目设置2台制冷量为3417kW的螺杆式污水源热泵用作空调用热泵机组，每台配备2个双螺杆压缩机；设置2台制热量为648kW的螺杆式污水源热泵用作热水机组，每台配备1个双螺用杆压缩机。选择相同型号机组互为备用，减少运行管理费用，降低维护成本。与之相对应的水泵相同，系统简单，调节方便，稳定性高。

3 效益分析

3.1 节能效益分析

3.1.1 负荷估算

对于冬季，采用度日法计算热负荷，公式为：

式(1)中，Qs为供暖季累计热负荷，kW·h;q为建筑物总的设计空调热负荷，kW;DH为采暖期度日数，℃·d;CD为修正系数，取0.6；Δt N-W为室内外设计温差，℃。

根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》安阳气象站的气象参数，确定该地区的采暖度日数为2343.2℃·d。由此可得出整个供暖季累计热负荷为4.3696×106kW·h。

对于夏季，根据测试期间系统的实测冷负荷和室外气象参数，采用温频法计算供冷季累计冷负荷。根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》安阳气象站的气象参数，以2℃温差为1个温频段，得到安阳地区的BIN气象参数（温度的时间频率），如表2所示。

制冷季累计冷负荷为1.6462×106k Wh（运行·时间为7月、8月、9月3个月）。测试项目面积为4.26×104m2，整个项目运行面积为8.75×104m2，计算得到项目累计冷负荷为3.3811×106k Wh。·

3.1.2 热泵系统年耗电量

根据测试期间热泵系统的季节平均能效比和负荷估算结果计算整个供暖季（制冷季）热泵空调系统的能耗，计算结果如下：整个供暖季热泵空调系统的总能耗EH=1.224×106k W·h，整个制冷季热泵空调系统的总能耗EL=0.9366×106k W·h（冬季平均能效比取3.57，夏季平均能效比取3.61）。

3.1.3 项目的节能效益

冬季供热工况下，热泵系统能耗按照每千瓦时电折合0.31千克标准煤的热量来计算，公式为：

式(2)中，m标煤为标煤折算量，千克标准煤；Ei为整个供暖/冷季热泵空调系统的总能耗，kW·h；φ为电折算标煤系数，取0.31千克标准煤（/千瓦·时）。

热泵系统能耗折合为379.43吨标准煤。

假设采用燃煤锅炉房供暖，采用0.005814k Wh·燃烧值的无烟煤，则：

式(3)中，m锅炉为供暖季累计热负荷折算燃煤锅炉消耗的标准煤量，吨标准煤；k1为无烟煤折合标准煤系数，取0.714吨/吨标准煤；Q为供暖季累计热负荷，kW·h;η1为燃煤锅炉效率，取0.68;qe为燃煤燃烧值，k W·h/t。供暖季累计热负荷折算燃煤锅炉消耗的标准煤量为789.15吨标准煤，锅炉房供暖系统风机、除尘等设备消耗电量为38.78吨标准煤，循环水泵和末端设备耗电量相同。

供暖季热泵系统节能量公式：

式(4)中，m H为每年供暖季热泵系统的节能量，吨标准煤；m设备为锅炉房供暖系统风机、除尘等设备消耗电量的标准煤量，吨标准煤；m热泵为供暖季热泵系统能耗折合标准煤量，吨标准煤。

计算得出每年供暖季热泵系统的节能量为448.5吨标准煤。

供暖季热泵系统的节能率公式：

式(5)中，ηH为供暖季热泵系统的节能率。

计算得出每年供暖季热泵系统的节能率为54.2%。夏季制冷工况下，热泵系统能耗按照式(2)每千瓦时电折合0.31千克标准煤的热量来计算，热泵系统能耗折合为290.35吨标准煤。

假设采用冷水机组制冷，则：

式(6)中，E1为冷水机组夏季耗电量，kW·h;QZ为制冷季负荷，kW·h;CP为冷水机组能效比，取2.4。

夏季耗电量为1.4088×106k W·h，按照每千瓦时电折合0.31千克标准煤的热量来计算，折合标准煤m1为436.73吨标准煤。

制冷季热泵系统的节能量公式：

式(7)中，m C为每年制冷季热泵系统的节能量，吨标准煤；m冷水机为制冷累计热负荷折算冷水机组消耗的标准煤量，吨标准煤；m'热泵为制冷季热泵系统能耗折合标准煤量，吨标准煤。

每年制冷季热泵系统的节能量为146.38吨标准煤。制冷季热泵系统的节能率公式：

式(8)中，ηC为制冷季热泵系统的节能率。

每年制冷季热泵系统的节能率为33.5%。

综上所述，每年的常规能源代替量为每年供暖季热泵系统的节能量和每年制冷季热泵系统的节能量，该项目每年的常规能源代替量为594.88吨标准煤。

3.2 环境效益分析

经计算，污水源热泵全年常规能源代替量为594.88吨标准煤。中国污染物排放定额如表3所示。

污水源热泵机组全年减少污染物排放量计算公式：

Δmw,i=MΔRw,i,(9)

式(9)中，Δmw,i为第i种污染物的全年排放减少量，t/a;M为污染物排放定额；ΔRw,i为单位质量标准煤燃烧产生的第i种污染物的质量，t/a;i代表SO2,CO2及粉尘。

污染物全年排放减少量如表4所示。

该项目采用污水源热泵系统后，将直接减少不可再生能源的使用量，从而减少CO2,SO2等气体以及烟尘排放量，实现节约资源、减少碳排放、保护环境的目的。

3.3 经济效益分析

项目实施后每年节约费用计算如下。

冬季节约的费用公式：

式(10)中，SH为冬季节约的费用，元；k3为无烟煤与标准煤的转化系数，取1.4;mh为每年供暖季热泵系统的节能量，吨标准煤；p1为无烟煤价格，元/吨。

冬季节约的费用为5.651×105元（无烟煤价格按900元/t计算）。

夏季节约的费用公式：

式(11)中，SC为夏季节约费用，元；k2为每千克标准煤燃烧产生的能量，取8.14 kW·h/kg;m C为每年制冷季热泵系统的节能量，kg;p2为居民用电价格，元/（k W·h）。夏季节约的费用为6.672×105元（居民用电价格取0.56元/（k W·h）。

每年节约的费用公式：

每年节约费用为1.2323×106元。

该项目通过了国家民用建筑能效测评机构对国家可再生能源建筑应用示范项目的能效评估，结果如表5所示。

由上述分析可知，该污水源热泵带来的节能效益，环境效益、经济效益非常可观。

4 结语

城市污水中储存冷/热量丰富，充分利用这部分冷/热量，可节省大量化石能源的消耗，但在实际应用中也存在技术难点。所述工程通过增加二次循环水路、反冲洗过滤器，采用具有流道增大、浅凹槽特点的换热器等措施，解决了该类工程中常见的堵塞、腐蚀、结垢问题。项目实测和第三方检测机构的检测报告显示，所述污水源热泵项目系统能效比为3.61，机组能效比为5.44，民建建筑节能率达65%，公建建筑节能率达50%，具有良好的节能效益、环境效益和经济效益。污水源热泵的推广应用，有利于推动中国碳中和战略目标的实现。

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