（环境工程专业论文）污水源热泵的设计及应用.pdf

山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 校保 文被 内容 保存 ( 论文 ，卜 ，、 一 山东大学硕士学位论文 目录 摘要3 a b s t r a c t 一4 第1 章绪论5 1 1 课题背景5 1 1 1 我国能源利用现状及对环境的影响5 1 1 2 中国能源结构进行战略性转型的分析7 1 2 课题的提出及研究的意义1 0 1 2 1 开发地源热泵系统的必要性和可行性1 0 1 2 2 国家开发地源热泵系统的时代背景和对其给予的巨大支持1 1 1 2 3 本文研究的主要内容、目的及意义”1 3 第2 章热泵的原理及分类概况”1 5 2 1 热泵的基本概念1 5 2 1 1 热泵的定义1 5 2 1 2 热泵的分类1 5 2 2 热泵的起源及发展1 6 2 2 1 热泵的起源”16 2 2 2 热泵的发展1 7 2 3 热泵的分类1 7 2 3 1 空气源热泵”1 7 2 3 2 水源热泵”1 9 2 3 3 土壤源热泵2 2 2 4 热泵的冷热源2 4 第3 章污水源热泵的工程设计“2 6 3 1 工程背景“2 6 3 1 1 工程概况2 6 3 1 2 设计参数2 6 3 13 设计方案2 6 山东大学硕士学位论文 3 2 河水源热泵空调系统原理2 9 3 3 设备选型及相应设备性能参数3 0 3 4 污水源热泵可行性分析31 3 4 1 经济性分析31 3 4 2 节能量计算3 4 3 4 3 环保性分析3 5 第4 章污水源热泵系统的技术开发3 6 4 1 热泵技术研究与应用现状3 6 4 1 1 国外热泵技术研究与应用现状3 6 4 1 2 国内热泵技术研究与应用现状”4 0 第5 章结论与展望4 6 参考文献4 8 致谢5 5 已发表论文5 6 2 山东大学硕士学位论文 摘要 能源和环境问题是当今世界广泛关注的问题，在尚未利用的低位能源中，城 市废热之一的河水因一年四季温度变化较小、数量稳定，具有冬暖夏凉的温度特 征，且赋存的热量较大，易于通过现有的管道进行收集，因而被公认为是可回收 和利用的清洁能源。特别是水源热泵技术的日趋成熟和发展，为在实际工程中推 广和应用河水热能回收与利用系统提供了可靠的技术保障。本论文从污水源热泵 方面进行了如下研究： 首先，从分析我国能源利用的现状出发，结合热泵技术的发展，提出在我国 某小区采用丰富的河水作为热泵系统的冷热源来解决能源利用与消费的矛盾这 一问题，并对热泵的分类进行了概述。 其次，本文以某污水热泵站为例，介绍了该工程水源情况，分析了采用污水 源热泵的技术可行性，并在此基础上进行该工程经济性、节能性、环保性分析， 论证了污水源热泵的广阔应用前景。 最后，探讨了污水的应用特点及其技术关键。从发展历程、应用技术与规模， 综述了国内外的应用与研究及关键设备，分析了其存在的缺陷，针对当前技术概 况与存在的问题，展望了目前的发展趋势与应用研究方向。 关键词：污水热泵；冷热源；空调系统；初投资；运行费用 a b s t r a c t e n e r g yr e s o u r c ea n de n v i r o n m e n ta r et h ep r o b l e m st h a ta r ew i d e l yc o n c e r n e di nt h e w o r l d ，o fa l lt h el o wl e v e le n e r g yr e s o u r c e sw h i c ha r ey e tn o tt ou t i l i z e ，r i v e r w a t e ra s o n eo fu r b a nw a s t eh e a ti sg e n e r a l l ya c k n o w l e d g e da sac l e a ne n e r g yr e s o u r c e f o r r i v e r w a t e rt e m p e r a t u r ec h a n g e sal i t t l e ，t h ea m o u n ti ss t e mi na l lt h ey e a rr o u n d ，t h e a m o u n to fh e a ti sl a r g e ，a n di se a s yt og a t h e rb ym e a n so ft h en o wa v a i l a b l et o w n s e w a g ep i p i n g ，f u r t h e r m o r e ，t h eg r a d u a l m a t u r ea n dt h ed e v e l o p m e n to fw a t e r s o u r c e h e a tp u m pt e c h n i q u es u p p l yt h ed e p e n d a b l et e c h n i q u eg u a r a n t yf o rt h ea p p l i c a t i o no f r i v e r w a t e r - s o u r c eh e a tp u m p f i r s t ，b a s e do np r a c t i c a lc o n d i t i o n so fe n e r g yu t i l i z a t i o nn o w a d a y si nc h i n a ，i ti s n e c e s s a r yt om a k e u s eo fe x i s t e n te n e r g yr e a s o n a b l y , a n dt oe x p l o i tn e wo r r e g e n e r a t i v ee n e r g y ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f h e a tp u m p ，n v e r w a t e r , a b u n d a n ti nt h e l i t t o r a l ，i su s e da st h eh e a ts o u r c eo rs i n ko fh e a tp u m pa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m st o s o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e ne n e r g yu t i l i z a t i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h e s e a r e a s ， s e c o n d l y ，t h ep a p e rt a k e st h eo n ed v e r w a t e r - s o u r c eh e a tp u m p s t a t i o no f s h a n d o n ga sa ni n s t a n c e ，i n t r o d u c e st h ew a t e rs i t u a t i o no f t h ep r o j e c t ，a n dp o i n t so u t t h ef e a s i b i l i t yo fr i v e r w a t e r s o u r c eh e a tp u m p ， b a s eo nt h i s ，t h ep a p e rm a k e st h e a n a l y s i so f t h ep r o j e c te c o n o m y , e n e r g y s a v i n ga n dt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a n d t h e np o i n t so u tt h ew i d ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n do fs e w a g e 。s o u r c eh e a tp u m p a tl a s t ，t h ep a p e rp r e s e n t sa p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dk e yt e c h n o l o g i e so ft h e r i v e r w a t e r ，s u m m a r i z e st h ea p p l i c a t i o na n dr e s e a r c hc o n d i t i o n s ，t e c h n o l o g y a n d o p e r a t i o na b o u tk e ye q u i p m e n t ，a n da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds c a l e ，a n a l y s e st h e d i s a d v a n t a g e s ，p o i n t so u tt h es t u d yd i r e c t i o na n d c o n t e n t si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：r i v e r w a t e r - s o u r c e h e a tp u m p ，h e a ts o u r c eo rs i n k , a i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e m ，s t a r ti n v e s t , o p e r a t i n gc o s t 4 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 我国能源利用现状及对环境的影响 近年来，能源及与之直接关联的环境问题日益成为世晃各国关注的焦点和热 点。当前，对我国而言，人均能源资源短缺( 尤其是油、气、水) ，环境容量( 亦 是资源) 有限，自然生态脆弱，严重影响到了经济社会的可持续发展。改革开放 3 0 多年，我国g d p 每年以达1 0 的高速递增，与之相对应的煤炭、石油、火电 等传统能源的消耗急剧增加，掠夺性开发能源、粗放式消耗能源导致自然生态日 趋恶化，废物、废水、废气等污染物的大量、无序排放使得城乡环境不堪重负， 主要表现在：土壤酸化、植被破坏、水源污染、特别是空气中污浊物明显增加， 空气质量显著下降，引发大量呼吸道疾病，成为影响公众健康的巨大隐患等等。 据统计，每年仅燃煤排放一项造成的直接环境损失就超过1 0 0 亿元，为节能减排， 控制污染物排放，必需附加的支出占我国g d p 的5 - 6 t 1 。2 】。上述能源利用现状 在根本上是由低端、单一、高耗的能源供应与消费结构决定的。 目前，我国的能源供应与消费结构主要是以煤炭为主，石油为辅，天然气及 太阳能，风能，生物质等新能源所占比重较低，呈现出“富煤、缺油、少气”以 及“新型能源短缺”的结构特征( 如内蒙古自治区煤在全区能源消费中占8 0 以上 3 1 ) 。在忽略未知的新矿藏能源不断探明的条件下，据估计，我国煤炭剩余采储 量为9 0 0 亿吨，可供开采百年；石油剩余可采储量为2 3 亿吨，仅可供开采1 4 年；天然气剩余可采储量为6 3 1 0 亿r n 3 ，可供开采不过3 2 年【4 1 。同时，能源利 用效率较低，初步统计，1 9 9 7 年我国能源加工、转换、输送和终端利用的效率 为3 1 ，2 ，比国际先进水平约低1 0 个百分点【5 。7 1 。煤炭的生产和消费比重偏高， 近五年来煤炭年产量占能源总产量的比重呈逐年递增趋势，2 0 0 6 年这一比重上 升至7 6 7 1 7 ，而煤炭等化石能源属于不可再生能源，对其大幅度的无序开采终 将造成能源枯竭；我国石油的生产量低，消费量高，供需缺口需依赖进口石油满 足。与煤炭资源相反，石油在能源总产量的比重逐年递减，2 0 0 6 年仅为1 1 9 ， 但其消费量的比重五年来却均超过2 0 【7 】；而对新能源的利用率不足1 0 ( 如对 山东大学硕士学位论文 以高效、环保为特征的地源热泵技术研发推广不够8 】) 。2 0 0 1 2 0 0 6 年中国能源 消费总量及构成【9 1 ，见表1 1 ： 表1 12 0 0 1 2 0 0 6 年中国能源消费总量及构成9 1 能源消费总量占能源消费总量的比重：) 年份 ( 万吨标准煤) 煤炭石油天然气新能源 2 0 0 l1 4 3 1 9 96 6 72 2 92 67 9 2 0 0 2 1 5 1 7 9 76 6 32 3 42 67 7 2 0 0 31 7 4 9 9 06 8 42 2 22 66 8 2 0 0 42 0 3 2 2 7 6 8 0 2 2 32 6 7 1 2 0 0 52 2 4 6 8 26 9 12 1 o2 87 1 2 0 0 62 4 6 2 7 06 9 42 0 43 07 2 目前，“以煤为主”且以终端直接燃烧为消耗方式的能源生产消费结构，造 成大量污染气体排放。据统计，我国由燃烧煤、石油、天然气而排放的c 0 2 、s 0 2 、 n o x 等物质的数量已达到与发达国家相当的程度【1 0 】。全国9 0 的二氧化硫排放， 大气中7 0 的烟尘是燃煤造成的【7 】，特别是煤炭燃烧释放出大量二氧化碳，2 0 0 0 年我国c 0 2 排放量仅次于美国，占世界第二位。2 1 ，非节能建筑占据相当比例， 能耗居高不下( 如北京1 9 9 0 年以前建成的非节能建筑达9 3 7 9 万r n 2 【1 3 1 ) ，同时， 回收大量城市污水这一低位能源的措施不够，预计到2 0 15 年城市污水年处理量 将达到3 6 0 ，9 5 1 0 9 m 3 ，但目前利用率不高【1 4 1 ，主要是城市污水作为一种低位能 源有很大特殊性，污水极易堵塞、污染管路和设备，实际利用受到了极大限制 【l5 1 ，等等。总之，低位能源利用不足，传统能源能耗过高，温室气体排放过量， 导致城市“温室效应”日益显著，某种程度上成为“持续高温”等极端自然灾害天气 的直接诱因，造成城市空气质量不断下降，见表1 2 ： 山东大学硕士学位论文 表1 2 中国城市空气质量近年监测结果 年份 监测项目 1 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 9 统计城市数个 8 5 ( 或8 8 )8 7 ( 或8 8 ) 3 2 2 3 3 8 0 0 8 9 0 8 40 0 5 5 0 7 30 0 7 9 0 60 0 3 2 0 7o o l1 1 1 全国年均值范围 9 一， 1 84 19 9 t s p全国年均值 o 3 1 70 3 0 9o 2 9 10 2 8 9 m g m 3 北方城市 0 4 0 70 3 9 2o 3 8 70 3 8 l 南方城市 0 2 5 00 2 4 00 2 3 00 2 0 0 超标城市百分比脱 5 2 95 1 77 2 o6 0 o 0 0 0 2 0 4 70 0 0 2 0 4 20 0 0 2 0 40 0 0 3 0 20 0 0 2 0 3 全国年均值范围 2 4 184 88 5 s o ： 全国年均值 o 0 8 1 0 0 8 0 0 0 7 9o 0 6 60 0 5 6 m g m 。3 北方城市 0 0 8 90 0 8 10 0 8 30 0 7 2 南方城市 0 0 8 30 0 8 00 0 7 60 0 6 0 超标城市百分比胱 5 4 55 4 48 9 82 8 4 0 0 4 4 0 1 20 0 1 2 0 1 20 0 0 5 - 0 10 0 0 4 0 10 0 0 6 0 1 全国年均值范围 o9 5 24 05 2 n o 。 全国年均值 0 0 4 70 0 4 7 0 0 4 70 0 4 50 0 3 7 m g m 。3 北方城市 0 0 5 50 0 5 30 0 5 30 0 4 9 南方城市 0 0 3 9 0 0 4 10 0 4 l0 0 4 l 超标城市百分比 4 73 6 2 1 1 2 中国能源结构进行战略性转型的分析 当前，我国不容乐观的能源利用现状及日趋恶劣、亟待改善的自然生态环境， 已经成为制约经济社会全面、协调、可持续发展的巨大瓶颈，能源资源和环境问 7 山东大学硕士学位论文 题对经济社会发展的约束持续强化。因此，积极调整改善、优化升级能源结构， 在基础能源体系、能源结构层次、能源开发区域等方面，加快多元化发展的步伐， 着力实现由高成本的粗放型利用能源向集约化使用能源方式的战略转变，着力实 现由负外部性非清洁化能源开发向清洁化能源模式的战略转变，对推动建设资源 节约型、环境友好型社会，提高生态文明水平，促进经济社会发展与人口资源环 境相协调，增强可持续发展能力，具有十分重要而迫切的现实意义【l 酬。 基础能源结构形成多元发展态势。加快天然气、煤层气等清洁气体能源的跨 越式发展，促进能源结构由“以煤为基础”的结构特征向“煤油气并重”转化，是中 国能源结构升级改造的基本方向，是我国实现基础能源结构多元化战略的必然选 择。国务院发展研究中心国家能源战略政策情景分析提出，2 0 2 0 年中国煤 炭消费要控制在6 0 左右f 1 7 1 。中国中长期能源战略预测：天然气在一次能 源总需求构成中的比重将有2 0 1 0 年的6 5 ，上升到2 0 2 0 年的9 1 1 引。当前， 我国开启“气体能源”时代己具有良好的资源基础，已探明天然气储量为2 ，6 万 亿立方米，预计可采储量为7 1 0 亿立方米；煤层气资源丰富，最新的资源勘查 结果显示：我国埋深在2 0 0 0 米以浅的煤层气地质资源总量为3 6 万亿立方米，其 中可采储量达1 0 万亿立方米，居世界第三位。这表明，我国依托海陆气体能源 实现独立供给，力促气体能源跨越式、超常规发展，已具有充分的资源基础和转 型条件，达到2 0 2 0 年煤炭消费控制在6 0 的目标、满足天然气消耗比例上升到 9 的能源需求，具有现实性和可行性。 能源结构层次呈现低碳多元格局。对比1 9 5 2 年的能源结构，截至2 0 0 8 年， 我国的一次能源消费总量中，煤炭比重从9 5 下降到6 8 7 ，石油和天然气消费 占比为2 1 8 ，特别是水电、核电和风电等清洁及可再生能源的比重已接近1 0 ， 并呈现出逐年递增的积极态势。特别是城市污水源，作为低位新能源的典型，赋 存巨大能源潜力，据统计，全国每年污水排放量达4 6 4 1 0 8 m 3 a ，可供暖空调面积 达5 亿盯以上。以黑龙江省为例，2 0 0 0 年统计的全年污水排放量l l ，4 1 0 8m 3 a ， 若考虑7 0 可用，可供暖面积为1 10 0 万i n 1 9 1 。利用其作为热源的热泵系统， 运行稳定可靠，应用范围较广，节能环保效益显著，全年一次能源利用率达1 2 ， 以用能与节能系数概念能有效地评价节能与环保价值，供暖用能系数为1 3 3 ，以 1 0 0m 3 污水供暖或制冷可分别减少二氧化碳排放量为1 5 、o 4 埏，当前，该系统 山东大学硕士学位论文 正在北京、大庆等大中城市逐步推广，成效显著 2 0 - 2 2 】。如大庆恒茂宾馆，供暖空 调面积1 30 0 01 1 ：1 2 ，供暖热负荷9 10k w ，空调冷负荷l1 7 0k w ，生活热水负荷 1 6 0k w 。建筑物原供暖空调方式为城市热网加冷水机组，按照浸泡式1 2 3 j 换热方 法，充分高效利用城市污水水量特性，成功改造为污水源热泵系统【2 4 也5 1 。更为 重要的是，在对我国1 0 2 个大中城市的地表江河湖海水作为热泵冷热源进行了数 据和技术参数( 如，地表水换热器的单位管长换热量比粉质粘土垂直单u 管要 大【2 6 】) 。统计分析后表明，地表水源热泵技术在我国南方地区经济效益显著， 在北方地区则环保效益突出【2 7 1 。这有力的证明了，因地、因时、因“用”置宜，充 分利用城市污水源、地表江河湖海水等可再生能源，已成为构建低碳多元能源结 构的重要途径。相对于煤、石油等传统化石能源不可再生、开采利用易致环境污 染、生态退化等“先天缺陷”，可再生能源资源丰富、生态环保、可循环使用，能 满足发电、供气、供热、制取液体燃料等多种用途，能替代煤炭、石油、天然气 等多种能源。因此，大力发展可再生能源和新能源，缓解日趋紧张的传统能源需 求，是我国长期能源发展战略和近期能源结构调整的现实选择【2 8 1 。日前，国家 有关部门正在研究制定新的“能源发展十二五规划”，拟要求在“十二五”规划期 内，将新能源占能源消费总量比重从目前不足1 0 提高到1 2 1 3 左右，到2 0 2 0 年新能源在能源结构中的比例要达到1 5 。 能源开发区域日渐多元化。中国“油气资源短缺而相对富煤”的资源赋存现 状，从根本上决定了“依赖国内开发，依靠国外进口”的模式必须打破。近年来， 我国的能源开发，正由单一的国内开发向国内外开发并举转变。目前，我国的能 源国际合作领域已从最初的以石油和天然气为主，逐步扩展到天然铀、煤炭、电 力、风能、生物燃料、能源科技装备等多个方面，已与3 6 个国家建立了双边能 源合作机制，并在合作中注重吸收和借鉴欧美国家利用新能源的经验做法。与欧 美国家比，我们尚存在不小差距，如美国，1 9 4 6 年即开始对新能源的典型技术 之一地源热泵进行系统研究，在俄勒冈州建成第一个地源热泵系统，并成功 运行后，掀起了地源热泵系统在美国的商用高潮【2 9 1 。到1 9 9 8 年美国商用建筑的 地源热泵空调系统，已经占到空调保有量的1 9 以上，其中在新建筑里面占 3 0 t 3 0 】。应用实例证明，在高档写字楼、星级酒店、商务楼宇等城市公共建筑中， 采用地源热泵系统供冷、供暖及供卫生热水，能比传统制冷、供暖方式创造更加 9 山东大学硕士学位论文 舒适、宜人的环境，不但大大降低了能耗，( 该系统消耗l k w 的能量，用户即 可得到4 k w 以上的热量或冷量) ，同时大量减少了大气污染，虽然初投资比传 统空调方式略高，但经济和环境效益显著 3 1 - 3 2 】。当前，地源热泵系统作为一种新 型的高舒适度、低能耗型节能系统，因其突出的节能、环保性能，正在发达国家 广泛应用。这些开发新能源的典型经验和成熟做法在双边能源合作中，正被我国 能源企业深入学习借鉴【3 3 】。同时，我国能源企业通过独资、合资、股权参与、 并购等灵活多样的方式，中国的能源企业充分参与到了海外能源资源的勘探、开 发和利用中，取得了积极成效，正向纵深发展。 1 2 课题的提出及研究的意义 1 2 ，1 开发地源热泵系统的必要性和可行性 加快开发和推广应用以低碳环保、绿色节能为特征的地源热泵系统，是着力 改善当前能源利用现状，推动能源结构优化升级、积极实现多元化战略转型，切 实缓解当前能源供给巨大压力的有效技术途径。具体讲，当前，建筑能耗所占能 源消耗比例越来越大，发达国家比例达到4 0 4 5 ，我国已达到3 5 。而建筑能 耗可以利用温度较低的低品质能量，因此，将地源热泵系统应用在建筑采暖空调 领域利最具经济性、合理性、安全性。因为，地源热泵系统的能量来源是“取之 不尽、用之不竭”的浅层地热能，该热能主要来源于太阳辐射和地球梯度增温， 与深层地热相比，具有分布广泛、储量巨大、再生迅速、易于开发、安全性强等 特点，是一种新型的优质清洁能源。如污水源热泵系统作为地源热泵系统的重要 类型，其高效利用城市污水在形成、汇集、输运、物理处理、生化处理、排放过 程中集聚的热能，上述特点更为显著 3 4 - 3 5 。同时，地源热泵系统具有供暖、制冷 和提供生活热水等多重功能，对有上述多重需求的建筑，地源热泵一套系统就可 同时解决，节省了建筑的大量配套建设费用和配套设施占用面积；目前广泛使用 的地源热泵空调系统，全年的冷、热量输出稳定，不受室外气温变化的影响，并 且其能效也要比一般空气源热泵系统高出2 0 4 0 【3 6 】。如，连云港职业技术学 院河水源热泵空调系统投入运行后，建筑节能达5 0 以上、季节性供热系数达到 2 5 以上、季节性供冷系数达到3 5 以上【3 7 - 3 9 1 。另外，地表水，地下水和浅层地 山东大学硕士学位论文 温的变化范围远小于环境气温的变化范围，使地源热泵全年运行稳定，再加之热 泵系统自动化程度较高，保证了地源热泵采暖、空调系统比传统的采暖、空调系 统具有更高的可行性、稳定性和可靠性。 目前，作为地源热泵系统重要类型之一的海水源热泵系统，在青岛等沿海大 中城市的运行实践中已充分表现出了上述特性。青岛等沿海城市选择海水作为热 泵冷热源，有其独特的区位优势和比较优势，青岛处山东半岛南端、黄海之滨， 三面环海，海岸线总长度为8 6 2 k r n ，海湾4 9 处，海岛6 9 个，拥有近海海域面积 约达1 3 8 万k 砰，海水资源极为丰富，且海水在一定深度其温度受气温的影响相 对较小，全年较为稳定，是热泵系统理想的冷热源- 4 2 1 。这就为大规模投入运行 海水源热泵空调系统提供了基本的能源保障，该系统用海水作为热源或热汇，并 通过热泵机组，加热热媒或冷却冷媒，最终为建筑提供热量或冷量。该系统夏季 向海水排热，冬季从海水取热，由于海洋本身是一个巨大的动态能量平衡系统， 可以自然地保持其能量接收和发散的相对均衡，因此属于可循环的绿色再生能 源。同时，环境效益显著，比较燃煤锅炉二氧化碳排放量与用相同燃料产电驱动 热泵所排放的二氧化碳量，使用热泵平均可减少3 0 的二氧化碳排放量，在一 些场合甚至可减少5 0 t 4 3 4 5 1 。另外，由于水的热容较大，水源热泵具有较高的 c o p 值，一般在3 2 5 5 以上，该系统可以通过少量的电能输入获得较高的能量 输出，运行高效节能 4 6 。当前，该系统已广泛应用于青岛等沿海城市濒临海域 的各类新建小区，为新兴房地产项目的发售、运营提供了坚实技术和能源保障 4 7 1 。 1 2 2 国家开发地源热泵系统的时代背景和对其给予的巨大支持 自上世纪9 0 年代以来，为缓解日益严峻的全球性能源危机，世界各国特别 是欧美发达国家积极探寻替代旧有传统能源的途径、技术和方法，把对地源热泵 系统的研发应用和市场推广作为高效利用新兴能源的突破口，予以重点扶持和发 展，取得了显著成效。如，美国，1 9 9 4 年在国家能源部的主导下，设立了国家 能源综合规划项目0 , r e c p ) ，并为此成立了初投资竞争委员会、技术保证委员会 和公共建筑加强委员会。这三个委员会根据各自的问题分别提出解决方案，并基 本解决了问题。到2 0 0 1 年4 月为止，美国已安装了4 0 多万台地源热泵【4 5 u j 。欧 山东大学硕士学位论文 洲，地源热泵广泛应用于新建房屋，系统末端提供地板辐射采暖。2 0 0 1 年，地 源热泵在欧洲的总销售量达3 9 3 5 0 台。特别是德国，地源热泵的应用推广极为迅 速，市场份额呈直线上升，地源热泵占所有热泵形式的比例由2 0 世纪8 0 年代后 期的不到3 0 ，提升到1 9 9 6 年的7 8 ，2 0 0 2 年提升到8 2 【5 1 弼1 。瑞典也是研发 地源热泵的典型国家，地源热泵应用技术已经相对成熟，建筑环境用能比例不断 下降。瑞典s t o c h h o l m 地区1 1 0m 2 的独立式住宅，由于运行了地源热泵系统，每 年能耗仅1 5 ，0 0 0 1 7 ，0 0 0k w h ，比改进之前节能6 ，0 0 0 8 ，0 0 0k w h p 6 j 。 在上述时代背景下，针对世界各国特别是欧美发达国家高度重视研发和应用 新能源的紧迫态势，近年来，我国立足国情，积极应对，抢占新能源“开发高地”， 把加快能源结构的战略转型，作为推动经济发展方式转变的关键环节，把地源热 泵系统开发等低碳技术的推广应用，作为加快能源结构战略转型的突破口和切入 点，在制定经济社会发展规划、着力健全法律法规、加强行业专项指导、着力调 整能源结构、资金优先扶持保障、城市示范应用推广和国际双边能源合作等方面， 给予了充分倾斜和巨大支持。 经济社会发展规划方面。关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划 的建议明确提出，把大幅降低能源消耗强度和二氧化碳排放强度作为约束性指 标，有效控制温室气体排放。合理控制能源消费总量，抑制高耗能产业过快增长， 提高能源利用效率，调整能源消费结构，增加非化石能源比重【l 刚。 着力健全法律法规方面。2 0 0 6 年1 月1 日中华人民共和国可再生能源 法正式实施。严格界定了可再生能源的概念，它是指风能、太阳能、水能、 生物质能、地热能、海洋能等非化石能源【l6 1 。在法律上首次提出国家将可再生 能源的开发利用列为能源发展的优先领域，通过制定可再生能源开发利用总量 目标和采取相应措施，推动可再生能源市场的建立和发展【5 7 】。地热能的开发与 利用被明确列入新能源所鼓励发展的范围。 加强行业专项指导方面。2 0 0 5 年1 1 月2 9 日，国家发展和改革委员会第2 5 1 7 号文件下发关于可再生能源产业发展指导目录的通知，制订并颁布了中华 人民共和国可再生能源产业发展指导目录，“地热发电、地热供暖、地源热泵供 暖或空调、地下热能储存系统”被列入重点发展项目；“地热井专用钻探设备、地 1 2 山东大学硕士学位论文 热井泵、水源热泵机组、地热能系统设计、优化和测评软件、水的热源利用”等 被列为地热利用领域重点推荐选用的设备【5 8 1 。 着力调整能源结构方面。2 0 0 7 年6 月，国务院发布国务院关于印发节 能减排综合性工作方案的通知( 国发 2 0 0 7 1 5 号) ，方案中明确提出要“积极 推进能源结构调整。大力发展可再生能源，抓紧制订出台可再生能源中长期规 划，推进风能、太阳能、地热能、水电、沼气、生物质能利用以及可再生能源 与建筑一体化的科研、开发和建设，加强资源调查评价 5 9 】。 资金优先扶持保障方面。2 0 0 6 年5 月，国家财政部发布可再生能源发 展专项资金管理暂行办法( 财建 2 0 0 7 1 3 7 1 号) 中明确提出“加强对可再生能 源发展专项资金的管理，重点扶持燃料乙醇、生物柴油、太阳能、风能、地热 能等的开发利用【1 9 】。”其中第二章有关“扶持重点”第七条中提出“在建筑供热、 采暖和制冷的可再生能源开发利用，重点支持太阳能、地热能等在建筑物中的 推广应用【删。” 城市示范应用推广方面。2 0 0 9 年8 月，为贯彻国务院关于节能减排战略 部署，深入做好建筑节能工作，国家财政部、建设部联合发出可再生能源建 筑应用城市示范的通知，以调整建筑用能结构为目的，以可再生能源城市级 规模化应用为基本途径，以项目示范为重点，坚持不懈推进节能减排，提高可 再生能源建筑应用比例，实现社会经济的可持续发展的目标 6 1 1 。 国际双边能源合作方面。1 9 9 5 年，中国国家科技部与美国能源部共同签署 了中华人民共和国国家科学技术委员会和美利坚合众国能源部效率和可再生 能源技术的发展与利用领域合作协议书，并于1 9 9 7 年又签署了该合作协议书 的附件六中华人民共和国国家科学技术委员会与美利坚合众国能源部 地热开发利用的合作协议书。两国政府明确将地源热泵空调技术纳入了两国 能源效率和可再生能源的合作项目 6 2 】。 1 2 3 本文研究的主要内容、目的及意义 本文着重探讨了热泵的结构及原理，对污水源热泵的设计进行了可行性分 析，对国内外污水源热泵的技术开发和应用现状进行了梳理回顾和前景展望，对 当前研发应用污水源热泵系统的重要意义进行了必要阐述。热泵的结构及原理方 山东大学硕士学位论文 面，对热泵的起源及发展、定义分类和冷热源等问题进行了探讨分析，着力考察 研究了空气源热泵、水源热泵、( 主要指地下水水源热泵系统和地表水水源热泵 系统) 土壤源热泵系统的结构原理、应用规律和实践成效；污水源热泵设计的可 行性分析方面，通过研究分析污水源热泵系统应用的具体工程项目，对系统原理、 设备选型及相应设备性能参数、系统综合功效等做了定性结论，明确指出污水源 热泵系统在经济性、环保性、安全性、稳定性等方面优势突出，应用开发已具备 显著可行性且前景广阔；国内外污水源热泵的技术开发和应用现状方面，对国外 热泵技术研发及应用的基本情况做了梳理回顾，重点总结了欧美国家热泵技术研 发及应用的显著特点和呈现出的鲜明实践特色，对国内特别是近年来热泵技术研 发及应用的主要现状做了探讨分析，重点指出了目前我国热泵技术研发及应用的 薄弱环节，主要是在市场准入制度、行政服务体系、应用范围和领域等方面问题 较为突出，成为制约热泵技术推广应用的“瓶颈”障碍；研发应用污水源热泵系 统的重要意义方面，在对我国能源利用现状和能源结构战略转型进行考察研究的 基础上，明确指出，加快开发和推广应用以低碳环保、绿色节能为特征的热泵系 统，是着力改善当前能源利用现状，推动能源结构优化升级、积极实现多元化战 略转型，切实缓解当前能源供给巨大压力的有效技术途径。 山东大学硕士学位论文 第2 章热泵的原理及分类概况 2 1 热泵的基本概念 随着经济的发展和人们生活水平的提高，公共建筑和住宅中的的冬季供暖和 夏季制冷已经成为普遍的需求。燃煤锅炉是传统热源，而我国燃煤工业锅炉效率 低，污染重，节能潜力巨大。锅炉设计效率为7 2 8 0 ，平均运行效率约 6 0 6 5 ，平均运行效率比国外先进水平低1 5 2 0 个百分点；每年排放烟尘约2 0 0 万吨，二氧化硫约6 0 0 万吨，是仅次于火电厂的第二大煤烟型污染源1 6 2 】。对此 更新、替代低效锅炉：采用新型高效锅炉房系统更新、替代低效锅炉，提高锅炉 热效率，而引进的燃油、燃气锅炉则运行费用很高，而且逐年增长。 热泵技术的开发为利用可再生能源提供了强有力的手段，从而满足了节约能 源和环境保护的要求，在中国科学院( 8 8 ) 能字0 0 4 号关于印发“热泵在我国开 发与应用的可行性论证”的通知中指出，热泵技术是节能的手段之一，对低位热 能的开发和利用具有重要意义1 6 3 1 。 2 1 1 热泵的定义 热泵( 制冷机) 是通过做功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置 【3 】。其以消耗一部分高品位能源( 机械能、电能或高温热能) 为补偿，使热能从 低温热源向高温热源传递的装置。实质是借助降低一定量的功的品位，提供品位 较低而数量更多的能量。由于热泵能将低温热能转换为高温热能，提高能源的有 效利用率，因此是回收低温余热、利用环境介质( 地下水、地表水、土壤和室外 空气等) 中储存的能量的重要途径，能有效节省能源，减少大气污染，降低排放 标准。 2 1 2 热泵的分类 热泵( 制冷机) 是通过做功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置 【6 4 1 。这一术语，源于与水泵在功能上的形象对比。水泵的功能在于把水从低水 位处抽吸到高水位处排放。而热泵则是种将低温热源的热能转移到高温热源的 山东大学硕士学位论文 装置。 热泵按驱动功的形式不同可分为：机械压缩式热泵、吸收式热泵、蒸汽喷射 式热泵，常见的是机械压缩式热泵。根据机械压缩式热泵所吸收的可再生低位热 源的种类不同，热泵可分为：空气源热泵( 空气，空气热泵、空气- 水热泵) 、水 源热泵( 水水热泵、水空气热泵) 和地源热泵( 土壤空气热泵、土壤水热泵) 等。由于水的质量热容大，传热性能好，因此在可以获得温度较为稳定的大量水 源的地方，水是理想的冷热源，而且与传统的空调型式相比，设计安装良好的水 源热泵具有明显的优势【6 5 - 6 6 1 。 蒸汽压缩式热泵装置的工作原理与蒸汽压缩式制冷机的工作原理是一致的。 逆卡诺制冷和逆卡诺制热循环的组成和作用是相同的，都是由两个可逆的绝热过 程和两个可逆的等温过程所组成。在蒸发器中的等温过程从低温热源中吸取热量 ( 制冷) ；在冷凝器中的等温过程向高温热源放出热量( 供热) 。夏季空调降温 和冬季采暖，都是使用同一套设备完成的，冬季采暖和夏季空调的改变，是机组 内通过一个换向阀来调换蒸发器和冷凝器工作的，因此热泵又可定义为能实现蒸 发器与冷凝器功能转换的制冷机。蒸汽压缩式热泵是利用电能作驱动力，可以得 到比用电直接加热获得多几倍的热量，这是因为输入给热泵的电能不但本身转变 成了热，而且靠它作功，把大量存在于周围环境介质中处于低位势的热提高到了 可利用的一定高的位势。 2 2 热泵的起源及发展 2 2 1 热泵的起源 热泵技术的理论基础起源于法国工程师尼古拉莱昂纳尔萨迪卡诺于1 8 2 4 年发表的关于卡诺循环( c a r n o tc y c l e ) 的论文。卡诺循环：由两个可逆的等温过程 和两个可逆的绝热过程所组成的理想循环。其包括四个步骤：等温膨胀，绝热膨 胀，等温压缩，绝热压缩。即理想气体从状态l ( pl ，v 1 ，t1 ) 等温膨胀到 状态2 ( p2 ，v 2 ，t2 ) ，再从状态2 绝热膨胀到状态3 ( p3 ，v 3 ，t3 ) ，此 后，从状态3 等温压缩到状态4 ( p 4 ，v 4 ，t 4 ) ，最后从状态4 绝热压缩回到 状态l 。这种由两个等温过程和两个绝热过程所构成的循环成为卡诺循环。 1 6 山东大学硕士学位论文 开尔文( l o r dk e l v i n ) 于1 8 4 8 年创立了热力学温标，指出：这个温标的特 点是它完全不依赖于任何特殊物质的物理性质。这是现代科学上的标准温标。 1 8 5 1 年他提出热力学第二定律：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而 不产生其他影响。并提出“冷冻装置可以用以加热”。1 8 5 2 年发表论文，提出了 用空气作为工质的热泵技术。 2 2 2 热泵的发展 1 9 1 2 年瑞士人佐伊利提出的关于利用土壤作为热源的专利设想。1 9 2 7 年英 格兰一台用空气作热源的家用热泵安装成功。1 9 3 7 年日本开始采用透平式压缩 机，以泉水作为低温热源为建筑物进行空气调节。1 9 3 8 年第一台较大的热泵装 置在苏黎世投入运行，这台热泵装置以河水作为热源，装有一台回转式压缩机， 工质是r 1 2 ，用来向市政厅供热，其输出功率1 7 5 k w ，输出水温6 0 ，而且此 热泵装置夏季也能制冷。此后在欧洲的瑞士和英国，热泵的数量已经很可观。 2 0 世纪7 0 年代初期，人们广泛的认识到矿物燃料在地球上是有限的，19 7 3 年“能源危机”的出现更加深了人们对地球能源有限性的认识。而热泵以其回收地 下岩土、空气、水等物质中的低温热源的热量、节约能源、保护环境的特点得到 了广泛的应用。 7 0 年代以来，欧洲各国和苏、日、美、澳等国家对热泵研究工作十分重视。 苏、英、法、联邦德国、丹麦、瑞典、挪威等国家都参加了世界能源组织1 9 7 6 年成立的“国际热泵委员会”。 目前，世界各国对热泵技术应用的兴趣越来越浓，欧洲、日本、北美的制造 厂商都为工业、商业、民用建筑提供了大量热泵。诸如国际能源机构和欧洲共同 体都制定了大型热泵发展计划，并且，不少现有热泵技术和新技术试验，在新领 域中的推广应用工作也正在进行和规划当中。而热泵的用途也在不断开拓，不仅 仅用于采暖空调系统上，而且在工农商业上也得到广泛的应用。热泵工业正在迅 速成长，它将在节约能源方面起到重大的作用。 2 3 热泵的分类 2 3 1 空气源热泵 山东大学硕士学位论文 空气源热泵系统是以空气作为低温热源。分体式热泵空