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.中國京冶工程技術有限公司，北京 100088；2.景德鎮市環境監測站，江西 景德鎮 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.中國京冶工程技術有限公司，北京 100088；2.景德鎮市環境監測站，江西 景德鎮 333000；3.北京中科凱夫科技有限公司，北京 100021)

闡述了國內外污水熱能的應用現狀，介紹了污水源熱泵的工作原理、系統優越性、存在的問題。以工程實例證明污水源熱泵是高效節能、經濟可行、節能環保的新能源，對開發新的清潔能源、減少溫室氣體排放有重要價值。

城市污水;污水源熱泵;節能環保

1 引言

目前，我國污水處理廠年處理污水量達464億m3，經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達不到用戶的使用要求，或是運行成本較高，經濟上不可行。而常規能源日漸短缺，溫室效應明顯加快，環境污染日趨嚴重[1]。

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

2 污水源熱泵應用現狀

2.1 國外應用現狀

在西方一些發達國家，由于其環保政策和能源結構，污水水源熱泵技術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 我國應用現狀

20世紀90年代中期，我國開始出現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]，但在污水處理廠內的應用還是近年來才發展起來的[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

污水源熱泵空調系統是使熱量從低溫介質流向高溫介質的裝置，是利用污水，借助制冷循環系統，通過消耗少量的電能，在冬天將水資源中的低品質能量“汲取”出來，經管網供給室內空調、采暖系統、生活熱水系統；夏天，將室內的熱量帶走，并釋放到水中，以達到夏季空調制冷的效果。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 優越性

（1）環保潔凈

污水源熱泵空調系統是新型清潔能源利用技術，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、環境保護、實現自然生態平衡具有重要的作用，是理想的清潔能源。

（2）節水、節電

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，可節約大量水資源。

污水源熱泵系統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動轉化而來，產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相比，污水源熱泵具有明顯的優勢；污水源熱泵空調系統的能源利用率為傳統方式的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系統冬季向建筑物供暖、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，且系統末端亦可作多種選擇。

（4）運行經濟、可靠

由于城市污水水溫高且相對穩定，全年變化幅度較小，因而污水源熱泵空調系統機組運行情況穩定；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，構件極易受損，而污水源熱泵系統只有兩個部件運動，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）受水質的影響很大，污水循環過程中的腐蝕、結垢、堵塞及微生物的沉積生長，極易在換熱管內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。

（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濟的供/回水溫度為45℃/40℃，導致管網末端能量損失后溫度過低。因此對于規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，處理后出水水質達到《城鎮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理想的低溫熱源。

5.2 熱負荷設計

該污水處理廠區內的采暖建筑面積為4311m2，制冷建筑面積為1735m2。室外設計溫度為-9.9℃，室內設計溫度綜合樓、食堂浴室為18℃～20℃，廠區生產構筑物為5℃～8℃，冬季空調系統熱負荷567.8kW，供/回水溫度45℃/40℃。夏季空調系統冷負荷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%管網能量損失及末端負荷的匹配及不同期使用系數，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）；空調系統循環水泵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；循環水泵1臺，Q=95m3/h ， H=18m，N=6.5 kW；污水源循環水泵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），經初步測算，污水源熱泵系統在污水處理廠廠前區和生產區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節約成本30%左右。自2009年12月到2010年4月試運行，經歷了當地最低氣溫，系統運行穩定，節能效果顯著，能夠達到設計溫度的要求。

6 結論

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

（2）污水源熱源系統高效節能，不僅可減少環境污染，而且可節省設備初投資和運行費用，環境效益顯著、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，既節能、環保又經濟可行，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更是“減排”與“節能”相結合的可再生能源技術。城鎮污水與熱泵技術結合的推廣應用須因地制宜，科學合理地進行就地利用或區域利用。

[1] 馮彥剛. 城市污水資源化的研究[M]. 北京：北京工業大學，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狀[J]. 哈爾濱工業大學學報，2006(8)：1327-1329.

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

[4] 曹風波，高湘. 在中國東北地區利用城市污水熱能供熱的可行性分析[J]. 江蘇環境科技，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