浅议城市污水源热泵低位热能回收技术

论文导读：有研究表明，城市污水中的热能在城市可利用废热中最多，据估计达40%。由城市污水热特性可见，如果能够通过热泵技术把其中的低位能量提取出来，其价值与意义将极为重大。城市污水源热泵低位热能回收技术利用城市污水进行供暖、制冷，具有高效节能、绿色环保、经济适用、运行可靠的综合特点，是一种值得深度推广的新技术，开辟了污水资源化的新天地。
关键词：城市污水，热泵，热能回收

　　节能与环保是当今世界科技发展的两大主题，污水源热泵低位热能回收技术以其高效节能、绿色环保的特点，引人尤为注意。与常规空气源热泵相比，污水源热泵节能34%，CO2减排68%，氮氧化物(NOx)减排75%[1]。相较于其它低品位能源，城市污水水量巨大且水温相对稳定，但目前尚未被有效利用。据2006年统计，我国污水年总排放量达537亿吨，预计到2010年可达730亿吨，发展城市污水源热泵技术潜力巨大。科技论文。
　　1城市污水低位热能回收可行性分析
　　1.1城市污水热特性
　　城市污水水温稳定，变化幅度较小。从济南某污水处理厂侧采集的数据显示（如图1），污水温度在冬季一般保持在10℃以上，在
　　图1 污水温度与环境温度变化曲线
　　夏季保持在23℃左右，与环境温度相比，具有典型的冬暖夏凉特性，且赋存热能较高。有研究表明，城市污水中的热能在城市可利用废热中最多，据估计达40%。此外，城市原生污水水温受气候影响较小，利用区域较广。
　　1.2 城市污水低位热能回收潜力分析
　　由城市污水热特性可见，如果能够通过热泵技术把其中的低位能量提取出来，其价值与意义将极为重大。以济南市冬季采暖期为例，据统计，全市目前日产生活污水约38万吨，日处理量为27万吨左右，取采暖期最低污水温度为10℃，则可利用的温差Dt=10℃-4℃=6℃（根据机组要求，利用后的水温不能低于4℃）。
　　如果能充分利用，则每天可回收的热量Q可由下式(1)计算：
　　Q=Cp′G′Dt (1)
　　式中：Q¾污水每天可利用热量，J；Cp ¾水的比热容，4.2′103J/(kg×℃)；G¾日处理污水量，27′107 kg；Dt ¾污水可利用温度，6 ℃。
　　计算得：Q=6.804′1012 J
　　根据规范规定，民用建筑供热指标取45~70W/m2，取建筑热负荷指标为50 W/m2，则所回收的热量Q可供采暖面积S可由式(2)计算：
　　S=Q/(T′q)(2)
　　式中：S¾采暖面积，m2；Q¾污水每天可利用热量，6.804′1012 J；T¾一天时间，8.64′104 s；q¾建筑热负荷指标，50 W/m2。
　　计算得：S=157.5′104 m2
　　可见，仅仅通过回收目前日处理的生活污水的热能，就可以为157.5万多m2的建筑供暖，足见其应用潜力及应用价值。
　　2 城市污水源热泵系统工艺流程
　　根据城市污水与热泵的热交换部分是否直接进行，城市污水源热泵系统可分为直接利用系统和间接利用系统[2]　
　　污水直接利用空调系统相较于间接利用空调系统不需要中间换热器，因而具有更高的能源利用效率，节能效果更为明显。一般污水直接利用方式的节能率比间接利用方式高7%左右。此外，污水间接利用方式系统较为复杂，设备投资较高，因而实际工程应优先选择污水直接利用空调系统。

　　3 城市污水源热泵系统性能分析
　　3.1 城市污水源热泵系统的优越性
　　(1)高效节能。通常，水源热泵每消耗1kJ的能量，可以为用户提供4kJ以上的热量或冷量，相较于锅炉（电、燃料）供热系统只能将90%左右的电能或70%~90%的燃料化学能转化为热量供用户使用，水源热泵要比用电锅炉节省2/3以上的电能，比燃料锅炉节省1/2以上的能量。由于城市污水具有较为稳定的流量和适宜的温度，这种特性使得城市污水源热泵系统比传统空调系统运行效率高20%以上，而运行费用仅为普通中央空调的50%~60%。
　　(2)环保效益显著。系统供热时，与传统的锅炉供热系统相比省去了燃烧过程，减少了CO2、SO2、NOx、粉尘颗粒等大气污染物的排放；供冷时，省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音、霉菌污染及水耗，减少了城市热岛效应。整个系统不产生任何废水、废气、废渣，环保效益显著。科技论文。
　　(3)一机多用，投资省。城市污水源热泵系统一机三用，即一套机组可满足用户采暖、制冷及生活热水供应，设备利用率高。省去了普通中央空调中冷却塔、锅炉房或换热机房热网等初始投资，总投资额仅为传统空调系统的70%~80%[3]。
　　(4)运行稳定，维护方便。城市污水的热特性保证了系统的高效性和稳定性，不存在空气源热泵冬季除霜等难题。此外，由于系统简单、机组部件少及运行简单稳定，相对维护也较为方便，使用寿命可长达20年以上。
　　3.2城市污水源热泵系统存在的问题及解决措施
　　(1)换热器的腐蚀问题。城市污水水质具有一定的腐蚀性，因而在进行换热器选材时必须考虑材料的耐腐蚀性。国外在相关研究及应用时，通常选用镀铝管材或铜质管材，有的甚至采用价格较贵的钛制材料，国内也有学者尝试使用塑料管材进行相关研究[4]。
　　　　(2)换热器的堵塞问题。城市污水中含有较多的悬浮物，在污水进入换热器进行换热时，易堵塞换热器。实际应用时，必须在换热器前加置自动过滤器对悬浮物进行截留。
　　(3)换热器的积垢问题。城市污水源热泵系统运行时，换热管壁易积垢，进而降低传热效率。在进行换热器设计时，需要设置换热管自动清洗装置，以便于定期刷洗。
　　4 结束语
　　城市污水中蕴藏着巨大的热能，是一种尚未有效开发利用的清洁可再生能源。城市污水源热泵低位热能回收技术利用城市污水进行供暖、制冷，具有高效节能、绿色环保、经济适用、运行可靠的综合特点，是一种值得深度推广的新技术，开辟了污水资源化的新天地。科技论文。顺应政府能源发展的战略要求，在做好相关研究与规划的基础上，相信城市污水源热泵低位热能回收技术一定有着广阔的发展前景。

参考文献：
[1] N C BAEK，U C SHIN，J H YOON． A study on the design andanalysis of a heat pump heating system using wastewater as a heat source[J]．Solar Energy，2005，78：427~440．
[2] 黄国琦．城市污水源热泵的开发和应用[J]．流体机械，2005，33(6)：76~78，38．
[3] 韩丰云，王铁军，刘杰．污水源热泵热能经济技术分析[J]．合肥工业大学学报(自然科学版)，2008，31(3)：352~355．
[4] 吴荣华，孙德兴，张成虎，等．城市污水源热泵的应用与研究现状[J]．哈尔滨工业大学学报，2006，38(8)：1326~1329．