污水源熱泵發展現狀及在上海的應用前景

裘湛

（上海城投污水處理有限公司，上海市 201203）

防洪排水

污水源熱泵發展現狀及在上海的應用前景

裘湛

（上海城投污水處理有限公司，上海市 201203）

城鎮污水具有水量大、水溫水質穩定以及冬暖夏涼的特點，是一種余熱型低品位清潔能源。將其作為污水源熱泵的冷熱源可為城鎮建筑物等提供區域供熱或制冷，具有較好的經濟效益和環境效益。對污水源熱泵的分類、國內外發展現狀及關鍵技術問題進行了闡述，并以上海為例估算了該技術的節能減排潛力。研究結果表明，污水源熱泵是一種技術經濟上可行并兼具環境效益的城市污水綜合利用方法。

城鎮污水；污水源熱泵；節能減排

0 引言

隨著社會經濟的發展，我國廢水排放總量和城鎮污水排放量每年以3%～8%的速度增加，相應地，我國污水處理率也在逐年增高。截至2014年，我國城市污水的處理率已達87%。2016年，上海城鎮污水處理廠的日處理水量已接近700萬m3/d。城鎮污水具有水量大、水溫水質穩定、冬暖夏涼的特點，為污水資源化創造了基本條件[1]。將賦存于處理或未處理的城市污水中的熱能加以有效利用是城市污水熱能資源化的一項新技術，節能減排潛力巨大。和常見的空氣源熱泵相比，污水源熱泵具有較高的性能系數[2]。此外，污水源熱泵不需要消耗化石能源，不產生二次污染，是一種技術經濟上可行并兼具環境效益的城市污水綜合利用方法[3]。

污水源熱泵系統按其使用的污水源的狀況可分為原生污水源熱泵系統、一級污水源熱泵系統和二級污水源熱泵系統[3]。以原生污水作為熱源/熱匯的污水源熱泵系統，污水可以直接從排水管網中提取，熱能就近使用且熱能高，但原生污水成分復雜，容易導致堵塞、腐蝕熱泵等問題。以污水處理廠一、二級出水或中水作為熱源/熱匯，可減少腐蝕問題，但污水經過多步處理后溫度下降，所含熱能降低。按污水與熱泵的熱交換器接觸與否，分為直接換熱式和間接換熱式污水源熱泵。直接換熱式系統效率高、節能效果好，是污水源熱泵系統的發展趨勢[4]。但是，由于結垢和阻塞等問題尚未解決，目前技術上比較成熟、工程上普遍采用的是間接換熱式系統。

將污水源熱泵技術與城鎮污水結合起來回收污水中的熱能，不僅是城鎮污水資源化的新方法，更是改善城市夏季制冷和冬季供暖的有效途徑。本文首先回顧污水源熱泵在國內外的發展應用現狀，之后對污水源熱泵的關鍵技術進行綜述，最后結合上海的實際情況對該技術的應用進行展望。

1 污水源熱泵國內外發展現狀

1.1 國外污水源熱泵發展現狀

20世紀80年代，瑞典、挪威、日本等發達國家相繼開展了污水源熱泵的相關應用研究與工程實踐[5-7]，其中瑞典的斯德哥爾摩是首個污水源熱泵系統的誕生地[8]。近年來，隨著污水源熱泵技術日臻完善以及技術的推廣應用，國外發達國家積累了大量經驗。瑞典、挪威等國大規模建設了大型的污水源熱泵站用于城市區域供熱，通過研發直接提取的方式最大化地利用了污水低位熱能。日本等國研制開發了自動化旋篩與清污過濾器，實現了污水換熱器的自動換向清洗功能，從而解決了污垢熱阻帶來換熱器總傳熱系數降低的問題[9]。

1.2 國內污水源熱泵發展現狀

國內對污水源熱泵的研究始于20世紀80年代，但發展較慢。2000年，北京高碑店污水處理廠建立了國內第一個污水源熱泵系統，標志著我國污水源熱泵系統的研究進入了一個新的時代。近20年來，由于能源需求與環境形勢發展，利用污水源熱泵回收污水熱能的研究與應用逐漸展開，污水源熱泵在各地污水處理廠中逐漸推廣應用，主要包括：青島市團島污水處理廠[10]、沈陽沈水灣污水處理廠[11]、天津紀莊子污水廠[12]、承德和煙臺等地污水處理廠[13]、無錫（太湖）國際科技園[14]、北京南站能源站[15]、南昌市青山湖區城市綜合體項目[16]。這些項目的運行經驗表明，與傳統燃煤鍋爐和空氣源熱泵等技術相比，污水源熱泵在煙塵、CO2、NOX、SOX減排方面具有明顯優勢。

目前國內污水源熱泵工程以間接式污水源熱泵系統為主，通常采用經過處理的二級污水。比較而言，北方地區應用污水源熱泵的案例較多。值得注意的是，由于氣候環境的差異，污水源熱泵系統在不同地區體現的性能特點存在較大差異，其在不同地區應用時的設計、運行操作等不能一概而論[17]。在污水處理廠利用污水源熱泵提取污水中的熱能用于污泥低溫干化、污泥高溫厭氧消化系統[18]等污泥處理系統的熱源也得到了研究人員的關注，是近年來新的研究方向。總的來看，目前國內污水源熱泵應用的供熱、供冷面積仍然較小，污水源熱能利用在全國范圍內仍大有潛力。

2 污水源熱泵關鍵技術研究進展

2.1 污水流動及換熱特性研究

城市污水是生活污水、城市降雨以及納管工業廢水的混合物，組成復雜，含有大量溶解性化合物和膠體態化合物，是一種固液兩相、固相多組分流體。污水水質對污水源熱泵中換熱器表面阻塞和腐蝕等具有重要影響。由于污水固相成分的復雜性，無法建立精確的兩相流數學模型，目前多以單相非牛頓流模型求解污水宏觀的湍流流動與換熱特性，然而關于非牛頓流的湍流流動換熱問題，由于實際的應用很少，相關的理論模型與計算方法并不成熟，尚處于研究探索階段。

哈爾濱工業大學的吳榮華[19]等以管殼式的污水換熱器為研究對象，連續測試了污水流量、溫度等隨時間的變化，通過反算得出不同雷諾數下的換熱系數，給出了污水管內流動換熱的準則關聯式。中國礦業大學的吳學慧[20]等研究發現原生污水具有典型的非牛頓冪率流特性，污水的換熱系數約為同管徑、同流速下清水的0.85～0.90倍。國內大連理工大學、重慶大學等[21，22]高校也對污水的流動與換熱特性進行了相關研究。

2.2 污垢形成機理及去垢技術

污水中的雜質長時間在管道及換熱器內流動時，易產生結垢現象，從而降低換熱器總體傳熱系數，削弱換熱效果。當前對污垢的形成機理研究主要聚焦于利用最新的污垢檢測技術及擬合方法，對污垢生長規律進行更精確的預測。在污垢預測模型研究方面，最成熟的當屬 1959年的Kern-Seaton模型[23]，后來學者在此基礎上做了大量改進。Zubair等[24]采用解決組合問題的方法研究了污垢生長規律。國內樊紹勝等[25]分別對硬垢及軟垢建立了兩個模型，然后綜合得到一個新的模型，經現場試驗證明該模型預測結果誤差較小。

防止污物對管路的阻塞是污水源熱泵系統良好運行的關鍵技術之一。目前解決管道內的阻塞問題通常采用的設備包括：（1）過濾格柵；（2）濾面水力連續再生裝置；（3）自動篩濾器；（4）轉筒式及轉輪式防阻器。目前國內應用最廣、技術最成熟的是污水連續再生過濾裝置[26]。

2.3 換熱器材質及選型研究

腐蝕和堵塞是污水換熱器遇到的最主要的問題，選擇合適的換熱器可以大大減輕污垢的影響。按其材質類型，可分為金屬換熱器和非金屬換熱器。金屬換熱器按其結構可分為板式換熱器、淋激式換熱器和殼管式換熱器。非金屬換熱器則主要包括各種結構的塑料管換熱器或鋁塑復合管換熱器等。由于污水水質的特殊性以及金屬防腐方法的局限性，目前國內已應用的污水源熱泵系統均采用間接式系統，污水換熱器以采用非金屬類沉浸式污水換熱器居多，非金屬材料則主要采用塑料及各類復合塑料等。哈爾濱工業大學的白莉、尹軍和吉林大學的廖資生成功地獲得了用塑鋁管間接換熱回收污水熱能的技術方法[27]，解決了污水熱能利用中的換熱設備腐蝕問題，為污水熱能實際工程應用奠定了技術基礎。

3 污水源熱泵在上海的應用前景

圖1為上海某污水處理廠進水水溫與環境溫度的對比圖。由圖可知，上海的污水溫度冬季一般為15℃左右，夏季一般為23～25℃，全年多數時間穩定在平均溫度23～24℃，具有明顯的冬暖夏涼的特點，滿足水源熱泵在制熱工況水溫12～22℃、在制冷工況水溫18～30℃的要求。夏季6、7、8三個月為制冷季可以作為冷源，其平均溫差為4.16℃；冬季11、12、1三個月為采暖季可以作為熱源，其平均溫差為8.21℃。

以上海的數據為計算基礎，對污水源熱泵的節能減排潛力進行了估算。采用申傳濤等人[16]的計算方法計算可回收熱能或冷能的潛力，以及污水源熱泵與傳統燃煤鍋爐、風冷冷水機組相比的節能效果和污染物減排量，其中污水量取700萬m3/d，污水源熱泵的平均制熱系數和制冷系數依據尹軍[28]的研究分別取值為4.3、4.6。經過計算得到，夏季最大可利用冷量為D=1.002 1011KJ/d，冬季最大可利用熱量G=3.135 1011KJ/d。

圖1 上海某污水處理廠水溫與環境溫度對比圖

在以上基礎上，進一步計算采用污水源熱泵系統后，夏季制冷期和冬季采暖期的節能效果和污染物減排量。以上海某污水處理廠研發中心大樓為例進行分析。該大樓設計為一棟多層梁柱鋼結構生態節能建筑。大樓一樓主要布置門廳、茶水間、配電間、藥品庫、樣品預處理室、配藥間、分析室和綜合實驗室。大樓二樓則主要布置接待室、辦公室、會議室和宿舍。根據不同房間對冷熱量的需求，并結合房間的面積進行大樓的制冷和供暖負荷計算，得到大樓制冷和供暖負荷分別為108.4 kW和52.6 kW。根據國家規定的污染物排放定額，對該大樓利用污水源熱泵系統在污染物削減方面的潛在值進行了預測。計算得到在冬季供暖時，污水源熱泵系統與傳統燃煤鍋爐相比，每日節煤量為138.3 kg，在夏季制冷時，污水源熱泵系統與風冷冷水機組相比，每日節電量為84.8 kWh。污染物減排量計算結果見表1。從表1中可知，污水源熱泵的采用對冬夏兩季溫室氣體和粉塵減排效果明顯，在冬季供暖期間的污染物減排效果優于夏季。這對于大型城市節能減排具有重要意義。

表1 某污水源熱泵系統污染物減排量

4 結論

污水源熱泵在國內外污水處理工程中均有較多成熟的商業運作案例，污水除垢的前置處理方法、污垢形成機理研究等均較成熟，但換熱特性及污水流動的模型研究仍處于探索階段。以上海為例，比較了污水源熱泵與傳統燃煤鍋爐及風冷冷水機組的能源消耗和污染物排放。研究結果表明，污水源熱泵的使用具有明顯的節能減排效益。綜上所述，污水源熱泵在城市污水余熱回收利用領域具有非常好的應用前景。這一技術的應用對開發上海城鎮污水資源，優化上海能源結構具有十分重要的現實意義。

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TU992.25

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1009-7716（2017）04-0110-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.032

2017-01-06

裘湛（1977-），男，浙江杭州人，博士，高級工程師，研究方向為污水處理廠運行管理技術。