第2章 城市污水廢熱利用研究

2.1 污水源熱泵的研究現(xiàn)狀

過多的能源消耗會(huì)導(dǎo)致諸如能源短缺、環(huán)境污染等一系列嚴(yán)重的問題，開發(fā)可替代能源或提高能源利用效率迫在眉睫。污水源熱泵技術(shù)可以有效提高能源利用效率，在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)使用了多年，廣泛用于公寓、商店、醫(yī)院和辦公樓等地方。全球污水源熱泵技術(shù)應(yīng)用普遍超前于技術(shù)研究，2000年以后，人們對(duì)污水源熱泵技術(shù)的研究才逐漸開展起來。通過調(diào)查分析和對(duì)比研究，定量地給出了污水源熱泵的優(yōu)勢(shì)：污水源熱泵熱水系統(tǒng)與其他加熱器（如電鍋爐，燃?xì)狻⑷加秃腿济哄仩t）相比，具有更高的能源效率。與空氣源熱泵（COP =2.8～3.4）和地源熱泵（COP = 3.3～3.8）相比，污水源熱泵具有更高的性能系數(shù)（COP = 4.0～4.6）。而且污水源熱泵是一種環(huán)境友好型技術(shù)，不會(huì)增加空氣污染物的排放。

本章將對(duì)國內(nèi)外污水源熱泵技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和回顧。通過整理污水源熱泵技術(shù)相關(guān)研究?jī)?nèi)容，包括污水中污染物對(duì)流動(dòng)傳熱的影響、沉積在傳熱表面上的污垢生長(zhǎng)過程等，闡明污水源熱泵技術(shù)的研究熱點(diǎn)。通過對(duì)污水源熱泵專用設(shè)備和換熱器的發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)效益的綜述，討論該技術(shù)未來的發(fā)展機(jī)遇。

2.1.1 中國的污水源熱泵研究報(bào)道

我國的污水源熱泵技術(shù)在20世紀(jì)末才開始研究并報(bào)道。人們首先研究了污水源熱泵在日本的應(yīng)用情況，從理論上分析了我國污水的現(xiàn)狀，并證明了使用污水源熱泵的可行性，之后開始重視起來。表2-1中列出了我國的污水源熱泵項(xiàng)目的分布情況。

由表2-1可知，污水源熱泵項(xiàng)目主要分布在北京、黑龍江、遼寧、河北、山東和天津等省（市），在北方應(yīng)用較多。由于天氣寒冷，這些地區(qū)的建筑物在冬季有超過4個(gè)月的供暖需求。傳統(tǒng)的采暖熱源以燃煤鍋爐為主，造成嚴(yán)重的大氣污染和溫室效應(yīng)。另外，北方的污水溫度高于冬季的環(huán)境溫度，且低于夏季的環(huán)境溫度，因此可以作為熱泵系統(tǒng)的良好熱源（匯）。

圖2-1所示為我國報(bào)道的污水源熱泵項(xiàng)目數(shù)量隨年份變化統(tǒng)計(jì)。最早的污水源熱泵項(xiàng)目建于2000年，2007年的污水源熱泵數(shù)量達(dá)到最大值。污水源熱泵技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用推動(dòng)了其理論研究，包括：污水的流動(dòng)和傳熱；換熱面上結(jié)垢特點(diǎn)；專用污水取水裝置；專用污水換熱器。2007年之后，有關(guān)污水源熱泵項(xiàng)目的報(bào)道逐漸減少。但隨著污水源熱泵新技術(shù)的開發(fā)以及國家碳中和目標(biāo)的制定，我國報(bào)道的污水源熱泵項(xiàng)目數(shù)又開始增多。

2.1.2 國外的污水源熱泵研究報(bào)道

自20世紀(jì)80年代以來，污水源熱泵陸續(xù)在德國、瑞士、瑞典和挪威等國家得到應(yīng)用并被報(bào)道。這些國家以城市污水和污水處理廠的污水作為熱源（匯），通過熱泵系統(tǒng)向建筑持續(xù)供暖（制冷）。據(jù)估計(jì)，全世界有超過500個(gè)大型污水源熱泵項(xiàng)目投入運(yùn)行，其熱值分布在10～20000kW范圍內(nèi)。國外出版物中報(bào)道的典型污水源熱泵項(xiàng)目見表2-2。這些污水源熱泵項(xiàng)目的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：作為熱泵的熱源，處理后的污水優(yōu)于原生污水；污水源熱泵的供暖和制冷功能均具有較高的COP；增大污水入口和出口之間的溫差可提高加熱或冷卻能力；直接式污水源熱泵系統(tǒng)比間接式系統(tǒng)可節(jié)省約7%的能源。

表2-2中概述了國外典型的污水源熱泵工程項(xiàng)目，而有關(guān)污水源熱泵的研究卻遠(yuǎn)超出了實(shí)際報(bào)告的工程項(xiàng)目數(shù)量。我國對(duì)污水源熱泵的研究是從2000年左右開始的，因此從2000年開始統(tǒng)計(jì)了每年發(fā)表的關(guān)于污水源熱泵的論文數(shù)量，并將中文論文與英文論文進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2-2所示。可見污水源熱泵得到了人們的持續(xù)關(guān)注，相關(guān)理論和技術(shù)在不斷發(fā)展。

2.1.3 污水源熱泵在其他特殊領(lǐng)域的應(yīng)用研究

除了市政系統(tǒng)的污水（原生污水，二、三級(jí)處理后污水）以及江河湖海水，很多特殊場(chǎng)合排放的污水均含有大量廢熱，可以對(duì)其進(jìn)行回收利用。例如，洗浴中心或家庭淋浴間、洗衣房、紡織廠、油田、藥廠、啤酒廠、牛奶廠等的污水余熱皆可因地制宜進(jìn)行回收，以滿足自身的工藝熱能或廠區(qū)供熱/制冷的需要。這類場(chǎng)所用熱量較大，同時(shí)又產(chǎn)生大量廢熱，非常適合回收熱量使其在場(chǎng)地內(nèi)循環(huán)利用。研究表明，利用帶蓄熱器的熱泵回收并存儲(chǔ)家庭生活污水，如淋浴水、洗碗水和洗衣機(jī)排水等中的廢熱，來制備50℃的熱水，可以作為用戶熱水供應(yīng)和采暖輔助熱源，該方案可為十口之家節(jié)約50%以上的能耗。

2.1.4 污水源熱泵的經(jīng)濟(jì)效益

為了量化節(jié)能效率，劉蘭斌等人將公共淋浴設(shè)施中用于廢熱回收的污水源熱泵與幾種常規(guī)的熱水設(shè)備（電鍋爐、燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t和燃油鍋爐）在初始成本、運(yùn)營(yíng)成本和環(huán)境保護(hù)等方面進(jìn)行對(duì)比。不同系統(tǒng)的初始成本和年度運(yùn)營(yíng)成本的結(jié)果如圖2-3和圖2-4所示。在生產(chǎn)相同數(shù)量熱水的情況下，初始成本的排名為：燃煤鍋爐＜燃?xì)饣蛉加湾仩t＜電鍋爐＜熱回收系統(tǒng)＜太陽能系統(tǒng)。運(yùn)行成本的排名為：熱回收系統(tǒng)＜太陽能系統(tǒng)＜燃煤鍋爐＜燃?xì)忮仩t＜電鍋爐＜燃油鍋爐。服務(wù)年限在20年內(nèi)的項(xiàng)目總運(yùn)行成本的比較如圖2-5所示。盡管熱回收系統(tǒng)的初始投資比其他設(shè)施要高一些，但兩年后熱回收系統(tǒng)的總成本（初始成本+運(yùn)行成本）最低。假設(shè)所有系統(tǒng)均具有15年的使用壽命，那么采用熱回收系統(tǒng)至少可節(jié)省95.34萬元，而相比于最高成本的燃油鍋爐，可節(jié)省438.44萬元，具有十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

以排放煙塵（SOx、NOx、CO2）的量作為所有熱水系統(tǒng)的年度污染物總排放量，表2-3中數(shù)據(jù)表明，污水源熱泵系統(tǒng)與其他熱水系統(tǒng)相比，在保護(hù)環(huán)境方面具有很大潛力。

另一個(gè)對(duì)比研究結(jié)果也證明了其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。污水源熱泵的總運(yùn)行成本[（初始成本+年運(yùn)行成本）×15]為176.99萬元，僅占燃油鍋爐的30.7%（可節(jié)省399.53萬元），占燃煤鍋爐的83.9%（可節(jié)省33.49萬元）。其次成本較低的是燃煤鍋爐，其運(yùn)行成本為210.48萬元，但會(huì)造成環(huán)境污染。利用投資回收期法，以燃?xì)忮仩t初始成本為基準(zhǔn)，通過污水源熱泵所得的年凈收益，來計(jì)算償還超過原始投資所需要的年限，以支出除以年收益計(jì)算得到投資回收期。經(jīng)過計(jì)算，針對(duì)污水熱泵和燃?xì)忮仩t兩種典型的熱水系統(tǒng)，污水源熱泵投資回收期不到一年（見表2-4）。可見使用污水源熱泵熱水系統(tǒng)的總運(yùn)行成本低、投資回收期短，與其他熱水方法相比具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

以華北地區(qū)為例，將污水源熱泵系統(tǒng)與“常規(guī)鍋爐+中央空調(diào)”系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，結(jié)果見表2-5。污水源熱泵的年運(yùn)營(yíng)成本最低（僅為12萬元），可為面積為10000m2的建筑物供熱（冬季）和制冷（夏季）。

與其他鍋爐系統(tǒng)（油、電或煤）相比，污水源熱泵系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的，在運(yùn)營(yíng)成本方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，并且對(duì)環(huán)境保護(hù)發(fā)揮了重要作用。該技術(shù)可以在我國實(shí)際工程中作為一種有效的熱水供應(yīng)系統(tǒng)或建筑空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行推廣。