城市污水低位热能回收利用的研究

吕鑑 ，冯彦刚
（北京工业大学建筑工程学院，北京 100022）

　　摘　要：利用污水水源热泵、可回收城市污水的低位能源。回收的能源可用于制热或制冷。通过将污水水源热泵与地下水水源热泵系统和燃气十空调供冷相结合的供能方式进行比较得出结论，综合各项费用污水水源热泵最省，地下水水源热泵次之，燃气十空冷空调系统的费用最高。
　　关键词：城市污水；热泵；热能回收；节能
　　中图分类号：TU992.3，TU833
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009－2455（2001）04-0010－03

　　城市每天都要排出大量污水，预计到2015年城市污水年处理量将达到360.95×108m³。城市污水处理厂的出水水量稳定，水温比较恒定，常年保持在一定的范围内，具有冬暖夏凉的特点。以北京市某污水处理厂为例，其处理后的二级出水冬季水温可达13.5－16.5℃，平均高出周围环境温度20℃左右，夏季出水水温为22－25℃，要低于外界环境温度十几度。所以，城市污水中涵有大量的低位能源，若以适当的途径，加以利用，可以节约大量能源，降低部分污水处理费用，还可以为节约能源与新能源的开发利用寻找一个有效的途径。
　　采用污水水源热泵技术可实现污水厂二级出水低位热能的回收利用。本文通过北京市高碑店污水处理厂的生产性试验，充分证实了本方案的技术可行性。

1 污水水源热泵的概念

　　所谓“水源热泵系统”，就是以湖、河、地下水、地.热水等为提取和储存能量的冷、热源，借助压缩机系统，消耗少量电能，在冬季把存于水中的低位热能“提取”出来，为用户供热；夏季则把室内的热量“提取”出来，释放到水中，从而降低室温，达到制冷的效果。其能量流动是利用热泵机组所消耗能量（电能）吸取的全部热能闪电能十吸收的热能）一起排输至高温热源，而其所耗能量的作用是使制冷剂氟里昂压缩至高温高压状态，从而达到吸收低温热源中热能的作用。
　　“污水水源热泵系统”即以污水作为提取和储存能量的冷、热源的水源热泵系统。

2 试验方案及流程说明

　　由于北京市高碑店污水处理厂的水源流量稳定（日处理水量80×104m³)。经过长期观察，其夏季出水水温基本保持在22℃左右（最高温度为25℃），冬季出水水温基本保持在15℃左右（最低温度为13.5℃），水温受气温的影响较小。故根据污水厂出水的这一特点，拟采用水源热泵系统在夏季为部分生产车间提供制冷，冬季进行供热。
　　试验的工作系统如图1所示：

　　工作系统说明：
　　如上图所示，冬季循环中换热器二作为冷凝器，工作系统中的循环工质经压缩机压缩以后，变成高温高压的热蒸汽，流经换热器1（冷凝器），与循环水进行热交换，放出热量为用户提供热水供热（一般热水温度为45℃左右），同时，热蒸汽冷凝成为液态工
质，经膨胀阀的降压节流转变为低温低压的液态工质（其温度要低于污水的温度L经换热器2（蒸发器）在出水井中与污水进行热交换，吸收污水中的热量后温度升高，蒸发为低温低压的气态工质后被吸人压缩机进行压缩，依此，工质进行下一个工作循环过程。通过这样的一个循环过程后，工作系统可以将污水中的低位热能转化为可以直接利用的高品位热能。
　　夏季循环中，通过四通阀和单向阀的换向作用，循环工质在工作系统中的流向恰好与冬季相反，故换热器2作为冷凝器，换热器1作为蒸发器。工质经过类似冬季的循环过程后，吸收室内的热量，然后释放到污水中，从而达到制冷的目的。

3 试验过程与结果

　　夏季系统制冷试验从2000年7月25日开始进行，到2000年9月19日结束。期间最长连续运行时间为35d，累计运行时间为49d。试验过程中，由于试验测试设备故障问题，从2000年8月8日到15日，系统停止运行8d。系统在制冷过程中的平均性能系数为3.34。
　　冬季系统供热试验从2000年12月19日开始，到2001年3月1日停止，试验系统累计运行50d左右，其中在试验过程中由于试验测试系统故障或其它原因，共停机5次，试验中系统最长连续运行时间为12d。系统的平均供热性能系数3.96。
　　本试验系统在运行期间，性能稳定，节能效果显著，较好的满足了300m²左右的生产车间在夏季制冷、在冬季供热的需求。

4 污水水源热泵与其他供能方式的比较

　　本文对污水水源热泵系统（以下简称污水热泵）与地下水水源热泵系统（以下简称地下水热泵）和燃气锅炉供热与普通空冷空调供冷相结合的供能方式进行了比较J较的内容包括耗能量、设备投资、单位负荷年运行成本。各方案的经济计算，取北京市暑期为90d，供热期为120d。地下水水源热泵系统采用国内某知名厂家生产的QY－6型水源热泵机组，其制冷性能系数为3.15，供热性能系数为4.04。燃气和空冷式空调系统中的空冷空调采用某厂生产的HSWR－8型空调机，该机制冷性能系数为2.73。
4.1 耗能比较
　　耗能是指系统为提供设计负荷的能量时所消耗的外界能量，如电能、天然气等J较结果见表1。计算公式如下式：

　　　　　　项目耗能量=[夏季制冷耗能量+冬季供热耗能量/年累计工作负荷量] kW/kW

表1 耗能情况比较 项目 污水热泵 地下水热 燃气+空冷空调协 深井水泵 62.20 电功率×10³ 热泵机组 248.88 244.61 173.11 循环水泵 60.15 29.02 29.02 小计 309.03 335.83 202.13 天然气耗量/（m3.h-1) 0.127

4.2 设备的初投资比较
　　设备的初投资主要包括：土建费、设备购置费。安装费及其它费用等。系统主要设备的初次投资以单位负荷能力的投资量计算，比较结果见表2。计算公式如下式：

　　　　单位负荷设备投资量=设备项目投资费用/工作系统设计工作负荷能力（元/kW)

表2 设备的初投资比较 元/kW 设备费用项目 污水热泵 地下水热泵 燃气+空冷空调 深井水泵 　 43.00 　 热泵系统 822.00 724.82 359.41 深井 　 450.45 　 换热器 231.14 80.26 98.28 循环水泵 12.29 12.29 12.29 电力增容费 233.42 233.42 　 天然气增容费 　 　 1214.99 合计（计增容费） 1298.85 1544.24 1684.97 （不计增容费） 1065.43 1310.82 469.98

4.3 单位负荷年运行成本
　　年运行成本是指系统中各部分的运行费，如水费、电费、燃料费用污费、管理人员工资、管理费、设备维修、大修费、设备折旧费等，比较结果见表3。单 位负荷年运行成本的计算公式见下式：
　　单位负荷年运行成本=[夏季制冷总运行成本+冬季供热总运行成本/年工作总负荷量]×年总运行时间

表3 单位工作负荷年运行成本比较 元/（kW.a) 运行费用 污水热泵 地下水热泵 燃气+空冷空调协 热泵/锅炉 21.08 20.69 0.69 深井水泵 　 21.44 　 循环水泵 9.42 9.42 3.15 天然气 　 　 172.33 折旧费 53.25 65.54 23.50 维修费 10.65 13.11 4.70 合计 94.40 130.20 204.37 　 　 　 　

　　其中，对于污水水源制冷性能系数以其试验期间的平均值为3.34，供热性能系数为3.84。计算中取电费为0.36元/（kw·h），天然气费用为1.40元／m³；折旧费取系统总设备费的5％（设备费用以20a计算)；维修费按设备费的1％计算。
4.4 单位负荷年运行费用
　　单位负荷年度运行费用AC的计算公式为：
　　AC＝I（A／P，i，n）+C（F／A,i，n）／20
　　式中：Ⅰ——工作系统单位负荷设备投资量，元/kW；
　　(A／P,i,n)——等额支付系列资金恢复系数，当
　　利率i＝6％、资金恢复期n＝20a时，（A／P，i，n)= 0.0872
　　C——单位负荷年运行成本中扣除设备折旧费后的剩余值，元/kW；
　　（F／A,i，n——等额支付系列复利系数，当利率i＝6%、资金支付期n＝20a时，（F／A, i，n）=36.7856，结果见表4。

表4 单位工作负荷年运行费用比较 元／kw 年运行费用 污水热泵 地下水热泵 燃气＋空冷空调 计增容费 168.59 253.59 480.43 不计增容费 188.95 233.23 374.48

　　由上面的各方案经济计算可以看出：从投资上说污水水源热泵系统的投资约为地下水水源热泵系 统投资的80％左右。燃气+空冷空调系统的投资最省；从年运行费用上看，燃气+空冷空调系统的费用最高，地下水水源热泵系统的次之，污水水源热泵系统的最低。在投资有效期（取20a)内，综合比较3种方案的费用，污水水源热泵系统的总运行费用大约是地下水水源热泵系统的70％左右，是燃气+空冷空调系统运行费用的45％左右。由此可见，污水水源热泵系统比其它两方案更具经济性。

5 结语

　　污水水源热泵的应用在我国尚处在起步的阶段，但由于其良好的运行性能和突出的经济效果，以后必将会广泛应用到我国城市污水水源低位热能的回收利用中去。

　　作者简介：吕鑑（1952-），男，北京工业大学建筑工程学院，副教授。