污水源熱泵發(fā)展現(xiàn)狀及在上海的應(yīng)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(fā)展現(xiàn)狀及在上海的應(yīng)用前景

裘湛

（上海城投污水處理有限公司，上海市 201203）

城鎮(zhèn)污水具有水量大、水溫水質(zhì)穩(wěn)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(zhèn)建筑物等提供區(qū)域供熱或制冷，具有較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。對污水源熱泵的分類、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)問題進行了闡述，并以上海為例估算了該技術(shù)的節(jié)能減排潛力。研究結(jié)果表明，污水源熱泵是一種技術(shù)經(jīng)濟上可行并兼具環(huán)境效益的城市污水綜合利用方法。

城鎮(zhèn)污水；污水源熱泵；節(jié)能減排

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國廢水排放總量和城鎮(zhèn)污水排放量每年以3%～8%的速度增加，相應(yīng)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(zhèn)污水處理廠的日處理水量已接近700萬m3/d。城鎮(zhèn)污水具有水量大、水溫水質(zhì)穩(wěn)定、冬暖夏涼的特點，為污水資源化創(chuàng)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(shù)，節(jié)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(shù)[2]。此外，污水源熱泵不需要消耗化石能源，不產(chǎn)生二次污染，是一種技術(shù)經(jīng)濟上可行并兼具環(huán)境效益的城市污水綜合利用方法[3]。

污水源熱泵系統(tǒng)按其使用的污水源的狀況可分為原生污水源熱泵系統(tǒng)、一級污水源熱泵系統(tǒng)和二級污水源熱泵系統(tǒng)[3]。以原生污水作為熱源/熱匯的污水源熱泵系統(tǒng)，污水可以直接從排水管網(wǎng)中提取，熱能就近使用且熱能高，但原生污水成分復(fù)雜，容易導(dǎo)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(jīng)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(tǒng)效率高、節(jié)能效果好，是污水源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[4]。但是，由于結(jié)垢和阻塞等問題尚未解決，目前技術(shù)上比較成熟、工程上普遍采用的是間接換熱式系統(tǒng)。

將污水源熱泵技術(shù)與城鎮(zhèn)污水結(jié)合起來回收污水中的熱能，不僅是城鎮(zhèn)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(nèi)外的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀，之后對污水源熱泵的關(guān)鍵技術(shù)進行綜述，最后結(jié)合上海的實際情況對該技術(shù)的應(yīng)用進行展望。

1 污水源熱泵國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外污水源熱泵發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀80年代，瑞典、挪威、日本等發(fā)達國家相繼開展了污水源熱泵的相關(guān)應(yīng)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(tǒng)的誕生地[8]。近年來，隨著污水源熱泵技術(shù)日臻完善以及技術(shù)的推廣應(yīng)用，國外發(fā)達國家積累了大量經(jīng)驗。瑞典、挪威等國大規(guī)模建設(shè)了大型的污水源熱泵站用于城市區(qū)域供熱，通過研發(fā)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(fā)了自動化旋篩與清污過濾器，實現(xiàn)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(shù)降低的問題[9]。

1.2 國內(nèi)污水源熱泵發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)對污水源熱泵的研究始于20世紀80年代，但發(fā)展較慢。2000年，北京高碑店污水處理廠建立了國內(nèi)第一個污水源熱泵系統(tǒng)，標志著我國污水源熱泵系統(tǒng)的研究進入了一個新的時代。近20年來，由于能源需求與環(huán)境形勢發(fā)展，利用污水源熱泵回收污水熱能的研究與應(yīng)用逐漸展開，污水源熱泵在各地污水處理廠中逐漸推廣應(yīng)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(qū)城市綜合體項目[16]。這些項目的運行經(jīng)驗表明，與傳統(tǒng)燃煤鍋爐和空氣源熱泵等技術(shù)相比，污水源熱泵在煙塵、CO2、NOX、SOX減排方面具有明顯優(yōu)勢。

目前國內(nèi)污水源熱泵工程以間接式污水源熱泵系統(tǒng)為主，通常采用經(jīng)過處理的二級污水。比較而言，北方地區(qū)應(yīng)用污水源熱泵的案例較多。值得注意的是，由于氣候環(huán)境的差異，污水源熱泵系統(tǒng)在不同地區(qū)體現(xiàn)的性能特點存在較大差異，其在不同地區(qū)應(yīng)用時的設(shè)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(tǒng)[18]等污泥處理系統(tǒng)的熱源也得到了研究人員的關(guān)注，是近年來新的研究方向。總的來看，目前國內(nèi)污水源熱泵應(yīng)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(nèi)仍大有潛力。

2 污水源熱泵關(guān)鍵技術(shù)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(yè)廢水的混合物，組成復(fù)雜，含有大量溶解性化合物和膠體態(tài)化合物，是一種固液兩相、固相多組分流體。污水水質(zhì)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(fù)雜性，無法建立精確的兩相流數(shù)學(xué)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(guān)于非牛頓流的湍流流動換熱問題，由于實際的應(yīng)用很少，相關(guān)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(yè)大學(xué)的吳榮華[19]等以管殼式的污水換熱器為研究對象，連續(xù)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(shù)下的換熱系數(shù)，給出了污水管內(nèi)流動換熱的準則關(guān)聯(lián)式。中國礦業(yè)大學(xué)的吳學(xué)慧[20]等研究發(fā)現(xiàn)原生污水具有典型的非牛頓冪率流特性，污水的換熱系數(shù)約為同管徑、同流速下清水的0.85～0.90倍。國內(nèi)大連理工大學(xué)、重慶大學(xué)等[21，22]高校也對污水的流動與換熱特性進行了相關(guān)研究。

2.2 污垢形成機理及去垢技術(shù)

污水中的雜質(zhì)長時間在管道及換熱器內(nèi)流動時，易產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，從而降低換熱器總體傳熱系數(shù)，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(shù)及擬合方法，對污垢生長規(guī)律進行更精確的預(yù)測。在污垢預(yù)測模型研究方面，最成熟的當屬 1959年的Kern-Seaton模型[23]，后來學(xué)者在此基礎(chǔ)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(guī)律。國內(nèi)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(jīng)現(xiàn)場試驗證明該模型預(yù)測結(jié)果誤差較小。

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

2.3 換熱器材質(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的塑料管換熱器或鋁塑復(fù)合管換熱器等。由于污水水質(zhì)的特殊性以及金屬防腐方法的局限性，目前國內(nèi)已應(yīng)用的污水源熱泵系統(tǒng)均采用間接式系統(tǒng)，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(fù)合塑料等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的白莉、尹軍和吉林大學(xué)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(shù)方法[27]，解決了污水熱能利用中的換熱設(shè)備腐蝕問題，為污水熱能實際工程應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

3 污水源熱泵在上海的應(yīng)用前景

圖1為上海某污水處理廠進水水溫與環(huán)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(shù)時間穩(wěn)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(shù)據(jù)為計算基礎(chǔ)，對污水源熱泵的節(jié)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(tǒng)燃煤鍋爐、風(fēng)冷冷水機組相比的節(jié)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(shù)和制冷系數(shù)依據(jù)尹軍[28]的研究分別取值為4.3、4.6。經(jīng)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(huán)境溫度對比圖

在以上基礎(chǔ)上，進一步計算采用污水源熱泵系統(tǒng)后，夏季制冷期和冬季采暖期的節(jié)能效果和污染物減排量。以上海某污水處理廠研發(fā)中心大樓為例進行分析。該大樓設(shè)計為一棟多層梁柱鋼結(jié)構(gòu)生態(tài)節(jié)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(yù)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(jù)不同房間對冷熱量的需求，并結(jié)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(jù)國家規(guī)定的污染物排放定額，對該大樓利用污水源熱泵系統(tǒng)在污染物削減方面的潛在值進行了預(yù)測。計算得到在冬季供暖時，污水源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比，每日節(jié)煤量為138.3 kg，在夏季制冷時，污水源熱泵系統(tǒng)與風(fēng)冷冷水機組相比，每日節(jié)電量為84.8 kWh。污染物減排量計算結(jié)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(yōu)于夏季。這對于大型城市節(jié)能減排具有重要意義。

表1 某污水源熱泵系統(tǒng)污染物減排量

4 結(jié)論

污水源熱泵在國內(nèi)外污水處理工程中均有較多成熟的商業(yè)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(tǒng)燃煤鍋爐及風(fēng)冷冷水機組的能源消耗和污染物排放。研究結(jié)果表明，污水源熱泵的使用具有明顯的節(jié)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(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景。這一技術(shù)的應(yīng)用對開發(fā)上海城鎮(zhèn)污水資源，優(yōu)化上海能源結(jié)構(gòu)具有十分重要的現(xiàn)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(shù)。