珠海前山河流域污水熱能回收潛力分析

湯家源TANG Jia-yuan；饒國燃RAO Guo-ran

（①中國水利水電第七工程局有限公司，成都610081；②北京理工大學珠海學院，珠海519088）

0 引言

近些年來，隨著國家對節能減排支持力度的加大，各種節能技術發展迅速，熱泵技術作為低品位熱能利用中一種重要技術應用越來越廣泛。城市污水通常流量大而且穩定，溫度波動小，從能源利用上可作為污水源泵的理想熱源。利用污水源熱泵技術，能有效利用蘊藏在污水中的熱能，可作為生活或生產提供冷熱源，具有明顯的節能、經濟和環保效益。

1 概述

污水源熱泵起源于上世紀70 年代末，在80 年代開始有了工程應用，經過三十幾年的發展，污水源熱泵在日本和歐美已有了比較成熟的發展，歐美污水源熱泵主要以大型化應用為主，已發展出一套成熟的污水源熱泵系統應用體系，日本污水源熱泵主要是取水和換熱方面研究較多，也發展了一套成熟的污水源熱泵理論體系。

國內污水源熱泵起步較慢，但經過多年發展，目前各大城市也有了很多應用案例，除了實際污水源熱泵工程應用外，污水源熱泵技術主要是針對理論體系和應用體系的研究，很多技術和理論還需要進一步的深化和發展[1]，本文對珠海前山河流域污水熱能進行研究，主要針對珠海前山河流域情況進行污水源泵節能、經濟和環保效益的評估。

2 溫度特性研究

2.1 污水水溫監測

為獲得前山河流域污水的溫度特性，對前山河流域某污水排放干渠進行全年污水溫度監測，監測結果如圖1 所示。

由監測結果可知，全年監測水溫最高為29.5℃，最低水溫為9.5℃，全年最高溫差為20℃。最低溫出現在1 月份，最高溫度出現在7 月份，溫度波動較大的月份為1 月和2 月。全年水溫波動較小，總體水溫較高，適合污水源熱泵進行制冷或制熱運行。

2.2 不同埋深水溫計算

城市污水很常用地下地埋管進行排放，污水管埋深大型干渠埋深較深，小型污水渠填埋較淺。埋深不同的污水管中污水的溫度是有所不同的，原因是地下污水溫度受到地下不同深度的土壤溫度的影響，通過不同埋深的土壤溫度可以研究對應地下污水的水溫特性。

污水管道不同埋深處土壤的溫度計算式為[2]：

式中：t——污水管網埋深處的土壤溫度，°C；

tm——地表面平均溫度，°C；

Aw——地表波動周期內溫度波動振幅，°C；

x——污水管埋深，m；

a——土壤導熱系數，0.617×104m2/s；

T——計算溫度波動周期，d；

τ——計算時間點，d。

計算得到前山河流域地區不同深度土壤的逐月平均溫度，如圖2 所示。

地下污水溫度波動比地表小，隨著埋深的增加，溫度更趨于穩定，埋深10m 以后污水溫度全年波動很小，基本維持穩定在同一溫度水平。在夏天地下污水溫度低于環境空氣溫度，有利于污水源熱泵的制冷運行，在冬天地下污水溫度高于環境空氣溫度有利于污水源熱泵制熱運行。

圖1 全年污水溫度監測結果

圖2 前山河流域地區不同深度土壤的逐月平均溫度

3 污水熱能節能效益分析

利用城市污水進行污水源熱泵可以提取冷量或熱量進行利用，提取的熱能潛力跟污水量，污水源熱泵進出水口溫差和污水源熱泵制冷制熱效率有關。根據預測珠海市2020 年全市污水量144.00 萬m3/d，2030 年全市污水量209.80 萬m3/d。根據實際污水源熱泵系統項目的實際運行數據，污水源制冷時污水進出口溫差設定為5°C，熱泵制冷系數取4.6，污水源熱泵制熱時污水進出口溫差設定為3.3°C[3]。計算公式如式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）所示，污水節能效益分析結果如表1 所示。

3.1 污水源熱泵污水中所能提取的冷量

式中：Q——污水源熱泵污水中所能提取的冷量，kJ/d；

B——城市污水量，kg/d；

Δt1——污水源熱泵制冷時污水進出水溫差，°C；

C——水的比熱容，kJ/（kg°C）。

3.2 污水源熱泵污水中所能提取的熱量

式中：Q——污水源熱泵污水中所能提取的熱量，kJ/d；

B——城市污水量，kg/d；

Δt2——污水源熱泵制熱時污水進出水溫差，°C；

C——水的比熱容，kJ/（kg°C）。

3.3 熱泵制冷時能提供的冷量Q1

式中：Q1——熱泵制冷時能提供的冷量，kJ/d；

η1——熱泵制冷系數。

3.4 熱泵制熱時能提供的熱量Q2

式中：Q2——熱泵系統供熱量，kJ/d；

η2——熱泵制熱系數。

3.5 城市污水的污水源熱泵理論可利用熱量密度

式中ρ——城市污水的污水源熱泵理論可利用熱量密度，MJ/（d-km2）；

S——城市污水所對應地區面積，km2。

在城市污水中使用污水源熱泵能提取巨大的冷量和熱量，在2020 年城市污水中使用污水源熱泵系統所能提供的冷量潛力為23.64×109kJ/d，所能提供的熱量潛力為24.84×109kJ/d，在2030 年城市污水中使用污水源熱泵系統所能提供的冷量潛力為36.05×109kJ/d，所能提供的熱量潛力為34.31×109kJ/d。

表2 污水源熱泵經濟效益分析表

表1 污水節能效益分析表

4 經濟效益分析

目前能為城市提供熱量的能源主要是電、煤、液化天然氣、管道天然氣、煤氣、液化石油氣、生物質顆粒、重油和柴油，污水源熱泵提供熱量主要消耗的是電能，以下分別以污水源熱泵使用常規電和低谷為基準對各種供熱能源的經濟性進行分析，分析結果如表2 所示。

由分析結果可得，在城市供熱中選擇污水源熱泵作為熱源，以常規電價作為標準，經濟性較以煤作為能源差，但比空氣源熱泵、液化天然氣、管道天然氣、煤氣、液化石油氣、生物質顆粒、重油和柴油經濟性都好，其中經濟性比空氣源熱泵好18.14%，比其他能源供熱經濟性好37%至77%之間。如果以低谷電價作為標準，在城市供熱中選擇污水源熱泵作為熱源經濟性其他所有能源供熱都好，比其他能源供熱經濟性好18%至91%之間。

5 環保效益分析

以折算標準煤作為計算基準可以計算CO2、SOX、和NOX的排放削減量，可以估算考評價城市污水熱能回收利用系統的環保潛力，計算結果如表3 所示。

表3 污水源熱泵環保效益潛力分析表

由分析結果可知，根據全市污水排放量預測可得到，在2020 年城市污水中所能提供的熱量折算標準煤為806.7t/d，環保潛力為能減排二氧化碳2113.5kg/d，減排二氧化硫6856.9kg/d，減排氮氧化物5969.5kg/d，在2030 年城市污水中所能提供的熱量折算標準煤為1170.8t/d，環保潛力為能減排二氧化碳3067.6kg/d， 減排二氧化硫9952kg/d，減排氮氧化物8664.1kg/d，污水源熱泵環保效益潛力較為可觀。

6 結論

珠海前山河流域污水溫度適宜，污水排量較大，熱能回收潛力巨大，能為污水采用污水源熱泵進行熱能回收利用提供了條件。

①對珠海前山河流域某污水排放點進行污水溫度監測，全年水溫最高為29.5℃，最低水溫為9.5℃，全年水溫較為穩定，總體水溫較高，適宜作為污水源熱泵的冷熱源，能為污水源熱泵的應用提供有得的環境條件。

②以城市污水作為冷熱源的污水源熱泵能在污水中提取數量巨大的冷量和熱量，污水熱能回收潛力巨大，污水源熱泵技術具有很大的節能潛力，能有效利用城市污水廢熱。

③在城市供熱中選擇污水源熱泵作為熱源，經濟性較其他能源供熱經濟性好，能減少煤、石油、天然氣等高品位能源的消耗。

④在城市污水中運用污水源熱熱泵能減少其他能源燃料燃燒產生的CO2、NOX、SOX等的排放，減少空氣污染；具有很大的減排潛力。

⑤對珠海前山河流域的污水源熱泵熱能回收潛力分析具有一定的普遍性和代表性，能為節能減排工程中污水源熱泵的應用提供一定的參考意義。