1、水源热泵系统回收 城市 污水 低温 热能可行性分析 孙始财 1，张立智 2 （ 1山东科技大学土建学院 青岛 266510， 2青岛海尔空调器有限公司，青岛， 266001） 摘要 城市污水 赋存 巨大的低位热能 ， 通过 有效 措施 开发 应用于空调供热和制冷等低温区，将缓解日益严峻的能源和环境问题。本文对城市污水的 特点 、热泵系统 的 形式、 技术 性 和经济性 等方面 进行了详细的 探讨 ， 结果表明利用 水源 热泵 回收利用 污水热能具有可行性，从而 推动该项技术的深入研究、应用和发展 。 关键词 水源热泵， 城市污水 ， 低温热能 ， 可行性 分析 1 引言 随着国民经济的发 展，
2、我国 城市 污水排放量和处理量也快速增加。 据有关资料， 20062010 年，全国污水排放总量年平均增长率为 4%，预计到 2010 年全国平均城市污水处理率将达到 55%，到 2015 年，全国污水年处理量将达到 360 亿立方米 1。 巨大的污水量，不仅可以经过处理回用于工业、市政、农业等领域，缓解水资源的匮乏问题，同时 由于 污水水温具有冬暖夏凉的特点， 其中所 赋存的 丰富低位能源也不应低估。 在全球面临能源危机和环境污染的形势下， 人们开 始关注 这种 清洁能源 ， 特别是水源热泵技术的发展，为利用城市污水低位能源提供了技术保证， 从而 节省 高位能源的消费，解决城市能源缺乏问题。
3、 2 城市污水 优点 据测算， 在可利用的城市低位废热能源中，城市污水的热量最高， 约占总体的 39，如果 仅 按 2015 年污水年处理量 达到 360 亿立方米来计算 （约占总排放量的一半） ，其所含有的热能为 年均 1.78 1015kcal，可相当于 730 亿 kW 的发电量 或 1.58 1011m3 的液化气，可以供 789 万户家庭全年所消耗的电量。 加之目前的热泵技术已从对城市污水二级处理水的热能利用，发展到可直接回收利用未经过处理的城市污水热能，为推广和应用城市污水热能奠定了充足的水源 和 能量基础。 同时 城市污水冬暖夏凉，一年四季水温变化幅度较小，如华北地区 城市污水水
4、温 冬季 ,一般 为 13 17， ， 夏天 一般 为 22 25 ，与河水和气温相比较，受到气象等因素的影响很小 。 并且 具有 水质稳定、流量均匀，易于通过现有的城市污水管道进行收集等特点。 虽然 城市污水能量 品位比较低，不适合用作动力，却适合在 50左右以下的低温区内应用，如城市生活中空调 制冷和制热，特别是生活水平越来越高这部分能耗所占的比例越来越大。因此，通过热泵技术提升城市污水低位能源加以利用具有重大的经济和环保意义。 3 城市污水源热泵 系统形式 以为用 户提供冬季供暖、夏季制冷为例，在城市污水低位能源开发利用主要 是应用 水源热泵系统，以城市污水作为提取和储存能量的冷、热源，
5、借助压缩机系统，消耗少量 能量（ 电能 ） ，从低温热源吸取的全部热能 （ 电能吸收的热能）一起排输至高温热源，而其所耗能量的作用是使系统工质压缩至高温高压状态，从而达到吸收低温热源中热能的作用。 城市 污水 源 热泵系统可分为两类 ： 以处理水为水源 （如图 1 国外某 污水处理厂以 处理水为 水源 的热泵系统流程图） 和 以未处理污水为水源 （如图 2 国外某 污水热能利用系统 以为处理水为水源热泵流程图 ） 2。 以未处理污水为水源 优势是不受污水处理厂的位置限制，可以根据城市污水干管周围各种建筑设施的需要，因地制宜进行污水热能回收与利用，从而提高污水热能的利用效率。缺点是 未处理的污水
6、中含有大量杂质，需要设置去除各种杂质的装置，增加投资，维护管理不方便。 由于 利用城市污水泵站 ， 将污水中的 热能 传递到热泵系统中 ， 并能就近输送给用户 ， 增加污水热泵的服务范围。但由于未处理污水中含有大量杂质 ,水处理及换热装置比较复杂。 图 1 国外某污水处理厂以处理水为水源的热泵系统流程图 而 以 处理水为水源， 水质较好 ， 系统仅需要一级过滤器即可。但是 ， 由于污水处理厂一般位于市区边缘 ， 距热用户距离较远 ， 供热管线较长 ， 热损失较大 ，经济效益下降 。 图 2 国外某污水热能利用系统以为处理水为水源热泵流程图 4 技术经济可行性分析 4.1 技术可行性分析 目前，
7、国内尚无城市污水低位能源利用方面的工程实例。 文献 3根据国外的调查研究，对上述两种有代表性的系统进行了分析 ，其供热和制冷系统与处理污水或未处理污水的进出口温差密切相关。 对于如图 1 所示的以处理水 水源的 热泵系统 ， 冬季供热时， 当进出口平均温差为 3.8时 ， =4.49,而其最大值 =6.46。 夏季制冷时， 当进出口平均温差为5时 ， =4.62,而此时的最大值 =5.66。 对于如图 2 所示的以未处理水为热源用以供热的热泵系统， 冬季供热时， 当进出口平均温差为 1.9时 ，供热系数 =3.26， 其最大值则为 =3.97。 夏季制冷时， 当进出口平均温差为 3时 ，制冷系
8、数 =3.76， 其最大值则为无穷大。 可以看出 ,以未处理污水作为热源的热泵 ， 其供热系数和制冷系数一般均小于以处理后污水作为热源的热泵 ， 究其原因主要是未处理污水水质较差 ， 影响换热器的传热效果所致。同时可以发现 ， 加大污水进出口温差 ， 虽然可以提高制冷 量、供热量 ,但也会造成热泵系统加大 ， 使供热系数、制冷系数相对降低 ， 经济性不一定很高。 4.2 经济 性分析 国内某城市污水处理厂以处理后的水为水源进行了污水热能回收利用，试验中将污水源热泵系统、地下水源热泵系统和燃气锅炉供热与普通空冷空调供冷相结合的供能方式进行了比较，包括能耗、设备投资、单位负荷年运行成本 4。 从初
9、投资来看，水源热泵系统方案的初次投资量要比传统（燃气空冷空调）方案的初投资量大，约为其的 2 3 倍。但污水水源热泵系统与地下水水源热泵系统相比较，约为后者的 80左右。从年运行费用来看，（燃气空 冷空调）系统的费用最高，地下水水源热泵系统的次之，污水水源热泵系统的最少。在投资有效期（取 20 年）内，污水水源热泵系统的总运行费用大约是地下水水源热泵系统的 70左右，是（燃气空冷空调）系统运行费用的 45左右。由此可见，污水水源热泵系统比其它两方案更具经济性。 据统计， 利用 城市污水热能时 CO2 、 NOx、 SOx 及粉尘削减量 与传统的系统相比大约可 削减 20 30左右 5， 因此
10、从环保角度， 减少了治理环境污染的投入，其经济性也是相当可观。 5 存在问题 在我国，利用水源热泵系统开发利用污水中的低位能源研 究应用中存在的主要不足在于 （ 1） 缺乏水源出水情况对热泵系统 性能 影响分析 和解决措施 。 一方面是污水中的杂质、污染物等对换热效果的影响，其影响因素主要包括水源条件（进水流量、温度、流速等）以及换热器结构、材质等；另一方面是换热器在不同水质污水工作环境下的腐蚀情况，换热器在 污水 工作环境中的腐蚀要受到其自身条件（所采用的材质、结构、加工工艺等）以及环境条件（水质、 PH 值、水流速度、水温等）等因素的影响。 （ 2） 缺乏应用于污水环境中的热泵系统的设计经
11、验和 系统 高效 稳定 运行的 参数 ， 包括换热器的设计 、新型制冷工质研究、 污水的 流量、 损失等。 （ 3） 污水低位能源开发利用系统 评价指标体系 、标准化等 有待研究和完善。 6 结论 开发利用污水中所赋存 的低位能源，为 生产 和生活 提供部分清洁的可再生能源，可以取代部分燃煤锅炉， 保护环境。 同时能 适当优化我国的能源结构，缓解能源缺乏及分布不均的 现状 。 本文从城市污水优点、可应用 的污水源 热泵的系统以及技术经济可行性进行详细分析 ， 认为 为研究和推广利用城市污水低位能源提供参考。 参考文献 1. 毛大庆 . 城市循环经济建设中的污水 热能资源开发与水资源再生一体化研
12、究 . 生态环境 ， 2006， 133-137 2. 全贞花，尹军 .日本城市污水热能回收利用的发展现状 . 吉林建筑工程学院学报， 2000，20（ 3）： 4-6 3. 尹军， 韦新东 . 日本城市污水热能利用系统运行状况分析 . 吉林建筑工程学院学报，1999， 19（ 4） ： 31-38 4. 冯彦刚 . 城市污水低位热能回收利用的研究 . 工业用水与废水， 2002， 33（ 1）： 10-12 5. 尹军，韦新东 . 城市污水热能利用系统对减轻大气污染的作用 . 中国给水排水， 2002，18（ 10）： 36-38 作者简介： 孙始财，男 ，山东科技大学土建学院教师，目前感兴趣的领域主要有暖通空调、 节能和 新能源 （天然气水合物、地热、太阳能、工业余热等） 。 Email： ，电话：13645323546
