淺議城市污水源熱泵低位熱能回收技術
導讀：有研究表明，城市污水中的熱能在城市可利用廢熱中最多，據估計達40%。由城市污水熱特性可見，如果能夠通過熱泵技術把其中的低位能量提取出來，其價值與意義將極為重大。城市污水源熱泵低位熱能回收技術利用城市污水進行供暖、制冷，具有高效節能、綠色環保、經濟適用、運行可靠的綜合特點，是一種值得深度推廣的新技術，開辟了污水資源化的新天地。
關鍵詞：城市污水，熱泵，熱能回收
節能與環保是當今世界科技發展的兩大主題，污水源熱泵低位熱能回收技術以其高效節能、綠色環保的特點，引人尤為注意。與常規空氣源熱泵相比，污水源熱泵節能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定，但目前尚未被有效利用。據2006年統計，我國污水年總排放量達537億噸，預計到2010年可達730億噸，發展城市污水源熱泵技術潛力巨大。。
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
城市污水水溫穩定，變化幅度較小。從濟南某污水處理廠側采集的數據顯示(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，據估計達40%。此外，城市原生污水水溫受氣候影響較小，利用區域較廣。
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把其中的低位能量提取出來，其價值與意義將極為重大。以濟南市冬季采暖期為例，據統計，全市目前日產生活污水約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℃(根據機組要求，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 ℃。
計算得：Q=6.804´1012 J
根據規范規定，民用建筑供熱指標取45~70W/m2，取建筑熱負荷指標為50 W/m2，則所回收的熱量Q可供采暖面積S可由式(2)計算：
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;T¾一天時間，8.64´104 s;q¾建筑熱負荷指標，50 W/m2。
計算得：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，足見其應用潛力及應用價值。
2 城市污水源熱泵系統工藝流程
根據城市污水與熱泵的熱交換部分是否直接進行，城市污水源熱泵系統可分為直接利用系統和間接利用系統[2]，其系統簡圖如圖2、3所示。
污水直接利用空調系統相較于間接利用空調系統不需要中間換熱器，因而具有更高的能源利用效率，節能效果更為明顯。一般污水直接利用方式的節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較為復雜，設備投資較高，因而實際工程應優先選擇污水直接利用空調系統。
3 城市污水源熱泵系統性能分析
3.1 城市污水源熱泵系統的優越性
(1)高效節能。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)供熱系統只能將90%左右的電能或70%~90%的燃料化學能轉化為熱量供用戶使用，水源熱泵要比用電鍋爐節省2/3以上的電能，比燃料鍋爐節省1/2以上的能量。由于城市污水具有較為穩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比傳統空調系統運行效率高20%以上，而運行費用僅為普通中央空調的50%~60%。
(2)環保效益顯著。系統供熱時，與傳統的鍋爐供熱系統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，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。整個系統不產生任何廢水、廢氣、廢渣，環保效益顯著。科技。
(3)一機多用，投資省。城市污水源熱泵系統一機三用，即一套機組可滿足用戶采暖、制冷及生活熱水供應，設備利用率高。省去了普通中央空調中冷卻塔、鍋爐房或換熱機房熱網等初始投資，總投資額僅為傳統空調系統的70%~80%[3]。
(4)運行穩定，維護方便。城市污水的熱特性保證了系統的高效性和穩定性，不存在空氣源熱泵冬季除霜等難題。此外，由于系統簡單、機組部件少及運行簡單穩定，相對維護也較為方便，使用壽命可長達20年以上。
3.2城市污水源熱泵系統存在的問題及解決措施
(1)換熱器的腐蝕問題。城市污水水質具有一定的腐蝕性，因而在進行換熱器選材時必須考慮材料的耐腐蝕性。國外在相關研究及應用時，通常選用鍍鋁管材或銅質管材，有的甚至采用價格較貴的鈦制材料，國內也有學者嘗試使用塑料管材進行相關研究[4]。
(2)換熱器的堵塞問題。城市污水中含有較多的懸浮物，在污水進入換熱器進行換熱時，易堵塞換熱器。實際應用時，必須在換熱器前加置自動過濾器對懸浮物進行截留。
(3)換熱器的積垢問題。城市污水源熱泵系統運行時，換熱管壁易積垢，進而降低傳熱效率。在進行換熱器設計時，需要設置換熱管自動清洗裝置，以便于定期刷洗。
4 結束語
城市污水中蘊藏著巨大的熱能，是一種尚未有效開發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利用城市污水進行供暖、制冷，具有高效節能、綠色環保、經濟適用、運行可靠的綜合特點，是一種值得深度推廣的新技術，開辟了污水資源化的新天地。科技。順應政府能源發展的戰略要求，在做好相關研究與規劃的基礎上，相信城市污水源熱泵低位熱能回收技術一定有著廣闊的發展前景。
參考文獻：
[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和應用[J].流體機械，2005，33(6)：76~78，38.
[3] 韓豐云，王鐵軍，劉杰.污水源熱泵熱能經濟技術分析[J].合肥工業大學學報(自然科學版)，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用與研究現狀[J].哈爾濱工業大學學報，2006，38(8)：1326~1329.
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