1.1 城市污水廢熱回收利用及污垢

2019年統計數據顯示，我國建筑能耗占全國能源消費總量的33%，建筑碳排放高達全國總碳排放的38%。全球建筑能耗占全球能耗總量的35%，超過工業和交通能耗。2020年，美國的住宅和商業建筑的能源消費占其全國能源消耗總量的40%。在建筑能源消耗中，約有36%用于供暖、空調及加熱生活用水。根據Tomlinson的報告，每年大約有3500億kW·h的能量以廢水的形式損失掉，蘊含著巨大的熱回收潛力。瑞士研究者的報告指出，在供給建筑的總能量中，約有超過15%的能量被污水系統直接排放。盧森堡的研究者指出，2013年住宅熱水能耗占歐盟家庭供暖需求的16%，損失的能量可以通過建筑物內部的熱回收系統進行回收。英國于2018年制定目標，在2050年之前減少80%的二氧化碳排放。隨著城鎮化和工業化的發展，人們的生產生活中會產生大量含有廢熱能的污水。使用熱泵技術回收污水中的廢熱，將廢熱資源進行可持續化提取和品位提升，直接或間接地滿足建筑及工業等領域的用熱需求，是節能環保的重要體現，且具有顯著的經濟效益。近年來，城市污水、處理過的污水、生活污水、洗浴廢水和工業廢水的熱回收引起了人們的廣泛關注。

1.1.1 廢熱利用的可行性及潛力

能源短缺和環境污染已經成為全球、全人類密切關注的兩大問題，可持續發展理念受到了社會各界的重視。面對龐大的資源需求和不確定的國際環境，為了確保能源結構的優化和我國能源供應安全，需要我們居安思危，未雨綢繆，呼吁更多研究人員尋找可再生和可持續的能源來替代化石燃料。另外，隨著我國城市化進程的加快和人口的增長，除了能源短缺和環境污染問題外，水資源短缺問題也越來越嚴重，污水源熱泵夏季運行時，節省了空調冷卻水系統，有利于節約用水。

開發和利用新的冷熱源應該滿足節能、環保和健康發展的要求，而城市污水作為熱泵的低位熱源恰恰能夠滿足上述要求，在解決能源危機、提高能源利用效率方面發揮著重要作用。據資料統計，43%～70%的能源主要以廢熱的形式丟失，而排放污水中的廢熱占有很大比例。對這些廢熱回收利用，來滿足城市供熱、空調和熱水供應的能源需求，具有巨大的應用潛力。污水源熱泵系統除了具備熱泵系統普遍具有的節能清潔等諸多優點外，更兼備了污水自身的優勢。例如，城市污水水溫適宜且波動小，水量充足且流量穩定，污水低位熱能巨大，具有穩定性、可靠性、經濟性、環保性等優點。

（1）水溫適宜且波動小 城市污水水溫受氣候變化影響較小，從水溫來看適宜作為城市供熱熱源。公共浴室的排水溫度一般在30℃以上，夏季生活污水的排水溫度一般在20℃左右，冬季的排水溫度一般在11℃左右。就哈爾濱地區污水溫度而言，最高為18℃，最低為10℃，全年的變化幅度僅為8℃，其中最高溫度出現在7、8月份，最低溫度出現在3月份。

（2）水量充足且流量穩定 生活污水在城市污水中占比大，水源分布廣，資源充沛，將污水源熱泵系統建設在合適的污水排水溝渠附近，能夠保障足夠的污水水源。另外，污水排放量與人們生活習慣有關，且一般呈規律性變化，保證了可利用污水水量的周期性穩定。

（3）污水低位熱能巨大 冬季城市污水水溫明顯高于室外空氣溫度，儲熱豐富；夏季污水溫度較室外溫度偏低，可用來作為空調冷源。城市污水與熱泵聯合具有明顯優勢，是理想的熱泵冷熱源，能夠為人們的生產生活提供可觀的清潔能源，緩和人與自然的沖突。在減少煤炭、石油等不可再生能源使用的同時，可以減少污染物和CO2排放，環保效益顯著。

對污水源熱泵系統的開發與推廣有助于促進城市污水的資源化利用，具有節能減排、生態環保和促進經濟發展等意義。污水源熱泵是一項具有發展前景的節能技術，但污水源熱泵系統亟需關注的焦點是專用污水換熱器。污水中含有各種各樣的雜物、懸浮物，容易沉積，換熱器表面容易結垢，造成換熱器整體換熱效率下降，影響管路的通暢性及系統的穩定性。污水廢熱回收的節能潛力巨大，但在推廣中需要解決污水換熱器的堵塞、腐蝕、結垢等一系列問題。

1.1.2 熱泵回收污水廢熱項目介紹

利用熱泵對污水廢熱進行回收，被稱為污水源熱泵系統，是最常見的污水廢熱回收方式。目前，污水源熱泵系統根據污水是否進入蒸發器而被分為直接式和間接式；按熱泵工質來分，有氟利昂、二氧化碳和氨等工質；按照熱泵結構來分，有單級、多級、復疊式及輔助式等；按污水換熱器的形式來分，有淋激式、浸泡式、殼管式和板式等。

1.國外城市污水廢熱回收項目

從20世紀80年代，就有了利用熱泵回收污水廢熱用于供暖和熱水供應的工程實例。應用較早的是瑞典、挪威等北歐國家：挪威奧斯陸1980年開始建設利用未處理城市原生污水作為熱源的熱泵站，于1983年投入使用。挪威ASKER污水處理廠建成了原生污水熱泵，供廠外開發區28棟商業建筑空調使用，供熱面積15.5萬m2。瑞典以處理后污水為熱源，選用螺桿式壓縮機建立了3.3MW的熱泵系統，于1981年投入使用，系統平均性能系數（coefficient of performance，COP）為2.6，成本回收期為6.5年。其中的換熱管采用鍍鋅碳素鋼，未見污水腐蝕現象。瑞典的RAY污水處理廠以二級處理后污水為熱源，為5170棟建筑集中供熱。瑞士蘇黎世市政廳由Sulzer公司承建了大型污水源熱泵系統。瑞典斯德哥爾摩、哥德堡、厄斯特松德等城市建成了十余處大型污水源熱泵站。整個瑞典的建筑中，40%都采用熱泵技術為其供熱，而其中的10%是以污水處理廠處理后的污水作為熱泵的熱源。在俄羅斯的莫斯科，一所服務性建筑應用污水處理廠二級出水向室內游泳池供熱，向人工滑冰場供冷，并為融雪裝置供熱。1981年薩拉應用二級出水建立了熱泵站。污水源熱泵系統在德國、芬蘭和荷蘭也有不同程度的應用。有關污水熱能的研究與利用在日本發展較快，1986年東京落合污水處理廠建成了二級出水熱泵，冬季COP為4.3，夏季COP為4.6。1987年東京湯島泵站建立了原生污水熱泵，換熱面可自動清洗。英國南部于1988年應用的污水源熱泵系統生產熱水溫度45℃，COP可達4.5，與其他供熱方式相比節能效果顯著。日本千葉縣花則污水處理廠，先后于1991年和1998年以二級出水為冷/熱源建成了集中供熱/空調系統。日本東京大區污水管理局12個污水源熱泵項目中4個采用原生污水，8個采用二三級出水。日本荏源公司對污水源熱泵進行了經濟性評價，與電制冷+燃油鍋爐相比節省初投資25%，節省運行費用40%。2001年，美國杜塞特工業公司利用重力熱管換熱器，降低生產熱水中所需的能量。這是一種簡單有效的方法，可降低熱水淋浴所需能量的30%～50%。韓國太陽能研究中心于2004年開展的一酒店污水源熱泵項目，其年平均COP約為4.8。除冬季周末外，熱泵可承擔100%的熱水負荷。芬蘭圖爾庫地區2020年可再生能源利用水平超過50%，當地的Kakole污水處理廠于2009年初開始回收廢熱，為圖爾庫的公共建筑和家庭提供區域供暖和制冷所需能源。韓國鎮川試驗場2018—2020年期間能源供應（供暖和制冷）的運行數據顯示，在制冷季節污水源熱泵的COP為2.9。塞爾維亞擬在區域供熱系統中引入污水源熱泵，每年可節約5%的一次能源，減少6.5%的二氧化碳排放。

2.國內城市污水廢熱回收項目

我國污水源熱泵技術在20世紀末才逐漸得到應用，技術發展與推廣過程較快。最初的工作是尹軍帶領的團隊對日本以及我國污水廢熱狀況的理論分析。2000年，北京市排水集團在高碑店污水處理廠開發的污水源熱泵實驗工程，是我國應用較早且較為典型的項目，空調建筑面積達900m2。2001年，大慶富爾達環保節能科技有限責任公司安裝了一套以城市原生污水作為熱（冷）源的熱泵機組，作為700m2建筑的空調系統。這是我國最早的城市原生污水熱泵系統，其采用了浸泡式污水換熱器，即將蒸發器（冷凝器）直接浸泡在污水池中。2002年，哈爾濱第二水泵廠有限公司、宣化橋馬家溝西側歐式別墅又投建了污水源熱泵實驗工程。2003年建設投運的有哈爾濱望江賓館、大慶恒茂服飾家具商場。同年，秦皇島第四污水處理廠采用二級出水作為污水源熱泵的熱源/熱匯為廠內3038.78m2的辦公環境供熱/制冷。該污水源熱泵機組二級出水直接進入冷凝器，屬于直接式系統。2005年北京市寶盛里小區也應用了污水源熱泵空調系統，該居民小區面積為80000m2，是北京市第一個使用污水熱泵系統采暖制冷的小區。同年，北京的北小河、高碑店、盧溝橋、酒仙橋4座污水處理廠均使用污水熱泵為廠內供冷，共節約電能25%以上。在2008年，390000m2的北京奧運村同樣應用了污水源空調。2010年北京城區污水廠日產污水250萬t，基本可供3億m2的建筑采暖以及制冷。雖然我國污水源熱泵技術起步較晚，但發展與推廣過程迅速，目前已成為高效回收城市及工業廢熱的有效技術手段。2010年沈陽市沈水灣污水處理廠的污水源熱泵改造工程竣工，系統可為廠區內綜合樓、活動室、污泥脫水間、鼓風機房汽車庫等十多個單體供熱（冷）。冬季取暖時利用1萬t污水為建筑供熱4個月，可減少二氧化碳排放量5040t。2011年安陽市廣廈新苑小區建成，小區從安陽市東區污水處理廠的污水中取熱，利用污水源熱泵為居民提供冬季供暖、夏季供冷和生活熱水。2013年邯鄲市西污水熱泵能源站開工，項目利用西污水處理廠排放的二級污水作為空調系統的熱源與熱匯，結合熱泵與水蓄能技術，為周邊建筑供冷、供熱。相對于燃煤鍋爐房，該項目提高一次能源利用率63%，每年可節約標煤約1163.8t。青島市于2014年啟動實施了團島污水處理廠藍海新港城污水源熱泵工程，利用藍海新港城鄰近團島污水處理廠的地理優勢，建設了污水源熱泵系統，作為住宅區居民冬季供熱系統和夏季制冷系統使用。2018年，在哈爾濱市拆并燃煤小鍋爐的過程中，包括新發小區在內的周邊五個小區冬季供暖開始采用污水源熱泵，實現供熱6600戶，是目前國內最大的污水源熱泵單體供熱項目。2020年河北省清河縣怡海花園利用污水源熱泵技術從碧藍污水處理廠收集中水，為21.3萬m2的住宅建筑供熱。

1.1.3 污水換熱的污垢問題

城市污水常用來作為熱泵的熱源進行供熱，在污水廢熱回收過程中，由于污水水質惡劣，污水換熱器以及整個廢熱回收系統均面臨更高的要求。污水換熱器的結構、材質、除污裝置、防堵防腐防垢技術，以及污水源熱泵系統形式等都將決定污水廢熱回收的可行性與可靠性，這也是在推廣和使用污水廢熱回收技術前需要解決的重點和難點。

換熱器表面結垢現象是其使用過程中面臨的普遍問題，是阻礙技術發展的關鍵因素之一。據不完全統計，工業中總燃料能源的1%～5%用于克服污垢造成的影響。污垢問題增加的二氧化碳排放量達到人類排放二氧化碳總量的2.5%，即污垢對環境的影響已經達到了污垢造成的額外成本對國民生產總值影響的10倍。由污垢問題造成的影響（包括降低換熱器的效率、帶來的相關運營問題），可能導致市場增長趨勢會在某預計的時期內受阻。