污水处理厂水源热泵应用研究

1 引言

目前，我国污水处理厂年处理污水量达464亿m3，经过处理后的污水大部分排放未加以利用，造成水资源的大量浪费。究其原因，或是处理后出水水质达不到用户的使用要求，或是运行成本较高，经济上不可行。而常规能源日渐短缺，温室效应明显加快，环境污染日趋严重[1]。

暖通空调能源消耗给能源和环境带来了巨大压力，开发利用低位可再生清洁能源是节能降耗使用新模式。全国污水处理厂的污水的能量如能全部利用，可供采暖空调面积达5亿m2 [2]，并可节省用煤量0.33亿吨，以全国年总能耗30亿吨标煤计算，即可节煤1.1%；若按暖通空调的一次能源消耗量10亿吨标煤计算，节煤可达3.3%。同时每年还可减少污染物排放量达72万吨。

2 污水源热泵应用现状

2.1 国外应用现状

在西方一些发达国家，由于其环保政策和能源结构，污水水源热泵技术在这些国家中的研究和应用很多。如，瑞典斯德哥尔摩有40%的建筑物采用热泵技术供热，其中10%是利用污水处理厂的出水；日本对污水源热泵技术也进行了大量的研究，并且处于世界的领先地位[3]。

瑞典及日本的部分工程实例如表1所示（以利用污水处理厂出水为例）

2.2 我国应用现状

20世纪90年代中期，我国开始出现采用地下水替代空气作为热源的热泵。污水源热泵在原生污水利用中渐露头角，技术日益成熟，并在我国北方很多省份得到应用[4-5]，但在污水处理厂内的应用还是近年来才发展起来的[6]。一些以利用污水处理厂出水作为热源的工程实例见表2。

3 污水源热泵原理

污水源热泵空调系统是使热量从低温介质流向高温介质的装置，是利用污水，借助制冷循环系统，通过消耗少量的电能，在冬天将水资源中的低品质能量“汲取”出来，经管网供给室内空调、采暖系统、生活热水系统；夏天，将室内的热量带走，并释放到水中，以达到夏季空调制冷的效果。其工作原理见下图。

4 污水热泵的特点

4.1 优越性

（1）环保洁净

污水源热泵空调系统是新型清洁能源利用技术，采取市政污水没有任何污染，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，对防止空气污染、环境保护、实现自然生态平衡具有重要的作用，是理想的清洁能源。

（2）节水、节电

以市政污水处理后的出水为水源体，向其吸收或放出能量，既不消耗水资源，也不会造成污染，且无需设冷却塔，可节约大量水资源。污水源热泵系统70%以上的能量来自废水，是无须“付费”的，只有30%以下的能量由电能驱动转化而来，产出能量与输入电量的比值（COP）在4～5之间，与以电、油或燃气为热源的供热系统相比，污水源热泵具有明显

的优势；污水源热泵空调系统的能源利用率为传统方式的3～4倍，投入1kW的电能可得到3～4kW以上的制冷或供热的能量。运行费用可节省1/3～1/2。

（3）灵活安全

真正做到“一机多用”。利用污水源热泵空调系统冬季向建筑物供暖、夏季向建筑物供冷，并可提供生活热水，提高了设备的利用率，且系统末端亦可作多种选择。

（4）运行经济、可靠

由于城市污水水温高且相对稳定，全年变化幅度较小，因而污水源热泵空调系统机组运行情况稳定；热泵装置不需要燃料输送费用和保管费、排渣运输费等；锅炉设备与高温烟气接触，构件极易受损，而污水源热泵系统只有两个部件运动，磨损少，平时无需任何检修，因而检修周期较长；自动化程度高，无需专业人员操控，管理人员与劳动强度均可减少。

4.2 存在的缺陷

（1）受水质的影响很大，污水循环过程中的腐蚀、结垢、堵塞及微生物的沉积生长，极易在换热管内外表面沉积形成粘性污泥，污水泥层运行一周热阻将达到最大值；污水如果直接进入换热器，仍然会对系统造成一定的影响。

（2）由于能量在传输过程中存在损耗会造成末端温差过大，达不到保温效果；因此，用户点离热泵机房一般应在300米以内。

（3）锅炉采暖方式供/回水温度可达90℃/70℃，而污水源热泵比较经济的供/回水温度为45℃/40℃，导致管网末端能量损失后温度过低。因此对于规模化应用尚需研究与探索。

5 工程案例（以河北秦皇岛某污水处理厂为例）5.1 水源概况

河北秦皇岛某污水处理厂的处理量为4×104m3/d，处理后出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。冬季出水温度在12℃～18℃，气候影响较小，因此是水源热泵系统理想的低温热源。

5.2 热负荷设计

该污水处理厂区内的采暖建筑面积为4311m2，制冷建筑面积为1735m2。室外设计温度为-9.9℃，室内设计温度综合楼、食堂浴室为18℃~20℃，厂区生产构筑物为5℃~8℃，冬季空调系统热负荷567.8kW，供/回水温度45℃/40℃。夏季空调系统冷负荷203kW，供回水温度7℃~12℃。其工程热负荷分布见表3。

5.3 设备选型

考虑到15%管网能量损失及末端负荷的匹配及不同期使用系数，设备包括水源热泵机组及其配套装置。选用主要设备：1台WPS180.1B热泵机组（制冷量609.2kW，供热量627kW）；空调系统循环水泵2台（1用1备)，Q=78.4m3/h，H=31m，N=10.5kW；定压补水泵2台（1用1备），Q=7.2m3/h，H=20m，N=0.75kW；板式换热器BR0.25M型1台；循环水泵1台，Q=95m3/h ，H=18m，N=6.5 kW；污水源循环水泵1台，Q=100m3/h，H=20m，N=7.5 kW；配套定水罐、软水器及集分水器各1套。

5.4 工程效益

设备初期投资32.11万元（含末端风机盘管），经初步测算，污水源热泵系统在污水处理厂厂前区和生产区供暖时单位采暖面积直接成本19～21元/m2，单位热量成本为0.18～0.4元/kW·h。该工程比其他供暖系统节约成本30%左右。自2009年12月到2010年4月试运行，经历了当地最低气温，系统运行稳定，节能效果显著，能够达到设计温度的要求。

6 结论

（1）该工程将城市污水出水应用于污水源热泵技术进行供暖、制冷，进一步验证了污水源热泵的可行性。

（2）污水源热源系统高效节能，不仅可减少环境污染，而且可节省设备初投资和运行费用，环境效益显著、自动化程度高。

（3）污水处理厂有充足的水源，处理后出水作为水源热泵的热源，充分利用污水中的低品位能量，既节能、环保又经济可行，在提高污水综合利用率的同时，可减少因使用化石燃料而产生的污染物（主要为CO2）的排放量。

以污水处理厂一/二级出水及再生水为热源的热泵应用技术更是“减排”与“节能”相结合的可再生能源技术。城镇污水与热泵技术结合的推广应用须因地制宜，科学合理地进行就地利用或区域利用。