第2章 城市污水廢熱利用研究

2.1 污水源熱泵的研究現狀

過多的能源消耗會導致諸如能源短缺、環境污染等一系列嚴重的問題，開發可替代能源或提高能源利用效率迫在眉睫。污水源熱泵技術可以有效提高能源利用效率，在發達國家已經使用了多年，廣泛用于公寓、商店、醫院和辦公樓等地方。全球污水源熱泵技術應用普遍超前于技術研究，2000年以后，人們對污水源熱泵技術的研究才逐漸開展起來。通過調查分析和對比研究，定量地給出了污水源熱泵的優勢：污水源熱泵熱水系統與其他加熱器（如電鍋爐，燃氣、燃油和燃煤鍋爐）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（COP = 4.0～4.6）。而且污水源熱泵是一種環境友好型技術，不會增加空氣污染物的排放。

本章將對國內外污水源熱泵技術的研究現狀進行總結和回顧。通過整理污水源熱泵技術相關研究內容，包括污水中污染物對流動傳熱的影響、沉積在傳熱表面上的污垢生長過程等，闡明污水源熱泵技術的研究熱點。通過對污水源熱泵專用設備和換熱器的發展以及經濟效益的綜述，討論該技術未來的發展機遇。

2.1.1 中國的污水源熱泵研究報道

我國的污水源熱泵技術在20世紀末才開始研究并報道。人們首先研究了污水源熱泵在日本的應用情況，從理論上分析了我國污水的現狀，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目的分布情況。

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

圖2-1所示為我國報道的污水源熱泵項目數量隨年份變化統計。最早的污水源熱泵項目建于2000年，2007年的污水源熱泵數量達到最大值。污水源熱泵技術在實際中的應用推動了其理論研究，包括：污水的流動和傳熱；換熱面上結垢特點；專用污水取水裝置；專用污水換熱器。2007年之后，有關污水源熱泵項目的報道逐漸減少。但隨著污水源熱泵新技術的開發以及國家碳中和目標的制定，我國報道的污水源熱泵項目數又開始增多。

2.1.2 國外的污水源熱泵研究報道

自20世紀80年代以來，污水源熱泵陸續在德國、瑞士、瑞典和挪威等國家得到應用并被報道。這些國家以城市污水和污水處理廠的污水作為熱源（匯），通過熱泵系統向建筑持續供暖（制冷）。據估計，全世界有超過500個大型污水源熱泵項目投入運行，其熱值分布在10～20000kW范圍內。國外出版物中報道的典型污水源熱泵項目見表2-2。這些污水源熱泵項目的應用經驗總結如下：作為熱泵的熱源，處理后的污水優于原生污水；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比間接式系統可節省約7%的能源。

表2-2中概述了國外典型的污水源熱泵工程項目，而有關污水源熱泵的研究卻遠超出了實際報告的工程項目數量。我國對污水源熱泵的研究是從2000年左右開始的，因此從2000年開始統計了每年發表的關于污水源熱泵的論文數量，并將中文論文與英文論文進行對比，結果如圖2-2所示?？梢娢鬯礋岜玫玫搅巳藗兊某掷m關注，相關理論和技術在不斷發展。

2.1.3 污水源熱泵在其他特殊領域的應用研究

除了市政系統的污水（原生污水，二、三級處理后污水）以及江河湖海水，很多特殊場合排放的污水均含有大量廢熱，可以對其進行回收利用。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行回收，以滿足自身的工藝熱能或廠區供熱/制冷的需要。這類場所用熱量較大，同時又產生大量廢熱，非常適合回收熱量使其在場地內循環利用。研究表明，利用帶蓄熱器的熱泵回收并存儲家庭生活污水，如淋浴水、洗碗水和洗衣機排水等中的廢熱，來制備50℃的熱水，可以作為用戶熱水供應和采暖輔助熱源，該方案可為十口之家節約50%以上的能耗。

2.1.4 污水源熱泵的經濟效益

為了量化節能效率，劉蘭斌等人將公共淋浴設施中用于廢熱回收的污水源熱泵與幾種常規的熱水設備（電鍋爐、燃煤鍋爐、燃氣鍋爐和燃油鍋爐）在初始成本、運營成本和環境保護等方面進行對比。不同系統的初始成本和年度運營成本的結果如圖2-3和圖2-4所示。在生產相同數量熱水的情況下，初始成本的排名為：燃煤鍋爐＜燃氣或燃油鍋爐＜電鍋爐＜熱回收系統＜太陽能系統。運行成本的排名為：熱回收系統＜太陽能系統＜燃煤鍋爐＜燃氣鍋爐＜電鍋爐＜燃油鍋爐。服務年限在20年內的項目總運行成本的比較如圖2-5所示。盡管熱回收系統的初始投資比其他設施要高一些，但兩年后熱回收系統的總成本（初始成本+運行成本）最低。假設所有系統均具有15年的使用壽命，那么采用熱回收系統至少可節省95.34萬元，而相比于最高成本的燃油鍋爐，可節省438.44萬元，具有十分可觀的經濟效益。

以排放煙塵（SOx、NOx、CO2）的量作為所有熱水系統的年度污染物總排放量，表2-3中數據表明，污水源熱泵系統與其他熱水系統相比，在保護環境方面具有很大潛力。

另一個對比研究結果也證明了其經濟性優勢。污水源熱泵的總運行成本[（初始成本+年運行成本）×15]為176.99萬元，僅占燃油鍋爐的30.7%（可節省399.53萬元），占燃煤鍋爐的83.9%（可節省33.49萬元）。其次成本較低的是燃煤鍋爐，其運行成本為210.48萬元，但會造成環境污染。利用投資回收期法，以燃氣鍋爐初始成本為基準，通過污水源熱泵所得的年凈收益，來計算償還超過原始投資所需要的年限，以支出除以年收益計算得到投資回收期。經過計算，針對污水熱泵和燃氣鍋爐兩種典型的熱水系統，污水源熱泵投資回收期不到一年（見表2-4）?？梢娛褂梦鬯礋岜脽崴到y的總運行成本低、投資回收期短，與其他熱水方法相比具有明顯的經濟優勢。

以華北地區為例，將污水源熱泵系統與“常規鍋爐+中央空調”系統進行經濟性比較，結果見表2-5。污水源熱泵的年運營成本最低（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（油、電或煤）相比，污水源熱泵系統在技術上是可行的，在運營成本方面具有明顯優勢，并且對環境保護發揮了重要作用。該技術可以在我國實際工程中作為一種有效的熱水供應系統或建筑空調系統進行推廣。