導(dǎo)讀：有研究表明，城市污水中的熱能在城市可利用廢熱中最多，據(jù)估計(jì)達(dá)40%。由城市污水熱特性可見，如果能夠通過熱泵技術(shù)把其中的低位能量提取出來，其價(jià)值與意義將極為重大。城市污水源熱泵低位熱能回收技術(shù)利用城市污水進(jìn)行供暖、制冷，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)適用、運(yùn)行可靠的綜合特點(diǎn)，是一種值得深度推廣的新技術(shù)，開辟了污水資源化的新天地。

關(guān)鍵詞：城市污水，熱泵，熱能回收

節(jié)能與環(huán)保是當(dāng)今世界科技發(fā)展的兩大主題，污水源熱泵低位熱能回收技術(shù)以其高效節(jié)能、綠色環(huán)保的特點(diǎn)，引人尤為注意。與常規(guī)空氣源熱泵相比，污水源熱泵節(jié)能34%，CO2減排68%，氮氧化物(NOx)減排75%[1]。相較于其它低品位能源，城市污水水量巨大且水溫相對穩(wěn)定，但目前尚未被有效利用。據(jù)2006年統(tǒng)計(jì)，我國污水年總排放量達(dá)537億噸，預(yù)計(jì)到2010年可達(dá)730億噸，發(fā)展城市污水源熱泵技術(shù)潛力巨大。。

1城市污水低位熱能回收可行性分析

1.1城市污水熱特性

城市污水水溫穩(wěn)定，變化幅度較小。從濟(jì)南某污水處理廠側(cè)采集的數(shù)據(jù)顯示(如圖1)，污水溫度在冬季一般保持在10℃以上，在

夏季保持在23℃左右，與環(huán)境溫度相比，具有典型的冬暖夏涼特性，且賦存熱能較高。有研究表明，城市污水中的熱能在城市可利用廢熱中最多，據(jù)估計(jì)達(dá)40%。此外，城市原生污水水溫受氣候影響較小，利用區(qū)域較廣。

1.2 城市污水低位熱能回收潛力分析

由城市污水熱特性可見，如果能夠通過熱泵技術(shù)把其中的低位能量提取出來，其價(jià)值與意義將極為重大。以濟(jì)南市冬季采暖期為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全市目前日產(chǎn)生活污水約38萬噸，日處理量為27萬噸左右，取采暖期最低污水溫度為10℃，則可利用的溫差Dt=10℃-4℃=6℃(根據(jù)機(jī)組要求，利用后的水溫不能低于4℃)。

如果能充分利用，則每天可回收的熱量Q可由下式(1)計(jì)算：

Q=Cp´G´Dt (1)

式中：Q¾污水每天可利用熱量，J;Cp ¾水的比熱容，4.2´103J/(kg×℃);G¾日處理污水量，27´107 kg;Dt ¾污水可利用溫度，6 ℃。

計(jì)算得：Q=6.804´1012 J

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，民用建筑供熱指標(biāo)取45~70W/m2，取建筑熱負(fù)荷指標(biāo)為50 W/m2，則所回收的熱量Q可供采暖面積S可由式(2)計(jì)算：

S=Q/(T´q)(2)

式中：S¾采暖面積，m2;Q¾污水每天可利用熱量，6.804´1012 J;T¾一天時(shí)間，8.64´104 s;q¾建筑熱負(fù)荷指標(biāo)，50 W/m2。

計(jì)算得：S=157.5´104 m2

可見，僅僅通過回收目前日處理的生活污水的熱能，就可以為157.5萬多m2的建筑供暖，足見其應(yīng)用潛力及應(yīng)用價(jià)值。

2 城市污水源熱泵系統(tǒng)工藝流程

根據(jù)城市污水與熱泵的熱交換部分是否直接進(jìn)行，城市污水源熱泵系統(tǒng)可分為直接利用系統(tǒng)和間接利用系統(tǒng)[2]，其系統(tǒng)簡圖如圖2、3所示。

污水直接利用空調(diào)系統(tǒng)相較于間接利用空調(diào)系統(tǒng)不需要中間換熱器，因而具有更高的能源利用效率，節(jié)能效果更為明顯。一般污水直接利用方式的節(jié)能率比間接利用方式高7%左右。此外，污水間接利用方式系統(tǒng)較為復(fù)雜，設(shè)備投資較高，因而實(shí)際工程應(yīng)優(yōu)先選擇污水直接利用空調(diào)系統(tǒng)。

3 城市污水源熱泵系統(tǒng)性能分析

3.1 城市污水源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)越性

(1)高效節(jié)能。通常，水源熱泵每消耗1kJ的能量，可以為用戶提供4kJ以上的熱量或冷量，相較于鍋爐(電、燃料)供熱系統(tǒng)只能將90%左右的電能或70%~90%的燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱量供用戶使用，水源熱泵要比用電鍋爐節(jié)省2/3以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省1/2以上的能量。由于城市污水具有較為穩(wěn)定的流量和適宜的溫度，這種特性使得城市污水源熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率高20%以上，而運(yùn)行費(fèi)用僅為普通中央空調(diào)的50%~60%。

(2)環(huán)保效益顯著。系統(tǒng)供熱時(shí)，與傳統(tǒng)的鍋爐供熱系統(tǒng)相比省去了燃燒過程，減少了CO2、SO2、NOx、粉塵顆粒等大氣污染物的排放;供冷時(shí)，省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音、霉菌污染及水耗，減少了城市熱島效應(yīng)。整個(gè)系統(tǒng)不產(chǎn)生任何廢水、廢氣、廢渣，環(huán)保效益顯著�？萍肌�

(3)一機(jī)多用，投資省。城市污水源熱泵系統(tǒng)一機(jī)三用，即一套機(jī)組可滿足用戶采暖、制冷及生活熱水供應(yīng)，設(shè)備利用率高。省去了普通中央空調(diào)中冷卻塔、鍋爐房或換熱機(jī)房熱網(wǎng)等初始投資，總投資額僅為傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的70%~80%[3]。

(4)運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)方便。城市污水的熱特性保證了系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性，不存在空氣源熱泵冬季除霜等難題。此外，由于系統(tǒng)簡單、機(jī)組部件少及運(yùn)行簡單穩(wěn)定，相對維護(hù)也較為方便，使用壽命可長達(dá)20年以上。

3.2城市污水源熱泵系統(tǒng)存在的問題及解決措施

(1)換熱器的腐蝕問題。城市污水水質(zhì)具有一定的腐蝕性，因而在進(jìn)行換熱器選材時(shí)必須考慮材料的耐腐蝕性。國外在相關(guān)研究及應(yīng)用時(shí)，通常選用鍍鋁管材或銅質(zhì)管材，有的甚至采用價(jià)格較貴的鈦制材料，國內(nèi)也有學(xué)者嘗試使用塑料管材進(jìn)行相關(guān)研究[4]。

(2)換熱器的堵塞問題。城市污水中含有較多的懸浮物，在污水進(jìn)入換熱器進(jìn)行換熱時(shí)，易堵塞換熱器。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須在換熱器前加置自動過濾器對懸浮物進(jìn)行截留。

(3)換熱器的積垢問題。城市污水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，換熱管壁易積垢，進(jìn)而降低傳熱效率。在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，需要設(shè)置換熱管自動清洗裝置，以便于定期刷洗。

4 結(jié)束語

城市污水中蘊(yùn)藏著巨大的熱能，是一種尚未有效開發(fā)利用的清潔可再生能源。城市污水源熱泵低位熱能回收技術(shù)利用城市污水進(jìn)行供暖、制冷，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)適用、運(yùn)行可靠的綜合特點(diǎn)，是一種值得深度推廣的新技術(shù)，開辟了污水資源化的新天地�？萍�。順應(yīng)政府能源發(fā)展的戰(zhàn)略要求，在做好相關(guān)研究與規(guī)劃的基礎(chǔ)上，相信城市污水源熱泵低位熱能回收技術(shù)一定有著廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[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] 黃國琦.城市污水源熱泵的開發(fā)和應(yīng)用[J].流體機(jī)械，2005，33(6)：76~78，38.

[3] 韓豐云，王鐵軍，劉杰.污水源熱泵熱能經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，31(3)：352~355.

[4] 吳榮華，孫德興，張成虎，等.城市污水源熱泵的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38(8)：1326~1329.

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