原生污水源热泵技术浅谈

摘要：城市原生污水是暖通空调非常重要的新能源，具备一系列良好的热能特征，发展前景巨大。文章阐述了原生污水源热泵系统的几个重要概念和常见系统形式，并在此基础上，展望了污水源热泵技术的发展趋势与研究方向。

关键词：原生污水源热泵；节能环保；机侧切换；水侧切换

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）19-0086-02

我国能源相对贫乏，人均能源则更为缺乏。进入21世纪，建筑业迅速发展，逐渐成为国民经济的支柱产业，同时也成为耗能大户。相关数据显示，建筑业中暖通空调领域的用能已超过我国社会总能耗的13%。因而对建筑物节能技术及新能源的研究、开发，事关建筑业发展的同时，也对我国建设资源节约型、环境友好型社会具有深远的意义。

1 原生污水源热泵技术特点与发展前景

原生污水冬夏季温度波动较小，数量可观，为原生污水源热泵技术的发展提供了良好的基础条件。冬季，热泵机组消耗部分电能，把原生污水中的低位热能提取出来，连同热泵机组耗的电转换成的热能一起释放到房间内，用来给室内供暖；与此相反，夏季热泵机组的蒸发器将室内的热量释放到污水体中，污水体是天然的冷凝器，进而实现消除建筑物夏季热湿负荷的目的。

储藏于城市污水体中的废热是原生污水源热泵的冷热源，污水源热泵系统就是合理利用该部分废热进行能量转换，从而实现建筑物的采暖空调。总结起来，其具有三大优势：

一是环保经济效益显著。由于供热时没有燃用各种燃料的锅炉房设备及其附属设施，从源头上避免了燃料“三废”的污染；供冷时不使用冷却塔，避免了冷却塔运行时的噪声污染及室外空气污染后所带给房间的交叉传染。同时，减少了冷却塔长时间运行的电耗，节省了运行费用，具有环保和经济的双重效果。

二是热泵机组效率高，节能性好。由制冷主机的特性知：主机的蒸发温度越高，冷凝温度越低，则其运行性能系数越大。城市原生污水则很好地符合这一条件。冬季，比空气温度高的原生污水进入热泵机组蒸发器，使机组蒸发器温度相应提高；夏季，比空气温度低的污水进入机组冷凝器，主机的冷凝温度相应降低。它们均使机组效率升高，相应的，机组和循环水泵的能耗降低，可很好地实现资源节约。

三是初投资、运行费用低。较之其他空调系统，污水源热泵系统的冷热源设备占地面积可节省30%～50%，这对于寸土寸金的城市用地，尤其有着重要的现实意义。利用先进的自动控制技术，污水源热泵系统可实现智能化操作，有效节省初投资和运行费用。

这两种水体虽然同为“污水”，内涵却不同，就同一热泵主机来说，却有着完全不一样的性能表现。城市原生污水实际上是一种固液两相，固相多组分流体，表现出很强的非牛顿流特点，它所含有的数量巨大的固体污染物，可以在较短的运行时间内堵塞任何传统形式的换热设备，使之完全失效。仅从外观看，二级出水就已与清水相差无几，水体中微生物及复杂化学成分的有效净化，使换热设备在防结垢和防腐蚀能力上进一步增强。

2 中介水与中介水系统

中介水连接着污水换热器与热泵机组，是两者间的“能量搬运工”，使用在间接式系统中。中介水系统主要由中介水泵、中介水管路、管路设备等组成。

3 污水源热泵常见系统形式

3.1 污水源热泵系统组成

1.污水沟；2.污水取排设施；3.热能交换器；4.主机蒸发器；5.主机冷凝器；6.主机膨胀阀；7.空调系统末端设备；8.空调系统末端水泵；9.主机压缩机；10.中介水循环泵；11.污水提升泵

污水源热泵作为一种工程技术，有种类多样的系统形式，而且它的系统形式有多个子系统构成，目前工程实践中多采用的是如图1所示的污水源热泵系统。

该污水源热泵系统由污水系统I、中介水系统II、热泵机组III和末端水系统IV组成。热能交换器3、主机蒸发器4和主机冷凝器5将四个子系统连成一个整体。

污水系统主要由污水取排设施、污水提升泵、管路系统等构成，其中的关键设备是污水取排设施，它兼具滤污和排污功能；中介水系统是中间载热系统，在间接污水源热泵系统中使用；热泵机组有多种形式和种类，是污水源热泵系统的核心；空调末端水系统主要由循环水泵、管路系统和末端空气处理设备等组成。

3.2 直接系统和间接系统

根据污水与制冷剂之间的换热关系将污水源热泵系统分为直接污水源热泵系统和间接污水源热泵系统。直接污水源热泵即间壁式换热的热泵系统，污水与制冷剂不通过任何载热媒质；间接污水源热泵系统指污水与制冷剂间热量通过载热媒质传递的热泵系统

直接污水源热泵不存在中介水子系统，较之间接系统，系统形式更加简单，机组性能系数更高。由热力学机理可知，一是中间载热媒质使污水和制冷剂间热阻增大，能量的转移过程阻力加大，因此耗散幅度很大，热泵系统的性能系数也相应降低。二是中间载热媒质缩小了污水的可利用温差范围，污水的供热功率自然也就减小了。简化的系统形式，较高的性能系数，使得直接污水源热泵系统初投资减少、运行稳定、高效节能，从而应用广泛。

3.3 机侧切换与水侧切换

污水源热泵空调系统一般都需要满足夏季供冷，冬季供热两种工况。换季时要考虑系统冬夏工况的切换，具体的切换形式在原理上有机侧切换和水侧切换，而在工程实际上则分为内部切换和外部切换。

污水或中介水只进主机蒸发器（或冷凝器），其在冬夏季分别作为蒸发器和冷凝器。通过改变制冷剂回路中阀门的方向，实现其工况的切换，称为机侧切换。直接污水源热泵系统使用机侧切换称为内切换热泵。真正意义上的热泵机组，是内切换热泵系统的核心设备，其蒸发器（或冷凝器）“一器两用”，兼有蒸发吸热和冷凝释热的功能。

主机中蒸发器和冷凝器的使用性质不随冬夏工况的改变而改变，冬季，污水或中介水若进蒸发器，夏季则进冷凝器。通过水系统中的阀门切换实现其工况转换，这种方式称为水侧切换。间接污水源热泵系统一般使用水侧切换，属于外部切换式热泵。外部切换式热泵系统对冷水机组要求不高，使用普通冷水机组即可。

水侧切换的热泵水系统较之机侧切换要复杂得多，因此管路中使用了很多电磁阀门，进一步对操作的要求也随之增高；但若采用机侧切换，较高的要求则在于对热泵主机本身，尤其是蒸发器和冷凝器的设计。由于现阶段污水源热泵机组设计技术不能满足实践需求，因此水侧切换式热泵系统形式较为常用。

参考文献

[1] 孙德兴.高等传热学[M].北京：中国建筑工业出版社，2005：69-74.

[2] 张承虎，孙德兴，吴荣华，等.城市原生污水源热泵系统空调设计小结[J].暖通空调，2008，（38）.

作者简介：李清（1989―），女，河南商丘人，长安大学环境科学与工程学院本科学生，研究方向：环境科学与工程。