污水源熱泵系統和污水冷熱能利用前景分析

暖通空調HV&AC2004年第34卷第8期科技綜述污水源熱泵系統和污水冷熱能利用前景分析國中愛(ài)華(天津)市政壞境工程有限公司周文忠☆天津大學(xué)李建興涂光備摘要分析了污水熱源/熱匯的特點(diǎn),介紹了以未處理污水作為熱源/熱匯和以二級出水或中水作為熱源/熱匯的污水源熱泵系統,分析了污水源熱泵系統的技術(shù)經(jīng)濟性和其應用潛力,介紹了國內外的應用情況,并對其推廣使用需要解決的問(wèn)題進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞污水源熱泵未處理污水二級出水應用技術(shù)經(jīng)濟性Prospect of sewage source heat pump systems andcooling and heating energy utilization of sewageBy Zhou Wenzhong*, LI Jianxing and Tu GuangbelAbstract Analyses the characteristics of sewage as the heat source/sink, Presents the sewage sourceheat pump systems with the heat source/ sink of untreated sewage andeffluent or recycledwastewater. Analyses technicality and economics and application potentialsystems. Presents theapplication at home and abroad, and discusses some problems needed solvingKeywords sewage source heat pump, untreated sewage, secondary effluent, application, technicalityInterchina Aihua Municipal Environmental Engineering Co, Ltd, Tianjin, China污水源熱泵采用污水作為水源熱泵的熱源/熱表1常用熱源/熱匯匯,根據污水夏季溫度低于室外溫度,冬季高于室熱源/熱匯溫度范圍/外溫度的特點(diǎn),用熱泵利用污水冷熱能。與空氣源周?chē)諝?5~25熱泵和以地下水為熱源/熱匯的水源熱泵相比,污廢氣地下水水源熱泵在技術(shù)和經(jīng)濟性上更具優(yōu)勢。湖水0~101熱泵熱源/熱匯的選擇和污水熱源/熱匯的特點(diǎn)3~8熱泵的技術(shù)狀況和經(jīng)濟性與熱源/熱匯的特點(diǎn)海水密切相關(guān)。對建筑物的熱泵系統來(lái)說(shuō),理想的熱廢水和污水源/熱匯應具有以下特點(diǎn):在供熱季有較高且穩定程的冷卻水、制冷廠(chǎng)的冷卻水。從總體上講,廢水的溫度,可大量獲得,不具有腐蝕性或污染性,有理和污水在民用和商業(yè)建筑上的應用主要受以下因想的熱力學(xué)特性,投資和運行費用較低。在大多數素制約:與用戶(hù)的距離和是否能獲得穩定的廢熱情況下,熱源/熱匯的性質(zhì)是決定其使用的關(guān)鍵。表1列舉了常用的熱源/熱匯們1?！钪芪闹?男,1973年3月生,工學(xué)碩士,工程師廢水和污水全年保持相對較高且恒定的溫度。300060天津市河西區衛津南路21號新金龍大廈北樓4層(022)23376168-215在這個(gè)范疇中,可能的熱源/熱匯種類(lèi)有污水(處理E-mail:wthzhou@hotmail.com收稿日期:2003-08-15過(guò)的和未處理過(guò)的)、工業(yè)廢水、工業(yè)和電力生產(chǎn)過(guò)修回日期:2004-07-0426·科技綜述暖通空調HV&AC204年第34卷第8期流市的用戶(hù),可以顯著(zhù)增加污水用于區域供熱供冷的城市污水是一種引人注目的優(yōu)良低溫熱源/熱范圍;但由于未處理污水中含有大量雜質(zhì),水處理匯。它具有以下特點(diǎn):和換熱裝置比較復雜。該系統流程圖如圖1所示。a)產(chǎn)生量大,幾乎全年保持恒定的流量;下面以東京 Koraku1 chome區域供熱供冷系統為b)夏季溫度低于室外溫度,冬季高于室外溫例加以說(shuō)明。度,而且在整個(gè)供暖季和供冷季,水溫波動(dòng)不大。污水水溫與處理水量、所處地域、污水來(lái)源及季節冷/熱循環(huán)轉向閥F壓縮機換熱管自動(dòng)清洗等有關(guān),華北地區一般冬季水溫不低于10℃,夏季主電動(dòng)機不超過(guò)30℃2。根據北京高碑店污水處理廠(chǎng)長(cháng)期測量的數據顯示,冬季污水水溫為13.5~16.5℃,過(guò)濾器換熱器高出氣溫20多℃;夏季污水水溫為22~25℃,又冷/熱水主循環(huán)泵￠比氣溫低10多℃3。而據測量,哈爾濱馬家溝截留渠污水的冬季溫度也可達14~15℃。沉砂唐污水循環(huán)泵冷/熱水蓄水池c)含有大量的熱能。據估計,城市社區產(chǎn)生圖1以未處理污水為熱源/熱匯的污水源的廢熱40%含在污水中5熱泵系統流程圖(冷循環(huán))污水與熱泵一起使用成為區域供熱供冷的一東京 Koraku 1-chome的區域供熱供冷系統是種理想熱源/熱匯。污水源熱泵技術(shù)是污泥制肥、日本第一次應用未處理污水作為區域供熱供冷的沼氣發(fā)電、中水回用后,污水資源化進(jìn)程中的重要熱源/熱匯。用未處理污水作為熱源/熱匯是希望步,這將對實(shí)現污水資源化起到推動(dòng)作用。擴大市政污水中含有的大量熱能的利用范圍,并減2污水源熱泵的系統形式少能量消耗和溫室氣體排放。污水源熱泵系統按照其使用的污水的處理狀Koraku 1- chome區域供熱供冷工廠(chǎng)的換熱器態(tài)可分為以未處理過(guò)的污水作為熱源/熱匯的污水安裝在污水泵站的下面,并把流入泵站的未處理污源熱泵系統、以二級出水或中水作為熱源/熱匯的水中的冷/熱量傳遞到熱泵中,然后用熱泵系統來(lái)污水源熱泵系統;按照熱泵機組機房的布置情況可產(chǎn)生冷/熱水。與空氣源熱泵相比,這種系統可減分為集中式、半集中式和分散式的污水源熱泵系少20%的能量(電力)消耗統在該系統中采用旋轉過(guò)濾型自動(dòng)過(guò)濾器通過(guò)日本是利用污水冷熱能較早的國家之一。既2mm過(guò)濾網(wǎng)來(lái)去除大部分懸浮物。為了防止腐有利用未處理過(guò)的污水的,也有利用二級出水或中蝕,葉輪、主軸和泵采用不銹鋼;換熱管用鈦鋼,并水的。東京大區污水管理局從1987年起啟動(dòng)從污用帶有固定端的沖洗刷定期地從一個(gè)端向另一定水中回收冷熱能的計劃。12個(gè)熱泵系統現在正在端移動(dòng)來(lái)清除管內的污垢。流經(jīng)污水泵站的污水運行,每天使用70000m3的排水或未處理的污含有大量的細小纖維物質(zhì),這可能會(huì )阻塞沖洗刷的水。其中4個(gè)設置在泵站,用未處理的污水作為熱固定端,并造成換熱效果的衰減。這個(gè)問(wèn)題已通過(guò)源/熱匯;其余的8個(gè)使用污水處理廠(chǎng)的二級或三加熱清潔系統的辦法得到了解決。例如,用外部熱級出水?？偟哪芰抗芰楣釙r(shí)32.2GJ/h,泵產(chǎn)生的熱水來(lái)加熱傳熱管,這種解決辦法被證明供冷時(shí)41.9GJ/h?；厥盏哪芰恐饕糜谖鬯浅Ｓ行幚韽S(chǎng)的辦公建筑的空調,但其中 Koraku系統為Koraku 1- chome區域供熱供冷廠(chǎng)選用了兩臺區域供熱供冷提供能量。電制冷水源熱泵,每臺制冷量為10.5MW(30002.1以未處理污水作為熱源/熱匯的污水源熱泵USrt),制熱量為12.8MW。工廠(chǎng)還有一套熱回收系統裝置,制冷量為3.9MW(1100USrt),制熱量為以未處理污水作為污水源熱泵的熱源/熱匯,5.0MW。熱回收裝置用于同時(shí)供熱供冷時(shí),作為可就近利用城市污水泵站的污水把未處理污水中熱源/熱匯的污水流量最高可達129000m3/d。工的冷/熱量傳遞到熱泵系統中,并能就近輸送給城廠(chǎng)通過(guò)四管鑄鐵管網(wǎng)系統向 Koraku1home區的暖通空調HV&AC2004年第34卷第8期科技綜述·27商業(yè)建筑(總建筑面積126000m2)提供冷水(7較為相似,故在此不再作詳細的分析。圖3顯示了℃)和熱水(47℃)。在工廠(chǎng)里還安裝了一個(gè)總容以二級出水為熱源/熱匯的污水源熱泵系統流程圖。積為1520m3的蓄冷/熱池,來(lái)平衡能量需求及使冷/熱水換熱器蒸發(fā)器)用便宜的非峰夜間電力③冷/熱循環(huán)轉向供熱供冷工廠(chǎng)從1995年4月到1996年3月生壓縮機換熱管自動(dòng)清洗產(chǎn)了37742GJ(10484MWh)的冷量和9151GJ自動(dòng)過(guò)濾主電動(dòng)機12℃(2542MWh)的熱量。熱泵系統在夏季某月(1995二級出水換熱器年8月)記錄的月平均QOP值為4.3,遠大于東京正冷/熱水主循環(huán)泵常運行的空氣源區域供熱供冷系統的效率。而冬季某月(1996年2月)系統的COP值為395。示有樓池出水循環(huán)冷/熱水蓄水泡圖2給出了1997年供能的結果,圖中顯示有約50%的能量被分配給7~9月的供冷。其中,熱圖3以二級出水為熱源/熱匯的污水源熱泵系統流程圖(冷循環(huán))泵消耗了74%,輸送熱水和冷水消耗了15%,其他下面僅以日本東京地區 Ochiai污水處理廠(chǎng)為用電設備消耗了約11%的能量。熱泵的OP值例加以說(shuō)明。 Ochiai污水處理廠(chǎng)熱泵系統建于為3.80,如果包括輸送消耗的電力整個(gè)系統的1987年,為辦公建筑供熱供冷,它使用了315000COP值為2.81m3二級出水中的1450m3作為熱源/熱匯。該系統制冷能力為297kW冷水出水溫度為7℃;制熱能力為289kW,熱水出水溫度為45℃。它使用了兩臺電機功率為90kW的壓縮機,制冷循環(huán)時(shí)的2000COP值為465,制熱循環(huán)時(shí)的COP值為3.598。4567891011121這些結果顯示了系統有較高的運行水平。月份3污水源熱泵系統技術(shù)經(jīng)濟分析口供熱采用污水源熱泵系統,在整個(gè)冬季電轉換率都圖21997年 Koraku1chme熱泵系統供能月變化表可達到350%~450%,即使考慮到發(fā)電熱效率為關(guān)于 Korak1home供熱供冷系統的環(huán)境效33%總體轉換效率也達到15%-150%,遠高應,與以前的區域供熱工廠(chǎng)相比,它減少了大約于區域鍋爐房集中供熱系統。而夏季作為空調使2%的能量消耗(相當于218m石油產(chǎn)生的能用,可澤低30%-40%的制冷電耗,機房占地面量),并分別減少40%和37%的CO2和NO2產(chǎn)生積僅有燃煤鍋爐房的1/3~1/2,不需要貯煤和堆渣的場(chǎng)地等優(yōu)點(diǎn)十分突出。不論冬夏使用都不產(chǎn)量生任何污染,調控靈活,熱泵供暖系統不失為解決22以二級出水或中水作為熱源/熱匯的污水源城市建筑冬季供暖問(wèn)題的較佳方案熱泵系統在北方地區,熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統一般只適以二級出水或中水作為污水源熱泵的熱源/熱用于較大的城市或居民點(diǎn)受到一定局限。熱泵系匯,因為水質(zhì)較好所以處理過(guò)程比較簡(jiǎn)單,系統可統則適應性較強還可以實(shí)現冬季供暖、夏季供冷能僅需要一級過(guò)濾器或者有時(shí)可能根本不需要過(guò)在我國中部特別是長(cháng)江沿線(xiàn)地區夏季高溫亟需空濾器。但污水處理廠(chǎng)一般位于市區邊緣距熱用戶(hù)調制冷降溫,冬季卻因使用時(shí)間短而不安裝專(zhuān)門(mén)的較遠。如在污水處理廠(chǎng)內設立機房,回收污水中的取暖設備致使該地區冬季室內十分寒冷。采用水冷/熱量則供熱供冷管線(xiàn)較長(cháng),費用較大。如果有源熱泵系統恰可同時(shí)滿(mǎn)足這兩方面的需要,從而開(kāi)中水系統,則可利用中水管線(xiàn)將水輸送到用戶(hù)處,采發(fā)出一個(gè)其他供暖方式無(wú)法企及的巨大市場(chǎng)。取半集中式系統進(jìn)行供冷供熱。水中的能量利用完3.1污水源熱泵的運行費用之后,還可繼續作為中水使用。在此情況下,不需要根據日本某公司對不同供冷/熱方式的經(jīng)濟分復雜的處理系統,所以系統與一般的水源熱泵系統析結果污水源熱泵系統與傳統的制冷加鍋爐系統·28·科技綜述暖通空調HV&AC2004年第34卷第8期相比,可節約40%的運行費用和25%的總投資(包表2ocha污水處理廠(chǎng)熱泵系統括折舊和利息)。這顯示了污水源熱泵系統潛在與鍋爐系統運行費用的比較的經(jīng)濟效益熱泵鍋爐(1987年3月)(1987年3月)(198年3月)Ochiai工廠(chǎng)以前曾使用過(guò)制冷加鍋爐系統來(lái)能量消耗電256kWh/d油147L/d(根油313L/d(實(shí)進(jìn)行房間供熱和供冷,現在使用污水源熱泵系據同期熱量際值需求的估計統。工廠(chǎng)未處理的污水量是每天450000m3,現在只利用了可利用能源的一小部分。如果這一巨運行費用指數大的潛在熱源/熱匯用于周?chē)貐^的區域供熱供筆者也對冬季北方地區采用各種供熱方式對冷,將會(huì )有巨大的能量節約。表2給出了 Ochiai建筑物進(jìn)行供熱時(shí)的環(huán)境效應和運行費用進(jìn)行了污水處理廠(chǎng)熱泵系統在1987年3月供熱時(shí)的運行比較。結果顯示,污水源熱泵系統比燃煤鍋爐和空費用與鍋爐系統在1986年3月的運行費用的比氣源熱泵的運行費用要低25%以上,更遠低于其較,表中顯示熱泵系統的運行費用比傳統的鍋爐系他供熱方式的運行費用。這也與日本文獻的數據統大約低25%。相吻合。結果見(jiàn)表3表3冬季各種供熱方式環(huán)境效應和運行費用的比較供熱方式燃煤鍋爐燃油鍋爐燃氣鍋爐氣源熱泵水源熱泵燃料種類(lèi)柴油天然氣對環(huán)境是否有污染有無(wú)危險性煤有5有有電無(wú)有5電無(wú)無(wú)電無(wú)無(wú)效率/%燃料單價(jià)0.33元/kg6元/kg輕有8元五元/m30.4元/(kWh)0.4元/(kWh)0.4元/(kWh)每個(gè)供暖季燃料費55,52316用/(元/m2)注;以天津地區為準,最低溫度-10℃,每年供暖120d據測算,夏季使用污水源熱泵空調系統運行費一飲用水一用平均為20元/m2左右,溴化鋰機組約為34.6地下水元/m2,家用空調機約為28.8元/m2。污水源熱泵的運行費用比其他空調方式低30%以上32污水源熱泵的初投資透就機房設備一次性投入進(jìn)行比較,溴化鋰機組等集中空調一般為200元/m2,水源熱泵集中空1190 WT::■T調系統一般為90~100元/m2,僅為前者的一半左有機物產(chǎn)生的熱量右。具體就污水源熱泵系統而言,因其利用未處理圖41998年2月札幌通過(guò)供水和污水系統的能量流污水、二級出水或中水作為水源熱泵系統的水源,℃。700MW的顯熱被釋放到了接受水體。污水不用打井,在初投資方面與其他形式的集中空調系處理廠(chǎng)出水中的熱能總量大約是5500TJ/a,這大統相比更具有優(yōu)勢約是札幌民用年消耗能量的264污水源熱泵的應用潛力分析以一個(gè)人口規模為33萬(wàn)的城區為例,按人均城市每天都產(chǎn)生大量的污水,污水中又含有大產(chǎn)生污水量為180kg/d計算,該城區產(chǎn)生的生活量的冷/熱量。以日本東京大區為例,每年有污水為6萬(wàn)t/d,在市政污水中工業(yè)廢水和生活廢38000TJ的熱量被浪費在污水系統中,這相當于水的比例為1:1的情況下,需建12萬(wàn)td處理能40萬(wàn)住戶(hù)供熱供冷消耗的能量9。力的污水處理廠(chǎng)。該處理廠(chǎng)的二級出水量為5000圖4顯示了1998年2月札幌通過(guò)水系統的熱t/h。按照冬夏季污水源熱泵機組分別利用污水能流。自來(lái)水水溫是38℃,經(jīng)用戶(hù)使用后水溫升5℃的溫差,夏季供冷指標按80W/m2,冬季供熱到13.1℃。最后污水處理廠(chǎng)的出水溫度是13.8指標按60W/m2計算,則冬夏季供熱供冷的面積暖通空調HV&AC2004年第34卷第8期科技綜述·29·分別為48萬(wàn)m2和36萬(wàn)m2。(c)采用兩級熱泵系統,即在污水源熱泵的后5國內外污水源熱泵的應用情況面再加一級高溫熱泵,在冬季時(shí),將污水源熱泵的國外污水源熱泵的應用較多,污水源熱泵的技出水溫度從45~50℃提升到70℃以上。術(shù)已經(jīng)比較成熟。其中尤以日本、瑞典、挪威等國d)污水源水溫的問(wèn)題。污水水溫與城市所處應用較多。另外,美國、德國等國家也進(jìn)行了大量的位置、城市的生活水平、城市污水的水量和構成研究。表4為日本的部分應用實(shí)例-810。(工業(yè)污水與生活污水的比例)及季節等諸多因素表4日本部分應用污水及類(lèi)似水體的熱泵系統情況都有關(guān)系,但污水源熱泵在冬季進(jìn)口水溫最好不低規模/Mw建成時(shí)間熱源/熱匯于12℃,所以應對城市污水水溫的全年變化情況Koraku1992年未處理的污水Osaka Nanko Cosmo Square 1131994年海水進(jìn)行調查和分析。Makuhari781995年未處理的污水e)保證性問(wèn)題。如果污水源熱泵應用于大面0.2971987年二級出水積區域供熱供冷,需要考慮是否需要設置蓄熱池Rokko Island City521988年二級出水還有冬季是否需要備用鍋爐的問(wèn)題。Okawabashi River City1991年河水KosugeI993年二級出水f)經(jīng)濟性問(wèn)題。其市場(chǎng)前景如何,與其他供Riverside Sumio0.58196年河水熱供冷方式相比是否具有成本優(yōu)勢,如果公司投資中國的污水源熱泵應用目前還剛剛起步。北污水源熱泵系統,是否有合理的利潤空間?這些都京高碑店污水處理廠(chǎng)(供熱供冷面積約900m2)、需要加以分析。北京北小河污水處理廠(chǎng)(供熱供冷面積約6000參考文獻m2)、河北秦皇島污水處理廠(chǎng)(供熱供冷面積約1EAPC(國際能源組織熱泵中心). Heat sources3500m2)和哈爾濱馬家溝截留渠污水項目(供熱tp://www.heatpumpcentreorg/aboutheatpumps供冷面積約600m2)等分別在這方面進(jìn)行了有益Heat sources, asp2高月芬.水源熱泵系統在污水處理廠(chǎng)的應用.供熱制的嘗試-31,且運行效果都良好。但目前應用的冷,2003(4):17-19供熱供冷面積都還較小,與污水中含有的巨大能量3馬最良,姚楊,趙麗瑩.污水源熱泵系統的應用前景相比還不成比例,也大有潛力可挖中國給水排水,2003,19(7):41-436污水源熱泵系統需要解決的問(wèn)題4王曉夫關(guān)于大力推進(jìn)自然冷能轉換設備產(chǎn)業(yè)化的建污水源熱泵有著(zhù)廣闊的應用前景,但其使用還議.見(jiàn):哈爾濱市專(zhuān)家顧問(wèn)咨詢(xún)委員會(huì )《咨詢(xún)報告》,2002需解決以下一些問(wèn)題:5 CADDET(the centre for the analysis and disseminationa)清潔技術(shù)的選擇。由于污水中包含多種固of demonstrated energy technologies ) First DHC體懸浮物和鹽類(lèi),所以清潔技術(shù)是從污水中回收能system in Japan using untreated sewage as a heat量的關(guān)鍵技術(shù)。需要解決阻塞、腐蝕、結垢等方面source. Result 290. JP 97. 503/5X D01, 19976 Funamizu N, lida M, Sakakura Y, et al. Reuse of的問(wèn)題。heat energy in wastewater: implementation examplesb)系統形式的選擇。如果污水源熱泵應用于in Japan. Water Science and Technology, 2001, 43區域供熱供冷,是采用未經(jīng)處理的污水還是二級出(10):277-286水或中水,是采用集中式、半集中式還是分散式的7 Fumanizu N, Ogoshi M. Reuse of water and heat污水源熱泵系統,這都需要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟分析。energy in wastewater in Japan見(jiàn):21世紀國際城市污c)熱用戶(hù)的問(wèn)題。如污水源熱泵系統釆用一水處理及資源化發(fā)展戰略研討會(huì )與展覽會(huì )會(huì )議論文北京,2001般的水源熱泵機組,則在冬季提供的熱水溫度為8 CADDE:. Reduced fouling of sewage water heat45~50℃,能滿(mǎn)足風(fēng)機盤(pán)管用戶(hù)的要求;但散熱器pumps. Demo 33, JP 93. 501/5X H03, 1995用戶(hù)的進(jìn)水溫度一般應在70℃以上,所以熱泵的9 Nakazato t. Urban heat. Mizu,1987(8):6-67出水溫度不能滿(mǎn)足其要求。有三種解決辦法:10 The Japan gas association. Utilization of untapped(a)系統僅向使用風(fēng)機盤(pán)管的用戶(hù),即公共設energyhttp://www.gasorjp/ekankyo/25. html施或高檔社區提供能量;11趙凱,劉穎超.污水能源熱泵技術(shù)的開(kāi)發(fā)應用.住宅(b)采用地板供暖方式;科技,2003(5):35,47