污水處理廠一級A出水低溫熱能的回收與應用

帖春英，袁 元，吳靖峰

(1.中國京冶工程技術(shù)有限公司，北京 100088；2.景德鎮(zhèn)市環(huán)境監(jiān)測站，江西 景德鎮(zhèn) 333000；3.北京中科凱夫科技有限公司，北京 100021)

污水處理廠一級A出水低溫熱能的回收與應用

帖春英1，袁 元2，吳靖峰3

(1.中國京冶工程技術(shù)有限公司，北京 100088；2.景德鎮(zhèn)市環(huán)境監(jiān)測站，江西 景德鎮(zhèn) 333000；3.北京中科凱夫科技有限公司，北京 100021)

闡述了國內(nèi)外污水熱能的應用現(xiàn)狀，介紹了污水源熱泵的工作原理、系統(tǒng)優(yōu)越性、存在的問題。以工程實例證明污水源熱泵是高效節(jié)能、經(jīng)濟可行、節(jié)能環(huán)保的新能源，對開發(fā)新的清潔能源、減少溫室氣體排放有重要價值。

城市污水;污水源熱泵;節(jié)能環(huán)保

1 引言

目前，我國污水處理廠年處理污水量達464億m3，經(jīng)過處理后的污水大部分排放未加以利用，造成水資源的大量浪費。究其原因，或是處理后出水水質(zhì)達不到用戶的使用要求，或是運行成本較高，經(jīng)濟上不可行。而常規(guī)能源日漸短缺，溫室效應明顯加快，環(huán)境污染日趨嚴重[1]。

暖通空調(diào)能源消耗給能源和環(huán)境帶來了巨大壓力，開發(fā)利用低位可再生清潔能源是節(jié)能降耗使用新模式。全國污水處理廠的污水的能量如能全部利用，可供采暖空調(diào)面積達5億m2[2]，并可節(jié)省用煤量0.33億噸，以全國年總能耗30億噸標煤計算，即可節(jié)煤1.1%；若按暖通空調(diào)的一次能源消耗量10億噸標煤計算，節(jié)煤可達3.3%。同時每年還可減少污染物排放量達72萬噸。

2 污水源熱泵應用現(xiàn)狀

2.1 國外應用現(xiàn)狀

在西方一些發(fā)達國家，由于其環(huán)保政策和能源結(jié)構(gòu)，污水水源熱泵技術(shù)在這些國家中的研究和應用很多。如，瑞典斯德哥爾摩有40%的建筑物采用熱泵技術(shù)供熱，其中10%是利用污水處理廠的出水；日本對污水源熱泵技術(shù)也進行了大量的研究，并且處于世界的領先地位[3]。瑞典及日本的部分工程實例如表1所示（以利用污水處理廠出水為例）。

表1 瑞典及日本部分污水源熱泵的應用情況

2.2 我國應用現(xiàn)狀

20世紀90年代中期，我國開始出現(xiàn)采用地下水替代空氣作為熱源的熱泵。污水源熱泵在原生污水利用中漸露頭角，技術(shù)日益成熟，并在我國北方很多省份得到應用[4-5]，但在污水處理廠內(nèi)的應用還是近年來才發(fā)展起來的[6]。一些以利用污水處理廠出水作為熱源的工程實例見表2。

表2 我國部分污水源熱泵應用工程實例

3 污水源熱泵原理

污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是使熱量從低溫介質(zhì)流向高溫介質(zhì)的裝置，是利用污水，借助制冷循環(huán)系統(tǒng)，通過消耗少量的電能，在冬天將水資源中的低品質(zhì)能量“汲取”出來，經(jīng)管網(wǎng)供給室內(nèi)空調(diào)、采暖系統(tǒng)、生活熱水系統(tǒng)；夏天，將室內(nèi)的熱量帶走，并釋放到水中，以達到夏季空調(diào)制冷的效果。其工作原理見下圖。

污水源熱泵工作原理圖

4 污水熱泵的特點

4.1 優(yōu)越性

（1）環(huán)保潔凈

污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是新型清潔能源利用技術(shù)，采取市政污水沒有任何污染，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，對防止空氣污染、環(huán)境保護、實現(xiàn)自然生態(tài)平衡具有重要的作用，是理想的清潔能源。

（2）節(jié)水、節(jié)電

以市政污水處理后的出水為水源體，向其吸收或放出能量，既不消耗水資源，也不會造成污染，且無需設冷卻塔，可節(jié)約大量水資源。

污水源熱泵系統(tǒng)70%以上的能量來自廢水，是無須“付費”的，只有30%以下的能量由電能驅(qū)動轉(zhuǎn)化而來，產(chǎn)出能量與輸入電量的比值（COP）在4～5之間，與以電、油或燃氣為熱源的供熱系統(tǒng)相比，污水源熱泵具有明顯的優(yōu)勢；污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能源利用率為傳統(tǒng)方式的3～4倍，投入1kW的電能可得到3～4kW以上的制冷或供熱的能量。運行費用可節(jié)省1/3～1/2。

（3）靈活安全

真正做到“一機多用”。利用污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)冬季向建筑物供暖、夏季向建筑物供冷，并可提供生活熱水，提高了設備的利用率，且系統(tǒng)末端亦可作多種選擇。

（4）運行經(jīng)濟、可靠

由于城市污水水溫高且相對穩(wěn)定，全年變化幅度較小，因而污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)機組運行情況穩(wěn)定；熱泵裝置不需要燃料輸送費用和保管費、排渣運輸費等；鍋爐設備與高溫煙氣接觸，構(gòu)件極易受損，而污水源熱泵系統(tǒng)只有兩個部件運動，磨損少，平時無需任何檢修，因而檢修周期較長；自動化程度高，無需專業(yè)人員操控，管理人員與勞動強度均可減少。

4.2 存在的缺陷

（1）受水質(zhì)的影響很大，污水循環(huán)過程中的腐蝕、結(jié)垢、堵塞及微生物的沉積生長，極易在換熱管內(nèi)外表面沉積形成粘性污泥，污水泥層運行一周熱阻將達到最大值；污水如果直接進入換熱器，仍然會對系統(tǒng)造成一定的影響。

（2）由于能量在傳輸過程中存在損耗會造成末端溫差過大，達不到保溫效果；因此，用戶點離熱泵機房一般應在300米以內(nèi)。

（3）鍋爐采暖方式供/回水溫度可達90℃/70℃，而污水源熱泵比較經(jīng)濟的供/回水溫度為45℃/40℃，導致管網(wǎng)末端能量損失后溫度過低。因此對于規(guī)模化應用尚需研究與探索。

5 工程案例（以河北秦皇島某污水處理廠為例）

5.1 水源概況

河北秦皇島某污水處理廠的處理量為4×104m3/d，處理后出水水質(zhì)達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A標準。冬季出水溫度在12℃～18℃，氣候影響較小，因此是水源熱泵系統(tǒng)理想的低溫熱源。

5.2 熱負荷設計

該污水處理廠區(qū)內(nèi)的采暖建筑面積為4311m2，制冷建筑面積為1735m2。室外設計溫度為-9.9℃，室內(nèi)設計溫度綜合樓、食堂浴室為18℃～20℃，廠區(qū)生產(chǎn)構(gòu)筑物為5℃～8℃，冬季空調(diào)系統(tǒng)熱負荷567.8kW，供/回水溫度45℃/40℃。夏季空調(diào)系統(tǒng)冷負荷203kW，供回水溫度7℃～12℃。其工程熱負荷分布見表3。

5.3 設備選型

考慮到15%管網(wǎng)能量損失及末端負荷的匹配及不同期使用系數(shù)，設備包括水源熱泵機組及其配套裝置。選用主要設備：1臺WPS180.1B熱泵機組（制冷量609.2kW，供熱量627kW）；空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水泵2臺（1用1備)，Q=78.4m3/h，H=31m，N=10.5kW；定壓補水泵2臺（1用1備），Q=7.2m3/h，H=20m，N=0.75kW；板式換熱器BR0.25M 型1臺；循環(huán)水泵1臺，Q=95m3/h ， H=18m，N=6.5 kW；污水源循環(huán)水泵1臺，Q=100m3/h，H=20m，N=7.5 kW；配套定水罐、軟水器及集分水器各1套。

表3 工程熱負荷分布

5.4 工程效益

設備初期投資32.11萬元（含末端風機盤管），經(jīng)初步測算，污水源熱泵系統(tǒng)在污水處理廠廠前區(qū)和生產(chǎn)區(qū)供暖時單位采暖面積直接成本19～21元/m2，單位熱量成本為0.18～0.4元/kW·h。該工程比其他供暖系統(tǒng)節(jié)約成本30%左右。自2009年12月到2010年4月試運行，經(jīng)歷了當?shù)刈畹蜌鉁兀到y(tǒng)運行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著，能夠達到設計溫度的要求。

6 結(jié)論

（1）該工程將城市污水出水應用于污水源熱泵技術(shù)進行供暖、制冷，進一步驗證了污水源熱泵的可行性。

（2）污水源熱源系統(tǒng)高效節(jié)能，不僅可減少環(huán)境污染，而且可節(jié)省設備初投資和運行費用，環(huán)境效益顯著、自動化程度高。

（3）污水處理廠有充足的水源，處理后出水作為水源熱泵的熱源，充分利用污水中的低品位能量，既節(jié)能、環(huán)保又經(jīng)濟可行，在提高污水綜合利用率的同時，可減少因使用化石燃料而產(chǎn)生的污染物（主要為CO2）的排放量。

以污水處理廠一/二級出水及再生水為熱源的熱泵應用技術(shù)更是“減排”與“節(jié)能”相結(jié)合的可再生能源技術(shù)。城鎮(zhèn)污水與熱泵技術(shù)結(jié)合的推廣應用須因地制宜，科學合理地進行就地利用或區(qū)域利用。

[1] 馮彥剛. 城市污水資源化的研究[M]. 北京：北京工業(yè)大學，2002.

[2] 吳榮華，孫德興，張成虎，等. 城市污水源熱泵的應用與研究現(xiàn)狀[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報，2006(8)：1327-1329.

[3] 祝安，龍健，于永輝，等.污水資源熱能利用發(fā)展現(xiàn)狀與潛力研究[J].環(huán)境科學， 2010(4)：127-128.

[4] 曹風波，高湘. 在中國東北地區(qū)利用城市污水熱能供熱的可行性分析[J]. 江蘇環(huán)境科技，2007(6)：85-86.

[5] 李晶，劉洪波，尹疆華，等. 沈陽市城市污水中的熱能回收機利用研究[J]. 環(huán)境保護科學，2008(2)：33-35.

[6] 劉文亞，張曉峰，李兵，等. 污水處理廠二級出水低溫熱能的應用[J]. 市政公用建設， 2006(2)：49-51.

Abstract:The paper describes application situation of water heat pump at home and abroad for developing clean energy and decreasing GHG emission. It introduces the working principles, system advantages and problems of heat pump. The high ef?ficiency, economic benefits, environmental protection, energy saving of water heat pump are proved by a practical project.

Key words:urban sewage; heat pump of sewage source; energy-saving and environmental protection

Recycle and Utilization of Heat Energy of Low Temperature from First Grade A in Effluent Treatment Plant

TIE Chun-ying1, YUAN Yuan2, WU Jing-feng3

(1.China Jingye Enineering Co., Ltd, Beijing 100088; 2. Environmental Monitoring Station of Jingdezhen City, Jiangxi Jingdezhen 333000; 3.Beijing Zhongkekaifu Tech Co., Ltd, Beijing 100021, China)

X703

A

1006-5377（2010）06-0036-03