污水源热泵系统火用分析汇编

1、污水源热泵系统研究现状及其火用分析陈鹏飞 哈尔滨工业大学市政环境工程学院摘要： 污水源热泵系统较经济、环保，且技术性较强。本文首先对其在国内外发展给出了简单介绍，然后分析了目前该系统的主要问题，即污垢引起的一系列问题和蒸发器和散热器的特殊设计。接着简单介绍相应解决方法，最后对污水源热泵系统在热泵及制冷工况下的各个设备的进行火用分析，给出各个设备的火用损失及整个热泵机组的火用效率计算公式。并进行实例计算，得出火用效率随着污水温度的变化的规律。关键词：污水源热泵，污垢， 火用分析，火用效率 Abstract: urban sewage source heat pump system is an e

2、conomical, environmentally friendly, and more technical system. Firstly, its domestic and overseas development are given a brief introduction, and then analyzes the main problems of the system, namely a series of problems caused by dirt and special design of the evaporator and the radiator

3、. Then a brief appropriate solution, and finally to the water source heat pump system in the conduct of each fire pump and refrigeration equipment with conditions analyzed, each device fire with fire damage and the entire heat pump units with efficiency calculation formula. And examples of calculate

4、d the exergy efficiency law sewage temperature changes over time.Keywords: urban sewage source heat pump, fouling, exergy analysis , exergy efficiency0 引言利用城市污水这一可再生能源实现建筑物供热空调，对促进建筑 能源和环境三者间的和谐发展将产生深远的影响。我国每年污水排放量为464×108m3/a，可利用的热量可供采暖空调面积为5亿m2以上。以黑龙江省为例，2000年全年污水排放量为1114×108m3/a,若考虑70%可

5、用，可利用的热量可供暖面积为1100万m2。城市污水的最大特点是冬暖夏凉，冬季温度一般在13左右，夏季温度稳定在22左右,而且一年之内，一天之内的水温相对稳定，水量也相对稳定。城市污水水量巨大，分布广泛，热能潜力巨大。中国是个严重缺水的国家，因此污水的回收再利用越来越受到关注, 并且在很多城市已经有实际工程运用了。污水源冷热水机组就是以城市污水作为冬季供热的热源，通过电驱动的压缩机把污水的低温热能转变为更高品位的热能供给用户。夏季时作为制冷的冷源,通过制冷循环制取低温以满足用户制冷空调的需求。这种装置既可用作供热采暖设备，又可用作制冷降温设备，从而实现一机两用。1国内外研究及发展现状受能源危机

6、的影响，20 世纪 70 年代以来，世界各国对热泵的研究工作十分重视，并且取得了显著进展。对城市污水源热泵（urban sewage source heat pump，USSHP）空调系统的研究，日本、挪威、瑞典及其他一些北欧供热发达国家起步很早，但由于城市污水水质的特殊性，一直以来进展缓慢。杨图夫斯基等人于 1978 年首次对河水、污水、海水的热能利用进行了研究探讨，认为热泵站供热可比热化电站、区域锅炉房集中供热节省燃料 20%30%，提出利用莫斯科河水作为热泵热源进行区域供热的方案，并从宏观角度分析了城市污水源热泵系统应用的价值与前景，引起了各供热发达国家的重视，挪威、瑞典、日本等国于 2

7、0 世纪 80 年代初期开始了相关的应用研究与实践。20 世纪 80 年代初在瑞典、挪威等北欧国家建造的一些以污水为低温热源的大型热泵站相继投入运行。目前，瑞典斯德哥尔摩 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二级出水。挪威奥斯陆 1980 年开始建设利用城市污水干管的污水作为低温热源的热泵站，第一台热泵机组已在 1983 年投入使用。塞勒利用处理后的污水作为低温热源的热泵站（3.3MW），1981 年 6 月投入运行后效果良好。由于能源危机和环境问题的日益突出，美国、日本、德国等发达国家也纷纷投入大量的财力和人力进行此项研究，并取得了一定的成果。采用热泵技术回收家庭生

8、活污水（淋浴水、洗碟机和洗衣机排水等）余热的设施实例也很多。对于约 10 人的住宅，采用热泵技术回收家庭生活污水余热可节能达 50%，对于 10 人以上的住宅可节能达60%。对于污水源热泵，国外研究应用很典型的两个工艺形式为淋水式与壳管式， 早在 1983 年就开始了工程实践，以挪威、瑞典为代表的一些北欧国家，于 1983 年开发出淋水式蒸发器污水源热泵（sprinkling evaporator sewage source heat pump，SE-SSHP）系统，经粗效过滤处理后的污水与制冷剂直接换热，将污水喷淋在板式（或管束）换热器外侧，污水呈膜状流动换热。运行 35 天用高压水冲洗换热

9、管，以去除沉积、附着在换热面的污物。日本也很注重废热回收利用，也是很早很典型的城市污水热能利用国家，1983 年开发了壳管式污水源热泵（shell-tube sewagesource heat pump，ST-SSHP）系统。利用具有自动防污功能的壳管式换热器实现污水的流动与换热，污水在管内流动，清水在管外壳体内流动，使用现有的水源热泵机组，通过二次换热实现蒸发或冷凝过程。日本东京从 1987 年开始启动城市污水源热泵项目，现有 12 个城市污水源热泵系统在运行，日用水量7000m3，总供热能力为8900kW，总供冷能力为11640kW。俄罗斯莫斯科乌赫托姆斯基小区也建有二级出水污水源热泵系统

10、供热站。为深入了解国外城市污水源热泵系统的设计与运行情况，在现有文献26的基础上，对日本的一个系统的参数与工况作了进一步分析计算，见表 1-1。该工程建筑面积 490m2，1987 年完成。 表 1-1日本某工程系统的参数与工况污水参数特点一级出水，冬季最低温度 12，夏季最高温度 26污水运行参数冬季平均温差 1.9，恶劣工况 12/10.8夏季平均温差 5，恶劣工况 25/30污水用量40m3/h制热（冷）量制热量 210KW，制冷量 280KW能效制热系数 3.26（最大 3.97），制冷系数 3.76（最小 3.61）输入功率30KW×2制冷剂R22小结，国外对污水源热泵系统

11、的研究，所见报道都是针对使用城市污水处理厂二级出水的系统，涉及到的工程实例较多，规模也较大，由于二级出水水质已经相当好，因此其应用技术相对简单而成熟。国外对原生污水源热泵系统的应用很少，这是因为面对此类污水，应用工艺及运行管理复杂，大尺度污物对换热设备的堵塞问题、换热器的污染结垢问题依然是需要解决的关键问题。 我国污水源热泵技术起步晚，但发展很快，其中比较有代表性的是以尹军为代表的对我国污水热能状况的理论分析研究，以孙德兴为代表的对城市污水冷热源的应用方法及装置的研究，以及以北京排水集团为承办单位的回收污水处理厂二级处理后污水中的热能工程原生污水热能的取用等，自2001年起，我国已经先后建立了

12、十几个污水源热泵供热制冷系统，系统运行良好随着能源需求的日益加剧和环境污染的日趋严重，将废弃的污水加以净化处理和重新利用的要求日益迫切，为此国家也出台了相应的污水再生利用的法规政策标准和规范，如中华人民共和国循环经济促进法、国务院关于加强城市供水节水和水污染防治工作的通知、中国节水技术政策大纲、全国城镇污水处理及再生利用设施建设”十一五”规划、城市污水再生利用技术政策、城市污水再生利用、污水再生利用工程设计规范、城镇污水热泵热能利用水质等，用以规范和指导污水的再生利用。2污水源热泵面临的问题由于污水源热泵的热源为工业或生活废水，废水成分复杂往往含有颗粒、泥沙，有的甚至具有腐蚀性，因此污水源热泵

13、的应用遇到了很多问题。现就主要问题及其解决方案进行分析。2.1污垢引起的问题大流动阻力固体污杂物对流体内部湍流的加强及固体壁面的摩擦使得污水流动阻力增加，特别是由于固体颗粒的惯性往往使得局部阻力成倍增加。同时，污垢层增厚也减小了管道的流通截面积，在流量恒定时，必然导致污水流速的增加，从而使整个换热设备流动阻力增加，进而增加水泵的功耗，又由水泵和管路的特性曲线可知，水泵流量将减小，从而导致污垢增厚，进一步降低了换热设备的性能，使系统节能效果降低。2.1.2低换热系数于污水水质换热面的腐蚀和结垢等的影响，污水换热器的换热系数较一般清水换热器要低，再对哈尔滨望江宾馆和北京悦都酒店污染后的换热器进行试

14、验检测时发现，其换热系数均为750W/(m2.k)大约是清洁时的50%.过低的换热系数，要求较大的换热面积和较高的运行费用，这严重影响了系统的整体性能，降低了系统的节能效果。2.1.3强腐蚀性腐蚀和结垢问题是相关联的，换热器表面的腐蚀为其他不洁物聚积在换热器表面提供了条件，促进了污垢的形成#同时污垢形成后，由于污垢层下缺氧，又为进一步的腐蚀创造了条件#在利用污水作为热泵冷热源时，由于污水水质的复杂性，其含有大量的具有腐蚀性和难溶性离子，成为影响该项技术推广应用的首要难题。2.2机组蒸发器冷凝器的特殊设计作为内切换热泵系统的换热器，一个最基本的要求就是能够实现蒸发器与冷凝器的双重功能。蒸发与冷凝

15、互为逆过程，而且换热过程中制冷剂工质的形态是不一样的，蒸发时主要是液态吸热，冷凝时主要是气态放热，工质形态的不同导致换热系数大不一样。另外，蒸发和冷凝的换热部位也不一样，对于满液式来说，蒸发时换热一般发生在下部，冷凝时则主要发生在上部#换热部位不同导致的后果是换热面积不同。因此，必须对直接式污水源热泵机组的蒸发器。冷凝器进行特殊的结构设计，使其满足机组专用换热器一器两用功能。机组换热器设计的关键问题是计算参数的选择，相对于常规的水源热泵机组，直接式污水源热泵的特殊之处在于它的流动工质，城市污水可被视为一种新的流动工质，由于缺乏相关的基础资料，现有的一些污水源热泵系统工程的设计人员一般都是采用按

16、照清水的物性参数对污水进行估算，并加以修正的办法，只是不同的设计人员采用的修正系数不同。因此，正确地选择污水的流动参数和换热参数是直接式机组换热器设计的关键。3 问题的解决策略3.1防垢、除垢对策目前适用于污水的防垢型换热器除不锈钢换热器外，还有钛或钛合金换热器、塑料换热器等。考虑其制造成本，钛或钛合金换热器很难广泛应用，而塑料换热器不能满足直接式热泵机组承压能力强、机械强度高的要求#金属表面的纳米涂层具有良好的疏水性和导热性，通过实验证明了其具有良好的抗垢性能#污水水质较差，很容易在换热器表面结垢，影响到换热效果，进而降低整个系统的性能，故需对换热面进行定期的清理。目前清除换热面污垢的方法有

17、两种: 化学法和物理法，化学法包括软化法、酸处理法、炭化稳定法及阻垢剂的应用等。但由于其较高的费用和易造成环境污染，一直未被广泛采用。物理法即靠流体的流动或物理机械作用提供一种大于污垢粘附力的力，使之从受热面剥落#广泛用于换热器除垢的方法主要包括喷水、喷汽、喷砂、喷丸、刮刀和钻头除垢、管子清洗塞、钢丝刷子清洗等，北京奥运村换热站的直接式污水源热泵系统则选择了胶球在线清洗系统进行机组换热器换热管的在线自清洗，其效果如何有待进一步考察论证。孙德兴等人开发设计了换热器内强力冲洗法与换热管内拉阀法在线除垢装置，为直接式污水源热泵机组中换热器的开发提供了借鉴。4 热泵系统的热力学性能分析热力学性能分析大

18、致可以分为三类，能量分析法，熵分析法，火用分析法。能量分析是建立在热力学第一定律的基础上的第一类热力学分析方法，它可以表示为 （1）能量分析只反映能量的数量损失，即外部损失，无法反映能量可用能即内部损失。熵分析是以热力学第一、二定律为基础的第二类热力学分析法，它可以表示为 （2）熵分析通过计算设备、装置或过程的熵产生量及理想功、损耗功，从而确定过程的功损耗及热力学效率，分析查找功损耗大的原因，提出节能降耗，提高能量利用率的途径及措施。但它只反映不可用能的变化。火用分析是以热力学第一、二定律为基础的第二类热力学分析法，它是对装置或过程，在物料和能量衡算的基础上，计算各物流和能流的火用值，通过火用

19、平衡，确定火用损失及其分布，找出损失或损耗的原因以及能量利用上的薄弱环节，从而为节能降耗提高能量利用率指明正确的方向。本文主要分析系统各设备的火用损失以寻找提高系统火用效率的最有效途径。现对污水源热泵系统的火用损失进行分析，并计算各部件的火用损失。本文的研究对象是直接换热式污水源冷热水机组，循环忽略换热器及管道的压降损失。该机组具有制冷和热泵双重功能，夏季制取冷冻水，冬季制取热水。冷热水机组设备各部件的火用分析如下： 图1 冬夏季压缩机流程图 图2 夏季制冷工况冷凝器流程图 图3 冬夏季节流阀流程图 图4 夏季制冷工况蒸发器流程图4.1 夏季制冷工况压缩机（流程图见图1）：火用方程为：取压缩机

20、为控制体，则属于稳态稳流过程，其中火用变则火用损为： （3）节流阀（流程图见图3）：火用方程为：取节流阀为控制体，则属于稳态稳流过程，其中火用变则火用损为： （4）冷凝器（污水侧换热器，流程图见图2）：火用方程为：取冷凝器为控制体，则属于稳态稳流过程，其中火用变，则火用损为： （5）蒸发器（用户侧换热器，流程图见图4）：火用方程为：取蒸发器为控制体，则属于稳态稳流过程，其中火用变，则火用损为： （6）制冷系统火用平衡方程式：则系统火用损为： （7）制冷工况系统火用效率： （8）式中：各设备的火用损失；压缩机的输入功；污水向系统传递的冷量火用；用户向系统传递的热量火用；热泵系统的收益火用；热泵系

21、统的支出火用；根据冷量火用、热量火用的定义，可将上述一些物理量写为： （9）式中： （10）其中：热泵机组供冷量； 热泵机组制冷性能系数； 环境热力学温度，取冬季室外日平均温度； 污水平均温度，； 系统向用户的供水温度，。系统的火用损失为： （11）制冷系统火用效率为： （12）4.2 冬季制热工况压缩机（流程图见图1）：火用方程为：火用损为： （13） 图5 冬季热泵工况冷凝器流程图 图6 冬季热泵工况蒸发器流程图节流阀（流程图见图3）：火用方程为：火用损为： （14）冷凝器（用户侧换热器，流程图见图5）：火用方程为：其中，则火用损为： （15）蒸发器（污水侧换热器，流程图见图6）：火用方程

22、为：其中则火用损为： （16）热泵供热系统火用平衡方程式：则系统火用损为： （17）热泵供热系统火用效率： （18）式中： 各设备的火用损失； 压缩机的输入功； 系统向用户传递的热量火用； 系统从污水吸收的火用； 热泵系统的收益火用； 热泵系统的支出火用；根据冷量火用、热量火用的定义，可将上述一些物理量写为： （19）其中：，并且 （20）其中：热泵机组供热量; 系统从污水中吸收的热量； 热泵机组制热性能系数； 环境热力学温度，取冬季室外日平均温度；系统的火用损失为 （21）热泵供热系统火用效率为 （22）4.3 实例计算分析污水源热泵机组的污水温度夏季在15 27之间变化，冷水机组以污水作为

23、冷却水制取进出口温度为12/7的冷冻水；冬季污水温度在1020之间变化，热水机组以污水作为热源，依热泵工况运行制取进/出口温度为40/45的热水。冬、夏季污水进出口均取5温差，换热器采用的是逆流式，两换热器的换热介质（污水、用户侧冷热水）的进口与制冷剂出口的温差取6，过冷度和过热度均取3，压缩机绝热效率取0.75。本文设定环境状态为：夏季33、1bar；冬季0、1bar。在夏季制冷工况时，保持冷水机组冷冻水的进/出口温度保持不变（12/7），污水的温度在1527之间变化时，依照上述的公式，可以得出，随着污水温度的变化，系统的总火用效率及COP值的变化，系统运行时从污水中提取的火用值及其占总输入

24、火用的比率。 图7 夏季制冷工况系统的 图8 夏季制冷工况污水中提取的 总火用效率及 COP值的变化 火用及其占总输入火用的比率在冬季热泵工况时，保持热水机组制取的热水进出口温度保持不变（40/45），污水的温度在1020之间变化时，依照上述的公式可以得出随着，污水温度的变化，系统的总火用效率及COP值的变化，系统运行时从污水中提取的火用值及其占总输入火用的比率。 图9 冬季热泵工况系统的 图10 冬季热泵工况污水中提取的 总火用效率及COP值的变化 火用及其占总输入火用的比率结果及分析：1） 随着污水入口温度的增加，在夏季制冷工况，系统的总火用效率及COP值逐渐降低，污水输入火用及其所占总输入火用的比例逐渐减小；2） 随着污水入口温度的增加，在冬季热泵工况，系统的总火用效率及COP值逐渐增加，污水输入火用及其所占总输入火用的比例也逐渐增大。4.4