水源熱泵在城市污水處理廠應(yīng)用可行性探討

王鳳翔

（牡丹江龍江環(huán)保水務(wù)有限公司，黑龍江 牡丹江 157015）

1 水源熱泵在污水處理廠應(yīng)用形式

水源熱泵技術(shù)是將以水形式存在的太陽(yáng)能作為能量主體，進(jìn)行高低能轉(zhuǎn)換的技術(shù)。其工作原理是：以少量高位能源為催化劑（像電能），實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高位轉(zhuǎn)移。是將低溫位熱能通過消耗部分高位能利用“逆卡諾循環(huán)”提升溫度后成為可直接利用高溫位熱能的裝置。通過這種轉(zhuǎn)換可充分利用各種低品位能源,減少化石燃料消耗和大氣污染。水源熱泵在污水處理廠的實(shí)際應(yīng)用形式主要是將污水處理廠的污水源作為載體通過水源熱泵系統(tǒng)機(jī)組變?yōu)榭捎糜谔峁岷屠涞哪芰總鬏數(shù)匠鞘杏脩舢?dāng)中去調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。夏季空調(diào)季節(jié)利用冷凝熱可實(shí)施部分免費(fèi)生活熱水供應(yīng)，一套系統(tǒng)冬夏兩用，實(shí)現(xiàn)三聯(lián)供。

2 水源熱泵的利弊

2.1 水源熱泵的優(yōu)勢(shì)

（1）環(huán)保凈化。水源熱泵是利用了未經(jīng)處理或二級(jí)污水為低位熱能，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的中介系統(tǒng)。輸送高溫位熱能中無燃燒，減少了有害氣體的排放；制冷時(shí)不采用水塔冷卻，避免了噪音的產(chǎn)生；整個(gè)轉(zhuǎn)換流程密閉式減少部分霉菌污染。由于過程中不產(chǎn)生三廢一塵，不會(huì)導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)，同時(shí)表現(xiàn)出良好的空氣凈化作用，因此是一項(xiàng)安全綠色的環(huán)保技術(shù)。

（2）降低能耗。水源熱泵機(jī)組可利用冬季較好的低溫?zé)嵩矗?1～15℃）系統(tǒng)機(jī)組內(nèi)污水溫度比外環(huán)境溫度高，從而提高循環(huán)的蒸發(fā)溫度，能效比也提高；夏季較好的散熱體（17～21℃），水溫比外環(huán)空氣溫度低，從而制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果優(yōu)于舊技術(shù)，進(jìn)而提高機(jī)組運(yùn)行效率。這種特性使污水熱泵比鍋爐-冷卻塔式運(yùn)行的效率要高出20%。而在實(shí)際應(yīng)用的對(duì)比中水源熱泵也是已知空調(diào)系統(tǒng)中能效比最高的制冷/熱方式。

（3）靈活性高。水源熱泵可用于制冷，采暖以及生活用水的加熱可謂真正做到了“一機(jī)三用”，體現(xiàn)其功能上的靈活性；因地制宜配置的污水熱泵系統(tǒng)可以根據(jù)受壓的波動(dòng)，智能化的選擇壓縮開闔，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率體現(xiàn)了其工作運(yùn)行的靈活性；而系統(tǒng)可隨意安放，機(jī)組末端亦有多種選擇，占用空間相對(duì)有限體現(xiàn)了其空間組合的靈活性；自動(dòng)控制程度高，運(yùn)行過程無需專人職守體現(xiàn)其管理操作的靈活性。

（4）節(jié)省設(shè)備資金。經(jīng)過優(yōu)化配置的水源熱泵系統(tǒng)可以代替供熱鍋爐、制冷空調(diào)和生活水加熱系統(tǒng)裝置，這種一比三的模式有效節(jié)省設(shè)備的采購(gòu)資金；利用城市污水源提供建筑物冷暖需求，提高了設(shè)備的利用率，機(jī)組維護(hù)費(fèi)用低，使用壽命可高達(dá)15年以上，一定程度上降低了設(shè)備管理費(fèi)用；設(shè)備的使用面積與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比大幅度縮小，進(jìn)而也減少了房屋占地費(fèi)用。

2.1 水源熱泵應(yīng)用的局限性

（1）水體環(huán)境的局限性。理論上水源熱泵可以利用一切的水資源，但實(shí)際操作中，不同水源的利用成本差異是不同的。所以地域范圍內(nèi)是否有適合的水源成為其應(yīng)用的一個(gè)重要成因。閉式水源熱泵系統(tǒng)成本較高不符合時(shí)下低成本的訴求。而開式系統(tǒng)的關(guān)鍵就在于適水源的存在。適水源要求必須滿足相應(yīng)系統(tǒng)要求的水量、水溫和水凈度。以水溫為例：清華同方GHP型系統(tǒng)在執(zhí)行制熱運(yùn)行時(shí)，要求的水溫范圍在12～22℃；在制冷時(shí)，控制水溫在18～30℃之間。而對(duì)水質(zhì)的要求是達(dá)到GHP型系統(tǒng)機(jī)組、管道和閥門材質(zhì)不至于產(chǎn)生酸堿性腐蝕損壞的凈度。對(duì)于水量則要求水源系統(tǒng)供水能力具有可持續(xù)性，供水率要高，借此保證水源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期和穩(wěn)定運(yùn)行。就現(xiàn)下而言，在我國(guó)北方應(yīng)用實(shí)施比南方更具可操作性。

（2）經(jīng)濟(jì)投資差異的局限性。與傳統(tǒng)的空調(diào)制冷取暖方式相比，采用水源熱泵所需費(fèi)用較低而運(yùn)行效率較高，是典型的金牛產(chǎn)品。不同情況下的投資主體對(duì)水源熱泵的投入規(guī)模也會(huì)有所差別。影響一次性投資及運(yùn)行費(fèi)用高低的因素有不同的用戶、不同國(guó)家及地區(qū)能源政策、燃料價(jià)格的影響；所采用的污水源熱泵系統(tǒng)材質(zhì)配比的影響；此外還有基本條件不同的水源以及傳輸距離的影響。

3 可行性分析和探討

（1）水源熱泵在實(shí)際污水處理中的可行性。由水源熱泵技術(shù)的工作原理，可知該技術(shù)是以豐富廉價(jià)的城市污水作為水源。而水源熱泵系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高低能量交換的過程中對(duì)水量水質(zhì)水溫的要求又具有選擇性。①對(duì)于水量。污水源熱泵系統(tǒng)的規(guī)模與相對(duì)低流高負(fù)時(shí)段的水流量有關(guān)。若通過擴(kuò)大熱泵系統(tǒng)規(guī)模來達(dá)到充分利用污水資源的目的,可以相應(yīng)設(shè)置蓄水池對(duì)污水流量進(jìn)行人為控制。②對(duì)水質(zhì)要求。對(duì)于二級(jí)處理后的水源甚至未經(jīng)處理的污水原水要求水源熱泵系統(tǒng)組機(jī)設(shè)備具有強(qiáng)抗堵塞以及抗腐蝕性。針對(duì)未經(jīng)處理污水源能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)有效轉(zhuǎn)化的前提就是系統(tǒng)前端防污除雜的順利進(jìn)行。可采用濾網(wǎng)式格柵、濾罐等裝置進(jìn)行預(yù)處理。采用抗堵塞、耐酸堿度的熱置換裝置，以解決污水中污垢沉淀物過多和酸堿度大所導(dǎo)致的系統(tǒng)堵塞和腐蝕的問題。這方面可借鑒密云縣檀州污水處理廠的解決方案。該縣經(jīng)多方考證，采用了挪威生產(chǎn)的AEM 508/6000/4型熱置換裝置，該裝置采用新型材料和特殊鋼質(zhì)組成，采用新的表面處理技術(shù)，有效地解決了堵塞和腐蝕的問題。

（2）能源消耗以及效益分析。就能源消耗方面看，采用水源熱泵進(jìn)行污水處理其投入1kW的電能可得到4～5倍以上的制冷或供熱的能量，電耗為常規(guī)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的2/5到一半左右。冷凝熱回收用于制造生活熱水使水溫從20℃升至45℃，節(jié)省用戶使用熱水的能源消耗。以烏魯木齊為例：建筑面積設(shè)定為29000m2，通過全年用電量乘以用電單價(jià)除以總面積得水暖熱泵運(yùn)行費(fèi)19元/m2，采用集中供暖是23元/m2，相對(duì)節(jié)省4元/m2。又以湖南地區(qū)用戶為例：采用水暖熱泵系統(tǒng)一次性投資為1099.74萬元，22536元/戶，年運(yùn)行費(fèi)為91.2萬元，均戶分?jǐn)?868.2元/年；傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)分別為一次性投資1099.24萬元，22525元/戶，年運(yùn)行費(fèi)103.4萬元，均戶分?jǐn)?118.9元/年；家庭分體空調(diào)一次性投資1091.3萬元，22363元/戶，年運(yùn)行費(fèi)214.7萬元，均戶分?jǐn)?400元/年。從數(shù)據(jù)可以看出一次性投資水源熱泵略高出兩種中央空調(diào)系統(tǒng)，但三者基本持平；在運(yùn)行費(fèi)上水源熱泵最低，傳統(tǒng)式空調(diào)系統(tǒng)高出13%，家庭分體空調(diào)系統(tǒng)高出23.6%。通過比較得出水源熱泵經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

4 結(jié)語

可再生能源的利用是構(gòu)建和諧社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要，是各國(guó)意識(shí)到環(huán)境污染問題嚴(yán)峻形勢(shì)所需，其中新可再生能源的利用比以往更加受到重視。水源熱泵作為一種新的可循環(huán)使用能源技術(shù)越發(fā)被推廣應(yīng)用起來。將水源熱泵兩節(jié)一保的特點(diǎn)運(yùn)用在城市污水處理中是十分有益的可行性創(chuàng)新，符合國(guó)際上城市污水再利用的大趨勢(shì)。