污水源热泵系统的技术经济分析

污水源热泵系统的技术经济分析

付红春 杜 垲

（东南大学能源与环境学院，南京 210096）

摘 要： 本文简要介绍了污水源热泵的工作原理及系统形式，对污水的特性进行了简要介绍。对污水源热泵进行了技术分析，对各个部件进行了详细的火用分析，并得出整个 系统的火用效率。将污水源热泵同燃煤+空调，燃油+空调，天然气+空调及空气源热泵这几种传统的供暖空调形式分别进行了经济性比较，得出污水源热泵值得在 城市广泛推广的结论。

1 前言

近年来随着国民生产的发展，城市污水排放量逐年增加。根据文献[3]的介绍，截至1996年底，全国600余座城市年排污水总量约为353亿m3，处理量 为83亿m3，处理率为23%。 1998年，城市污水的年处理能量己增加到350亿m3。据《国家环境保护九五计划和2010年远景目标》要求，2002年全国新增城市污水处理能力 600亿m3，集中处理率达25%，2005年污水处理量达到2000亿m3左右，至2010年，城市集中污水处理率将达40%，新增城市污水处理厂 1000余座。城市污水处理量在某种程度上标志着城市污水热能的贮存量，从以上数据可以看出城市污水热能有巨大资源潜力。有效地利用城市污水中的热能，为 满足人们对100℃以下的低温能源的需求开辟了一条新的途径，具有长远的社会经济效益。

2 污水源热泵的技术简介

2.1 污水源热泵的原理

污水源热泵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。这种装置即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，其流程图见图1。

1.压缩机 2.四通阀 3.热源侧换热器 4.高压储液器 5.过滤干燥器 6.节流阀 7.止回阀 8.用户侧换热器

图1 污水源热泵原理图

表1 常用热源的温度特性

热源	温度范围/℃
周围空气 废 气 地下水 湖/河水 海水 土壤 废水和污水	-10～15 15～25 4～10 0～10 3～8 0～10 >10

2.2 热泵热源的特点

热泵的技术状况和经济性与热源的特点密切相关，在大多数情况下，热源的性质是决定其使用和整体性能的关键。表1列举几种常用的热源的温度特性。

城市污水全年保持相对较高且稳定的温度，而且具有以下特点：a)流量大且全年流量稳定；b)夏季温度低于室外温度，冬季高于室外温度，而且在整个供暖季和 供冷季，水温波动不大。根据北京高碑店污水处理厂长期测量的数据显示，冬季污水水温为13.5~16.5℃，高出气温20多℃；夏季污水水温为 22~25℃，又比气温低10多℃。

2.3 污水源热泵的系统形式

污水源热泵按与污水源的换热方式不同可分为直接换热式和间接换热式污水源热泵。直接换热式如图2所示，热泵机组的换热器直接与污水进行热交换吸取污水的热 量。间接换热式如图3所示，热泵机组的换热器通过中间热交换器与污水进行热交换吸取污水的热量。直接换热式一般多用于以二级污水为热源的热泵系统，直接以 城市原生污水 为热源的热泵系统多采用间接换热式热泵机组。

图2 直接换热式污水源热泵空调系统原理图

图3 间接换热式污水源热泵空调系统原理图

3 污水源热泵与传统热泵的技术经济分析

3.1 污水源热泵的技术分析

污水即使在冬季环境温度低于0℃时仍能保持在15℃左右，夏季环境温度高于35℃仍可保持在25℃左右，这就使污水源热泵机组的运行工况的到大大的改善， 与空气源热泵机组相比COP值也有明显的提高。

3.1.1 污水源热泵的火用分析

以直接换热式污水源热泵为例，系统设计参数：室内夏季设计温度为26℃，冬季设计温度为20℃，采用冷热水机组。污水源热泵夏季生产冷冻水 7/12℃；冬季生产热水 45/40℃。室外环境温度t0：夏季 33℃；冬季 -5℃。污水温度：夏季 25℃；冬季15℃。夏季蒸发温度3℃，冷凝温度30℃，过冷度2℃，过热度2℃；冬季蒸发温度10℃，冷凝温度55℃，过冷度3℃，无过热度。以R22 为制冷工质。压缩机的绝热效率为ηs=0.76，循环过程如图4所示，忽略管道阻力、冷凝器和蒸发器的阻力及压缩机的吸排气阻力。

图4 理论循环p-h图

压缩机终点2的确定：

由 得

单位质量稳定流动火用` 的计算公式 ：

ex =h-h0-T0(s-s0) (1)

单位质量冷量火用` 的计算公式： ex,ql=ql (1-T0/TL) (2)

式中：ex,w —— 机械功的火用

表2 夏季循环火用分析表

名称	计算公式	污水源	空气源
结果/kJ·kg-1	百分比 /%	结果/kJ·kg-1	百分比/%
压缩机的耗功 压缩机火用损失 冷凝器火用损失 蒸发器火用损失 节流元件火用损失 系统冷量火用系统总的火用效率	ex,w =wc=h2-h1 ex,l,c=wc+ex1-ex2 ex,l,con= ex2-ex4 ex,l,ev= ex5-ex1- ex,ql ex，l= ex4-ex5 ex,ql=(h1-h5)( T0/TL -1) ηex= ex,ql/ wc	29 6.03 3.54 2.46 4.5 12.47 0.43	100 20.8 12.2 8.5 15.5 43	34 7.82 7.14 3.06 4.62 11.22 0.33	100 23 21 9 14 33

注：夏季循环的火用平衡关系式为：ex,w= ex,ql+ ex,l ； ex,l—火用损；污水源 COP=5.97；空气源 COP=4.08

表3 冬季循环火用分析表

名称	计算公式	污水源	空气源
结果 /kJ·kg-1	百分比 /%	结果 /kJ·kg-1	百分比 /%
压缩机的耗功 压缩机火用损失 冷凝器火用损失 蒸发器火用损失 节流元件火用损失 系统热量火用 系统总的火用效率	Ex,w=wc=h2-h1 ex,l,c=wc+ex1-ex2 ex,l,con= ex2-ex4- ex,qh ex,l,ev= ex5-ex1+ ex,ql ex，l= ex4-ex5 ex,qh=(h2-h4)(1-T0/Th) ηex= ex,ql/ wc	39.5 8.1 5.1 5.7 5.0 22.9 0.49	84.4 17.4 10.7 12.1 10.8 49	66 14.0 7.2 8.0 11.3 25.5 0.386	100 21.2 10.9 12.2 17.1 38.6

注：冬季循环的火用平衡关系式为：ex,w+ ex,ql = ex,qh + ex,l 污水源COP=4.48；空气源 COP=2.94

表2、表3的污水源热泵和空气源热泵的参数是以环境状态下的参数为基准，在相同的室外条件下计算出来的。由以上分析可以看出，循环火用损失最大的部件是压 缩机，压缩机的主要损失又来自于不可逆绝热压缩，也即取决与绝热效率ηs，因此提高ηs是减少循环火用 损失的有效途径。与空气源热泵相比，污水源热泵的各个部件的火用 损失都有所减少，污水源热泵的总火用 效率比空气源热泵高10%左右。

3.1.2 污水源热泵的节能性

&nbs p; 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COP=2.94，约为 污水源热泵的66%。依此可以得出在相同的制冷量和相同运行条件下，污水源热泵比空气源热泵节能32%~34%，大大节省电能。且在冬季低温时空气源热泵 存在严重的结霜问题，严重影响系统的热力性能和稳定性，而污水源热泵热源温度稳定可靠，很好的解决了这一问题。与一般的水冷机组相比，可以节省冷却塔，避 免了冷却塔水飘散现象引起的水流失。

3.2 污水源热泵的经济分析

3.2.1 污水源热泵初投资

因为污水源热泵空调系统的用户侧系统与常规空调系统相同，所以仅比较机房部分的初投资。现以一4000m2综合楼以二级出水为热源的系统为例进行分析。冬 季热负荷为480 kW，夏季冷负荷为560 kW。根据目前的市场情况和江苏暖通空调情报网提供的信息，污水源热泵初投资为125元/m2，空气源热泵初投资为80元/m2，冷水机组+锅炉初投资为 138元/m2，在此计算过程忽略，可得出表4。

表4 各种系统初投资比较

系统形式	污水源热泵	空气源热泵	冷水机组+锅炉
初投资/万元	50	32	55

3.2.2 污水源热泵运行费用

对于热经济学而言，经常采用的评价指标是投资回收期。投资回收期是指工程项目净收益的累计值偿还投资总额所需的时间，一般以年为单位，从项目建设投资之日算起。根据投资回收期的定义有：

（3）

式中：Cin、Cout分别为年现金流入和流出量，CT为项目投资总额

由于上面提到的原因，也仅对机房部分的运行费用进行比较。因为空调系统的运行费用在很大程度上反映在能量消耗上，所以本文对由于能量消耗而产生的运行费用 进行比较。根据中国能源网和中国能源市场网站2006年最新公布的数字，可以得出锅炉燃料的热值和价格见表5，以此为依据得出各种系统的能耗及运行费用见 表6、表7。采暖期为110天，空调制冷期为100天。

表5 燃料的热值和价格

燃料	热值	效率/%	价格
煤/kg 柴油/kg 天然气/m3 电	28073 kJ·kg-1 41868 kJ·kg-1 36533 kJ·m-3	60 85 85 100	0.3 元/kg 4.36 元/kg 1.8元/m3 0.52元/度

表6 空调系统能耗比较

	污水源热泵/kW	空气源热泵/kW	冷水机组+锅炉/kW
夏季	93.8	137.3	133.3
冬季	107.1	163.3	煤：102.58 kg·kg-1 燃油：51.59 kg·h-1 天然气：59.13 m3·h-1

表7 空调系统运行费用比较

	污水源热泵/元·h-1	空气源热泵/元·h-1	冷水机组+锅炉/元·h-1
夏季	48.78	71.40	69.32
冬季	55.69	84.92	煤：29.18 燃油： 211.69 天然气：100.16

注: 冷水机组+锅炉：夏季制冷循环COP=4.2，冬季供热由锅炉提供热水

根据投资回收期定义，污水源热泵与空气源热泵相比，其投资回收期4.1年，初投资较冷水机组+锅炉系统少，运行费用除燃煤锅炉外，比其他两种方式省一倍以 上。因此可以得出污水源热泵的经济性很好，值得大量推广。

4 结论

（1） 采用污水源热泵空调系统可以实现一机两用，不用设置锅炉房和冷却塔，节省大量的机房面积，减少了对环境的污染。通过有效的经济技术分析，得出制冷时污水源 热泵的COP值最大，运行成本最低，冬季供暖时，燃煤锅炉的运行成本最低，然后依次是污水源热泵、空气源热泵、冷水机组+天然气锅炉、冷水机组+燃油锅 炉。

（2）通过对污水源热泵进行火 用 分析，可以得出热泵空调器系统节能的主要部件是压缩机，提高压缩机本身的技术指标，是提高整个制冷系统火用 效率的关键，其次适当降低热交换温差，是降低冷凝器和蒸发器火用 损失的有效途径。

（3）目前污水源热泵还是存在一些有待解决的问题，如从城市污水干渠取水的技术问题；污水处理厂一般建在较偏的地方，周围建 筑较少而污水量非常大，污水中 蕴藏的大量热能很难得到充分利用；污水换热器的结垢阻塞和腐蚀问题也还需进一步研究解决。

参考文献

Satoru Okamoto. A heat pump system with a latent heat storage utilizing seawater installed in an aquarium. Energy and Buildings. 2004,11：121-128 Xiao Chen, Guoqiang Zhang. The performance of an open-loop lake water heat pump system in south China. Applied Thermal Engineering. 2006,3：2255-2261 白莉. 城市污水热能利用技术的实验研究: [博士学位论文]. 吉林：吉林大学,2002 周文忠. 污水源热泵系统和污水冷热能利用前景分析. 暖通空调.2005年第34卷第8期：25-29 崔福义,李晓明,周 红.污水源热泵供热空调的技术经济分析. 节能技术.2005年第1期：14-17

Economic and Technical Analysis of Sewage Source Heat Pump System

Fu Hongchun Du Kai

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjin China 210096)

Abstract：The paper introduces briefly the principle of sewage source heat pump， presents the characteristics of sewage briefly. Technical analysis and exergy analysis of each part is made， and calculate the rate of exergy of the whole system. This paper introduces SSHP with conditional HVAC supplied by coal， oil， natural gas and air source heat pump， respectively makes the comprehensive economic analysis， finally make a conclusion that sewage source heat pump should be utilized widely in the cities.

Keywords：sewage source heat pump, technical analysis, exergy analysis, economic analysis

作者简介：付红春（1981~），男，硕士研究生