污水源熱泵技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用分析

近幾年以污水作為低溫?zé)嵩吹奈鬯礋岜眉夹g(shù)正得到人們越來越多的關(guān)注。本文介紹了污水源熱泵系統(tǒng)在暖通領(lǐng)域中的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景，從污水源熱泵的特點(diǎn)、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等方面將污水源熱泵系統(tǒng)與其他幾種常用系統(tǒng)進(jìn)行對比，并討論了應(yīng)用該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)問題，結(jié)果表明污水源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可行性明顯優(yōu)于其他幾種常用系統(tǒng)；最后分析探討了推廣該技術(shù)需要解決的問題及應(yīng)用前景。

一、前言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，資源需求量急劇增加，環(huán)境污染也日趨嚴(yán)重，影響了人們的正常生活和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。針對如此嚴(yán)峻的能源和環(huán)境狀況，我國提出一系列“節(jié)能減排”的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)理念，污水資源的開發(fā)利用也應(yīng)運(yùn)而生。城市污水是一種理想的低溫?zé)嵩?，且水量充足，有很大的發(fā)展空間。近年來，城市污水源熱泵技術(shù)作為一種節(jié)能環(huán)保的新型技術(shù)得到人們越來越多的關(guān)注。將污水中的熱能進(jìn)行有效地回收利用，既可緩解供暖空調(diào)所帶來的能源危機(jī)與環(huán)境污染，同時(shí)可以優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，緩解各地區(qū)能源需求的矛盾。雖然與國外相比該技術(shù)在我國起步較晚些，但以其優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性和可行性得到了越來越多的推廣和使用，是一項(xiàng)非常有潛力的技術(shù)。本文以城市污水源熱泵系統(tǒng)為研究對象，從技術(shù)特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性等方面論述其廣闊的發(fā)展前景。

二、污水源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.1污水源熱泵系統(tǒng)的工作原理

污水源熱泵系統(tǒng)是利用城市污水作為冷熱源的水源熱泵技術(shù)，根據(jù)污水夏季溫度低于室外氣溫，冬季高于室外氣溫的特點(diǎn)，利用熱泵技術(shù)將污水中的冷熱能轉(zhuǎn)換成高品位清潔能源。由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流機(jī)構(gòu)構(gòu)成蒸氣壓縮式熱泵裝置，作為空調(diào)/采暖系統(tǒng)的冷熱源。

污水源熱泵機(jī)組的選型低于10℃，夏季不超過30℃，是比較理想的計(jì)算分為兩部分，一部分是根據(jù)污水源的熱工參數(shù)確定污水換熱器；另一部分是在此基礎(chǔ)上根據(jù)冷熱負(fù)荷的大小確定熱泵機(jī)組。

2.2污水源熱泵系統(tǒng)的分類

污水源熱泵可分為不同的形式：（1）按照蒸發(fā)器形式的不同，污水源熱泵系統(tǒng)可以分為浸泡式、淋激式、殼管式三類；（2）按照所使用污水的狀態(tài)，污水源熱泵系統(tǒng)可以分為兩類：使用未處理的污水和使用二級出水（或中水）的污水源熱泵系統(tǒng)。前者可就近利用城市污水泵站或管網(wǎng)的污水，把未處理污水的冷/熱量傳遞到熱泵系統(tǒng)，就近輸送給用戶，可顯著增加區(qū)域供熱供冷范圍。后者水質(zhì)較好，處理過程比較簡單，系統(tǒng)可能僅需要一級過濾器，或者不需要過濾器。（3）按照污水的利用方式，可以分為直接利用和間接利用方式。

2.3污水源熱泵技術(shù)特點(diǎn)

污水源熱泵系統(tǒng)主要由污水換熱裝置與水源熱泵機(jī)組組成，其部分特性與常規(guī)水源熱泵系統(tǒng)相似。以城市污水作為熱泵冷熱源的熱泵系統(tǒng)具有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：

（1）利用可再生能源，是一項(xiàng)節(jié)能、環(huán)保、高效的能源利用技術(shù)，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
（2）城市污水具有水溫變化幅度小的特點(diǎn)，冬暖夏涼，受氣候影響較小。與河水水溫和空氣溫度相比，城市污水水溫冬季較高，夏季較低，污水水溫與處理水量、所處地域、污水來源及季節(jié)等有關(guān)，華北地區(qū)一般冬季水溫不低于10℃，夏季不超過30℃，是比較理想的熱泵冷熱源。
（3）污水水量充足，產(chǎn)生量大，幾乎全年保持恒定的流量，可利用區(qū)域廣闊。以2004年我國污水排放總量482.4億噸計(jì)算，若在冬季利用熱泵技術(shù)回收污水中蘊(yùn)含的熱量，按5℃溫差開發(fā)利用10%污水用于供暖，可節(jié)省用煤210萬噸左右，同時(shí)每年可減少600萬噸左右的CO2排放量。既節(jié)能又環(huán)保，對于冬季采暖問題很多且污水量巨大的大中型城市，均可建立污水熱能回收與利用系統(tǒng)。
（4）城市污水中含有大量的熱能。據(jù)估計(jì)，城市社區(qū)產(chǎn)生的廢熱40%含在污水中，且城市污水溫度受時(shí)間和季節(jié)的影響較小，水溫恒定，熱泵機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用壽命長。
（5）污水源熱泵系統(tǒng)在夏季節(jié)省了冷卻塔投資、冷卻水循環(huán)泵和冷卻風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，冬季也不需要設(shè)置鍋爐房，很大程度上降低了設(shè)備投資、區(qū)域管網(wǎng)費(fèi)用和系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)節(jié)省了占地面積，還避免了冷卻塔產(chǎn)生的噪音。日本實(shí)際應(yīng)用的城市污水熱能回收與利用系統(tǒng)的測算結(jié)果表明，與其它熱供給系統(tǒng)相比較，大約可降低運(yùn)行費(fèi)用30%左右。由于無需打井，污水源熱泵系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行維護(hù)成本也低于常規(guī)地源和水源熱泵系統(tǒng)。
（6）系統(tǒng)運(yùn)行過程中不污染環(huán)境：沒有燃燒，沒有廢棄物，不用遠(yuǎn)距離輸送熱量，只提取污水中的熱量，不改變其化學(xué)、物理性質(zhì)，不存在地下水的回灌和地表水的污染問題。污水源熱泵系統(tǒng)將大量建筑內(nèi)部的廢熱排放到污水中，而不是通冷卻塔或空調(diào)室外機(jī)排放到室外環(huán)境，使城市熱島效應(yīng)得到緩解。從污水源熱泵系統(tǒng)特點(diǎn)可以看出，污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能減排效果顯著。開發(fā)利用城市污水資源，對我國建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會具有重要意義，極具推廣與應(yīng)用價(jià)值。

2.4污水源熱泵技術(shù)研究現(xiàn)狀

一些發(fā)達(dá)國家對污水源熱泵技術(shù)的研究較早，且技術(shù)比較成熟。瑞典是最早將污水源熱泵技術(shù)應(yīng)用于城市區(qū)域供熱的國家。20世紀(jì)80年代在瑞典、挪威等北歐國家建造的一些以污水為低溫?zé)嵩吹拇笮蜔岜谜鞠嗬^投入運(yùn)行，在這些污水源熱泵系統(tǒng)中均采用淋激式換熱器直接提取污水中的熱量。日本也是較早使用污水源熱泵的國家之一，于1987年啟動(dòng)了污水熱能開發(fā)利用計(jì)劃并取得突破性成果，現(xiàn)在日本的城市污水處理廠已由單純的排放功能轉(zhuǎn)向了回用功能，其中工業(yè)用水的70%使用的是處理后污水，在城市建筑群區(qū)實(shí)現(xiàn)了城市污水回用與賦存的低溫?zé)崃抗δ艿睦孟嘟Y(jié)合。我國城市污水源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用起步較晚。2000年北京市排水集團(tuán)在高碑店污水處理廠建設(shè)了污水源熱泵試驗(yàn)工程，利用熱泵裝置向300平方米的車間和600平方米的機(jī)房冬季供暖、夏季制冷，經(jīng)三年的運(yùn)轉(zhuǎn)效果良好。此后，北京市排水集團(tuán)又在北京北小河污水處理廠安裝了一套規(guī)模更大的污水源熱泵，為該廠6000平方米的辦公樓和廠房供熱與制冷。河北秦皇島污水處理廠(供熱供冷面積約3500平方米)和哈爾濱馬家溝截留渠污水項(xiàng)目(供熱供冷面積約600平方米)等也在這方面進(jìn)行了有益的嘗試，且運(yùn)行效果都良好。但相對而言目前應(yīng)用的面積都還較小，與污水中含有的巨大能量相比還不成比例。

三、研究應(yīng)用中的技術(shù)難點(diǎn)問題

雖然城市污水是一種很理想的低位冷熱源，但由于污水水質(zhì)極其惡劣，污物含量達(dá)到1%以上，包括懸浮固體及溶解性化合物，要實(shí)現(xiàn)污水冷熱量的有效傳遞與轉(zhuǎn)換，必須克服污物對換熱設(shè)備的阻塞與污染問題，深入認(rèn)識污水在管內(nèi)流動(dòng)的阻力與換熱特性。污水源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn)主要為以下兩個(gè)方面：

（1）污物對系統(tǒng)的阻塞與污染問題

①大尺度污物對流通斷面的堵塞引起流量的急劇下降，發(fā)生嚴(yán)重堵塞時(shí)，流量會在幾分鐘內(nèi)降至零；②微尺度污物在換熱表面的沉積、附著，形成熱阻，降低傳熱效果，同時(shí)增大流動(dòng)阻力，隨著時(shí)間的推移也會造成堵塞現(xiàn)象；③溶解性化合物對流通壁面的腐蝕作用。常規(guī)的除污、防污手段，例如機(jī)械格柵、多級過濾、反沖法等均存在問題，解決此類問題的理想方法就是將污水處理到二級出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，然而提高污水出水水質(zhì)就意味著增加初投資，因此開發(fā)一套經(jīng)濟(jì)有效的除污工藝是污水源熱泵技術(shù)推廣和應(yīng)用的關(guān)鍵。

（2）污水在管內(nèi)的流動(dòng)與換熱問題

為經(jīng)濟(jì)可行地實(shí)現(xiàn)污水冷熱源的應(yīng)用，目前只能對污水作粗效預(yù)處理以解決污物對流通斷面的阻塞問題，污水中依然含有大量小尺度污物及溶解性化合物。初步的工程實(shí)測數(shù)據(jù)表明，污水的流動(dòng)阻力與換熱特性較清水有明顯差異，同等流速、管徑條件下，污水流動(dòng)阻力為清水的2～4倍，而換熱系數(shù)約為清水的25%～50%，污水的對流換熱與清水不同：一是污水黏度大，污水粘度可達(dá)到清水的15倍左右；二是非均質(zhì)，即非牛頓流；三是壁面有不可避免的附著物，熱阻加大，因此其水力計(jì)算與換熱設(shè)計(jì)將具有完全不同的理論模式。由于污水中的固相成分與結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前無法建立精確的兩相流數(shù)學(xué)模型，以單相非牛頓流模型求解污水宏觀的湍流流動(dòng)與換熱特性，是非牛頓流體力學(xué)的一個(gè)分支，具有理論與實(shí)際意義。可是相關(guān)的理論模型與計(jì)算方法并不成熟，雖然對城市污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究在一些北歐供熱發(fā)達(dá)國家起步很早，但由于城市污水水質(zhì)的特殊性而引起的換熱問題，一直以來成為污水源熱泵發(fā)展的阻礙因素。

四、污水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

如前所述，采用污水源熱泵系統(tǒng)，不論冬夏使用都不產(chǎn)生任何污染，不需設(shè)置鍋爐房、儲煤和堆渣的場地，減少了運(yùn)行管理費(fèi)用。此外，就污水源熱泵系統(tǒng)本身的性質(zhì)而言，在冬季其總體能源轉(zhuǎn)換效率也可達(dá)到115%～150%（考慮發(fā)電熱效率為33%），高于區(qū)域鍋爐房集中供熱系統(tǒng)；夏季可降低30%～40%的制冷電耗。對冬季北方地區(qū)采用各種供熱方式進(jìn)行供熱時(shí)的環(huán)境效應(yīng)和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，污水源熱泵系統(tǒng)比燃煤鍋爐和空氣源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用要低25%以上，更遠(yuǎn)低于其他供熱方式的運(yùn)行費(fèi)用。具體比較結(jié)果見表1。據(jù)測算，使用污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，夏季運(yùn)行費(fèi)用平均為20元/平方米左右，溴化鋰機(jī)組約為34.6元/平方米，家用空調(diào)機(jī)約為28.8元/平方米，污水源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用比其他空調(diào)方式低30%以上。

五、污水源熱泵系統(tǒng)需要解決的問題

雖然污水源熱泵有著廣闊的應(yīng)用前景，但在目前的應(yīng)用中還存在著一些問題：

（1）污水取用工藝。由于城市污水水質(zhì)成分復(fù)雜，水中含有大量懸浮物和污垢，且污水干渠中的污水處于湍流狀態(tài)，屬于固—液兩相流，因此污水取用分離工藝變得復(fù)雜。

（2）清潔技術(shù)。污水中含有大量泥沙和固體懸浮物，容易在彎頭、換熱器封頭漸擴(kuò)、漸縮口等局部構(gòu)件處積累，堵塞管路，影響換熱。因此清潔技術(shù)也是從污水中回收能量的關(guān)鍵技術(shù)，需要解決換熱設(shè)備阻塞、腐蝕、結(jié)垢等方面的問題。

（3）對污水源水溫的要求。污水水溫與城市所處的位置、城市的生活水平、城市污水的水量和構(gòu)成（工業(yè)污水與生活污水的比例）及季節(jié)等諸多因素都有關(guān)系，但污水源熱泵在冬季進(jìn)口水溫最好不低于12℃，以保證污水源熱泵系統(tǒng)冬季供暖的溫度需求，此外還需考慮是否設(shè)置蓄熱池、是否需要備用鍋爐。

（4）污水的換熱問題。污水含有大量小尺度污物及溶解性化合物，是一種固液兩相、固相多組分流體。污水的流動(dòng)阻力、換熱特性與清水有明顯差異，采用準(zhǔn)確的理論計(jì)算模式是污水源熱泵系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵問題。

六、結(jié)論與展望

（1）污水源熱泵系統(tǒng)相對于常規(guī)地源、水源熱泵系統(tǒng)具有更高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，在有條件的地方應(yīng)將其作為首選方案予以考慮。
（2）污物對系統(tǒng)的阻塞與污染問題以及污水在管內(nèi)的流動(dòng)與換熱問題是關(guān)鍵技術(shù)問題，解決好其換熱器表面結(jié)垢、阻塞、腐蝕等問題是該系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵。
（3）在大中型城市中應(yīng)用與發(fā)展污水源熱泵可以改變目前城市以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，是節(jié)能和開發(fā)可再生能源的重要研究內(nèi)容，是“可持續(xù)發(fā)展”理念在暖通行業(yè)應(yīng)用的重要手段，因此研究和發(fā)展污水源熱泵具有長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

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