太原市再生水資源余熱利用分析與探索

劉寶香 李曉崴

(1.太原市供熱管理中心，山西 太原 030012;2.太原市排水管理處，山西 太原 030006)

0 引言

當今社會環境污染與能源危機已成為全人類必須面對并要加以解決的重大課題，近年來，隨著社會生產力的不斷發展，社會文明程度的不斷進步，人們的環保責任意識不斷加強。就采暖行業而言，人們不但需要高質量的供暖，同時還對該行業在環保、節能和安全文明生產方面提出了更高的要求，在這種背景下，以環保和節能為主要特征的綠色建筑及相應的供暖空調系統應運而生，而再生水源熱泵技術正是滿足這些要求的比較有代表性的低耗能新型供暖空調技術。

水源熱泵空調系統是一種可以利用地球表面淺層水源(如地下水、河流和湖泊)和人工再生水源(工業廢水、中水、地熱尾水等)的既可供熱又可制冷的高效節能空調系統。水源熱泵通過輸入少量的高品位能源(如電能)，實現低溫位熱能向高溫位熱能的轉移。將水體和地層蓄能作為冬、夏季的供暖熱源和空調冷源，即在冬季，把水體或地層中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內采暖;夏季，把室內的熱量“取”出來，釋放到水體和地層中去。水源熱泵只提取水中的熱或冷而不消耗水，并且基本做到水體或地層蓄能的年平均能量平衡，不會造成任何污染。

1 城市概況

1.1 基本情況

太原市地處大陸內部，在全國氣候區劃中，屬于暖溫帶大陸性季風氣候類型。冬季干冷漫長、嚴寒少雪，夏季炎熱多雨，春季升溫急劇，秋季降溫迅速，四季分明。全年平均氣溫11.9℃，最冷月為1月，平均氣溫為－3.5℃，最熱月為7月，平均氣溫為26.1 ℃。

1.2 太原市供熱情況

太原市多年來一直以分散的小型燃煤鍋爐供熱為主，由于分散的小型燃煤鍋爐，熱效率低，除塵、脫硫設備不完善，造成了極大的能源浪費和嚴重的環境污染，致使太原市大氣環境污染狀況多年來十分嚴重。2006年后，太原市大力發展集中供熱，使太原市的大氣環境質量得到了改善。2011年太原市政府提出“太原市兩到三年實現清潔環保型供熱全覆蓋”目標，僅2012年就實現擴網面積2 785萬m2，太原市大氣環境質量發生了質的變化。2013年計劃全市供熱擴網2 000萬m2，力爭達到2 500萬m2。預計2015年太原市將實現清潔環保型供熱全覆蓋。

截至2012年年底，太原市供熱面積為1.46億m2，供熱量為0.63億GJ，供熱方式比例為:燃煤熱電聯產供熱占39%，大型燃煤鍋爐房供熱占24%，20 t以下分散鍋爐供熱占28%，燃氣鍋爐供熱占7%，水源熱泵、電供熱占2%。其中有15個大型熱源廠，供熱面積為8 525萬m2。主要熱源:熱電廠、工業余熱、大型集中鍋爐房和分散的中、小型鍋爐房、城中村小鍋爐以及煤氣、燃油、電力等清潔能源。

1.3 太原市城市污水再生水情況

太原市在運行污水處理廠為6座，汾河以東地區自北向南分別為北郊污水處理廠、趙莊污水處理廠、楊家堡污水處理廠、世紀陽光污水處理廠，汾河以西地區自北向南分別為河西北中部污水處理廠、南堰污水處理廠。設計總處理能力61.8萬t/d，出水水質除南堰污水處理廠為二級標準外，其余均達到GB 18918-2002一級A排放標準。2012年再生水產量為55.11萬t/d，到“十二五”末，隨著城南污水處理廠(在建)、晉源污水處理廠(規劃)的竣工投產，南堰污水處理廠改擴建工程(規劃)的竣工投產，太原市將產生共計約70萬t/d以上的再生水。

2 再生水資源余熱利用作為太原市發展城市集中供熱的輔助項目的可行性分析

2.1 城市再生水應用于水源熱泵的優勢

1)穩定性。

中水作為熱泵系統的熱源具有含有大量熱能可大量獲得，產量及流量恒定的特點。中水的水體溫度一年四季相對穩定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動，是很好的熱泵熱源和空調冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。

2)節能性。

通常水源熱泵消耗1 kW的能量，用戶可以得到4 kW以上的熱量或冷量。而鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70%～90%的燃料內能轉化為熱量，供用戶使用，因此水源熱泵要比電鍋爐加熱節省2/3以上的電能，比燃料鍋爐節省1/2以上的能量，是一項節能、環保的高科技項目，符合發展循環經濟、創建節約型社會、落實科學發展觀的要求。

2.2 符合環保的要求

再生水源熱泵系統沒有鍋爐，對減少溫室氣體排放、保護環境，完成城市節能減排指標有重要意義。不用消耗煤炭、石油、天然氣等寶貴的一次性不可再生的能源，不排放二氧化碳及二氧化硫等氣體，除使用少量的電能以外，其運行沒有任何污染。供冷時可省去冷卻塔，避免了冷卻塔噪聲和水的飄失;噪聲低，不向室外排放熱風，不會造成“熱島效應”，循環液在地下系統中密閉流動，不含有害物質，無任何污染。

2.3 經濟效益明顯

水源熱泵與鍋爐(電、燃料)和空氣熱源泵的供熱系統相比，具有明顯的優勢。鍋爐供熱只能將90%～98%的電能或60%～90%的燃料內能轉化為熱量(燃煤鍋爐為68%)，供用戶使用，因此水源熱泵要比電鍋爐加熱節省2/3以上電能，比燃料鍋爐節省1/2以上的能量。由于中水溫度全年較為穩定，一般為13℃～25℃，其制冷、制熱系數分別可達5.5，4.7。與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40%左右。其運行費用為普通中央空調的50%～60%，平均可節約30%～40%的供熱制冷空調的運行費用。

2.4 技術可行性及案例

2.4.1 太原市再生水溫情況

表1 再生水溫情況 ℃

從表1中數據分析，再生水水溫能夠很好的保證水源熱泵的運行要求。

1)供暖時從再生水中提取的溫度取8℃;2)制冷時向再生水中釋放的溫度取11℃。

2.4.2 水源熱泵系統對水源的要求

水源熱泵系統經過多年運行和發展，目前技術已非常成熟，在我國許多城市已得到了廣泛的使用。其對水源的要求是:水量充足，水溫適度，水質適宜，供水穩定。由于再生水源的特殊性，再生水源的水溫、水量和水質對再生水源熱泵系統的運行更是起著非常重要的作用。

2.4.3 太原市再生水水源熱泵技術利用案例

楊家堡污水處理廠水源熱泵項目于2007年12月投入試運行。該項目利用楊家堡污水凈化廠的中水為源體，通過消耗部分電能滿足冬季采暖、夏季制冷的需求，實現供暖、制冷服務面積達21 231 m2。冬季室內溫度一般能達到16℃ ～21℃;夏季室內溫度能達到24℃～26℃，濕度不大于65%，中水需求量約為6 000 t/d。自運行以來，效果良好。水源熱泵技術在楊家堡污水凈化廠內的實施，全取代上述鍋爐的功能，并且夏季可供冷。該運行費用主要為電費，經過多年的運行，年運行經費約60萬元(供熱5個月、制冷3個月)，人工及維護費每年4萬元，合計:64萬元。根據2012年煤炭價格估算節約近80萬元鍋爐運行費用，消除了污染同時還解決了夏季制冷的問題。

3 太原市再生水用于水源熱泵的設想

管網建設是制約再生水使用的一個難題，在我市再生水管網目前建設水平及規劃的前提下，再生水作為水源熱泵熱源的使用宜采用集中和沿已有或計劃鋪設主管線附近兩種模式使用。

3.1 楊家堡污水處理系統

負擔楊家堡污水廠周邊高新區等地的集中用戶;另外楊家堡污水廠回用管線向東將沿學府街鋪設至學府公園，向北將由汾河公園鋪設至森林公園，楊家堡污水廠至學府公園沿線及周邊可使用再生水，楊家堡污水廠沿汾河公園至森林公園沿線及周邊可使用再生水。可供熱面積為80萬m2～160萬m2。

3.2 河西北中部污水廠污水處理系統

負擔河西廠周邊長風商務區、麗花苑小區等集中用戶;另河西北中部污水廠向北將鋪設沿汾河至森林公園再生水管線，向南鋪設至晉陽湖。再生水管線沿線及周邊可使用再生水。可供熱面積為80萬m2～160萬m2。

3.3 北郊污水凈化廠污水處理系統

負擔北郊污水廠周邊用戶，另北郊污水廠鋪設至二電廠再生水管線、至太鋼再生水管線、至城西水系再生水管線。沿線及周邊可使用再生水。可供熱面積20萬m2～40萬m2。

3.4 城南污水凈化廠污水處理系統

負擔城南污水凈化廠周邊用戶，另外該污水廠規劃實施再生水回供清徐工業園區用水，管線沿線及周邊可使用再生水供熱制冷。可供熱面積為100萬m2～200萬m2。

4 結語

水源熱泵技術能達到節約能源和盡快改善城市大氣環境質量的目標，是開發利用新型清潔能源和可再生能源發展供熱目標的先進典范，可作為太原市發展城市集中供熱的輔助項目加以應用。為了有效的推動再生水資源的利用，建議相關部門在城市發展、道路建設的同時，進一步加快城市污水處理廠再生水工程及配套管網設施的建設步伐，提高再生水綜合輸水能力，在輸水管道沿線因地制宜、合理規劃供熱方式;研究和制訂再生水利用扶持政策和保障措施，依法實施規范化管理，努力擴大再生水用戶和使用范圍;研究和完善再生水水源熱泵在不同領域、用戶使用的優惠方案、價格機制、監督體系等相關配套的政策措施，大力發展低碳環保供熱方式，推進再生水的綜合利用，擴大再生水利用量。

［1］ 左澤平.關于中水水源熱泵技術的運營及推廣［J］.科技情報與開發，2009(3):92-93.

［2］ 江雄志，趙會芳.橋東污水廠污水(中水)源熱泵系統設計［J］.中國給水排水，2005(21):70-71.

［3］ 林素菊，溫曉軍.某廠房水源熱泵系統設計［J］.山西建筑，2012，38(18):133-134.

［4］ 吳榮華，張承彪.城市污水冷熱源應用技術發展狀況［J］.暖通空調，2005(10):121-123.