污水源热泵技术在城市住宅供暖中的应用研究

于 浩，刘 静，肖天鹏

（1.中钢集团工程设计研究院有限责任公司，河北石家庄 050021；2. 中国地质大学（北京），北京 100083；3.派力工程有限公司，北京 100093）

污水源热泵技术在城市住宅供暖中的应用研究

于 浩1，刘 静2，肖天鹏3

（1.中钢集团工程设计研究院有限责任公司，河北石家庄 050021；2. 中国地质大学（北京），北京 100083；3.派力工程有限公司，北京 100093）

随着城市的发展和能源需求的增长，污水的热能回收利用越来越受到关注，开发污水源热泵技术对建筑节能降耗具有重要意义。本文就污水源热泵系统的工作原理、特点等方面进行了介绍，阐述了国内外污水源热泵技术的开发利用历程与工程现状，分析了城市污水热能资源潜力以及污水源热泵技术的发展前景，指出利用污水与环境的温差获取热能具有十分巨大的能量资源前景，适宜的热源距离是污水源热泵开发利用的先决条件，开发污水源热泵系统，可以充分利用城市污水处理厂的二级出水或城市污水作为水源，通过合理利用出水的流量和温差为城市住宅供暖。基于我国能源与环境的现状，污水源热泵系统具有良好的市场前景，是一种值得推广的能源开发利用方式。

污水源热泵；城市污水；系统能效比；住宅供暖；建筑节能

0 前言

城市污水是一种优良的引人注目的低温余热源，污水源热泵是一种水源热泵。众所周知，水源热泵的优点是水的热容量大、设备传热性能好（换热设备较紧凑）、水温较稳定（热泵运行工况较稳定）[1]。水源热泵与常规空调不同之处在于它是利用地球水体（地下水及江、湖、海水）所储藏的太阳能低温资源作为冷、热源，进行转换的空调技术，而常规空调获取冷、热源方式．则是冷凝器端通过冷却塔降温循环进行制冷；蒸发器端通过辅助加温循环进行采暖。由于水源热泵比常规空调减少了上述冷、热源辅助能耗．所以它相对更加节能[2]。

1 污水源热泵系统工作原理

污水源热泵以城市污水作为热（冷）源，进行制冷、供热。污水水源可以是未经处理的城市污水，也可以是城市污水处理厂处理后的二级出水或中水。冬季，它将存在于污水中的低焓热能排放出来，为城市居民供热；夏季则把室内的热量吸收进来，释放在污水中以达到制冷效果。在夏季制冷时冷凝器低温热源（冷却水）进水温度越低，系统能效比（COP）越大，热泵制冷效果就愈大：同样在冬季制热时蒸发器低温热源（冷冻水）进水温度越高．系统能效比（COP）也越大．热泵制热效果也就愈大。

2 国内外污水源热泵技术应用现状

随着污水源热泵在国内外的发展，污水源热泵技术逐渐趋于成熟。20世纪70年代前后，北欧一些发达国家研发使用城市污水作为热源的供热制冷技术。20世纪80年代初，瑞典、挪威等国家建造的以污水为低温热源的大型热泵站相继投入运行，其中瑞典早期的应用情况见表1[3]。

挪威的奥斯陆于1980年开始建设利用城市污水干管的污水作为低温热源的热泵站，第一台热泵机组已在1983年投入使用[4]。随着能源结构的不断变化，环境问题的日益突出，美国、德国等一些发达国家陆续开始投入科研力量致力于污水源热泵的研究，积累了丰富的经验。受到城市原生污水水质复杂性和特殊性的限制，污水源热泵的研究进展依然缓慢。1987年，东京市政府启动了城市污水热能回收项目，截止到2003年，该市建立的污水源热泵已有10多处。1990年，韩国开始对城市污水源热泵进行研究，Baek以某宾馆生活供水情况为实例，选择其公共浴池与桑拿中的污水作为热源。莫斯科于1999年，投入运行容量为9.5MW的污水源热泵[5]。

表1 瑞典早期大型热泵站汇总表

我国的热泵研究历史迄今已经有60年，但是，受到能源价格等多方面因素的限制，热泵特别是水源热泵，一直没有得以全方位的应用。近年来，污水源热泵的研究开始起步。个别地区出现了少量的直接式污水源热泵，热泵热源为污水处理厂一级出水或原生污水。北京市高碑店污水处理厂于2000年开发使用了我国首个直接式污水源热泵。我国第一个原生污水源热泵系统于2001年，由大庆开发区富尔达公司研发投入使用。2008年，北京奥运村换热站的污水源热泵的热源选择为清河污水处理厂的二级排水，它的水质接近二级水水质，直接进入机组换热器进行换热。河北秦皇岛污水处理厂、北小河污水处理厂项目等以污水厂二级出水为热源。哈尔滨望江宾馆、北京悦都等采用原生污水为热源[6～8]。

为规范城市污水的回用工程，国内外制订了一些针对污水回用的规范和要求，例如1992年美国国家环保局修订的《污水回用综合规范》；1989年世界卫生组织颁布的《污水回用农业的微生物含量标准》；我国于1989年10月正式颁布了《生活杂用水水质标准》；中国工程建设标准化协会于1995年颁布了《城市污水回用设计规范》；北京市1987年颁布了《北京市中水设施建设管理试行办法》[9]。2002年以来，国家陆续颁布了《城市污水再生利用分类标准》、《城市污水再生利用—污水再生利用工程设计规范》、《城市污水再生利用景观环境用水水质标准》、《城市杂用水水质标准》、《建筑中水设计规范》等技术标准。虽然污水热能资源的开发利用在近些年得到了快速发展，但与充分的社会需求和巨大资源储量相比，其开发利用还十分不成比例，且缺乏相关的技术标准规范的制约。

3 城市污水热能资源潜力分析

城市污水的处理量在某种程度上标志着城市污水热能的贮存量[10]。在城市生活中所消耗能源中有接近一半的能量通过各种途径被排放到城市污水中[11]。近年来随着国民生产的发展，污水的排放量巨大且主要集中在城市。城市污水的排放量逐年增加。截至2014年底，全国设市城市污水处理厂达1797座，污水处理能力为1.31亿m3/d，同比增加611万m3/d。全国城市污水处理厂累计处理污水382.7亿m3，同比上升5.9%，城市污水处理率达到90.2%[12]。由此看出，城市污水热能具有巨大的资源潜力。

城市污水热能的资源潜力主要取决于污水的温度。污水水温决定着污水源热泵项目设计可利用温差的范围及系统效率。经过处理后的城市污水的水温，常年在一定范围内变化，其波动范围远远小于空气，是良好的热泵热源和空调冷源。北方地区冬季污水水温平均高出周围环境温度20℃以上，夏季污水水温要平均低于环境温度十几摄氏度。北京地区以高碑店污水处理厂为例，其二级出水温度在冬季为13.5℃～16.5℃，夏季为22℃～25℃；黄河以及长江流域污水处理厂的二级出水温度为17℃～28℃[1]。

4 污水源热泵技术的发展前景

（1）利用污水与环境的温差获取热能具有十分巨大的能量资源前景

开发污水源热泵系统，可以充分利用城市污水处理厂的二级出水或城市污水作为水源，合理利用出水的流量和温差，进行制冷和供热，且不影响后续使用，具有良好的市场前景[13]。利用污水源热泵系统对建筑物供冷或供热，充分利用了城市污水中的废热，减少了对高位能源的消耗。不仅节约了能源，而且减少了环境污染和水资源的消耗；此外由于污水源热泵机组工作效率高，机房占地面积小，大大降低了运行费用和初投资费用[14]。污水源热泵项目运行过程中不会引起区域性的地下水或地表水污染。由于污水源热泵系统只是利用了污水中的热量，利用后水质没有发生变化，不会对原有水源造成污染。此外，污水源热泵系统不燃烧任何化石燃料，不排放任何污染，是一种清洁能源方式。

（2）适宜的热源距离是污水源热泵开发利用的先决条件

由于污水源热泵系统的运行模式是小温差、大流量，因此输送管线的输送能耗直接影响系统的节能潜力和经济性。热源与建筑物的距离越大，输送管网的投资越高，水泵的运行能耗也会相应增加；当两者距离较远时，投资与运行能耗过大，不适宜输送或建设污水源热泵系统。适宜的热源距离是有界限的，在实际应用中，污水热能利用的前提还需要有适宜应用的污水处理厂来提供充足的污水水源，需要考虑污水的输水管线以及利用温差，因此其应用通常在污水处理厂周边一定范围内，具有独占性。此外，由于污水源热泵项目应用的前提是需要有符合应用条件的污水处理厂来提供充足的置换水源，但由于污水温度一般在15℃～25℃之间，且会受到一定大气影响，使得可交换利用的温差相对较小，单独应用其作为冷、热水源对于负荷要求较大的建筑，污水处理厂所能提供的水量能否满足需求将是直接关系项目可行性的必要条件，因此存在一定的局限性。

（3）污水热能资源利用是实现城市污水资源化的有效途径

目前全球正面临着人口快速增长、资源严重短缺、环境急剧污染等一系列危及人类生存和发展的挑战[15]。据国际能源机构预测，按目前世界人口和经济的增长速度来推算，到2025年全球能源需求将增加近一倍。为了避免出现“能源危机”，世界各国都加强了对可再生能源的开发和利用。随着可持续发展观念的深入人心和公众环保意识的增强，世界和我国的能源消耗结构都在发生转变，从原有的以煤、石油取暖为主转变到以天然气及电等清洁能源消耗为主。随着我国经济的持续快速增长，以煤炭为主的能源消耗结构将给我国的环境带来越来越大的压力。从可持续发展的角度看，必须提高能源利用效率和寻找可再生能源。继2008年12月国土资源部发出《关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》后，2013年9月，国务院印发《大气污染防治行动计划》，提出要加快调整能源结构，积极有序发展水电，开发利用地热能、风能、太阳能等清洁能源。作为新能源和可再生能源的污水热能资源，在未来的城市发展建设中，其需求会日益增加。由于污水源热泵将城市污水处理的热量回收利用，是城市污水资源化的有效途径。而且，污水源热泵具有较高的系统能效比（COP），节能效果显著，不会给周围环境带来不利影响。基于我国能源与环境的现状，污水源热泵系统具有良好的市场前景，也是一种值得推广的能源开发利用方式。在污水热能的开发利用中，需要结合污水资源分布、市政条件和城市发展，统筹城市污水热能资源发展潜力，为城市污水热能资源开发利用提供支撑和保证。通过建设一批高端示范项目，推进污水热能与其它可再生能源以及蓄能调峰相结合的复合式热泵系统的应用，充分发挥奥运村再生水源热泵项目的示范作用和建设经验，进一步提高系统的节能性和经济性，促进城市污水热能的发展。

5 结语

城市污水是优良的低温热源，水温适宜，水量巨大。发展和运用城市污水源热泵将能有效解决住宅供暖需求，实现供暖系统的节能与环保。“十二五”规划中明确提出要加快新能源和可再生能源的开发利用，在新常态下的城市住宅供暖方式将不再拘泥于单一形式，结合合同能源管理与互联网+等新型模式，将更有效地发挥污水热能的资源优势。我国污水热能资源丰富，污水热能综合开发利用技术相对成熟，经济环境效益显著。在城市中应用污水源热泵是改变传统城市中以煤为主的能源消费结构现状的有效途径，为可再生能源的发展及应用拓展了新的空间。大力推动污水热能资源的综合开发利用，对改善我国能源结构，完成节能减排指标，实现社会经济的可持续发展，具有重要意义。

[1]马最良，姚 杨，赵丽莹. 污水源热泵系统的应用前景[J]. 中国给水排水，2003，19(7): 41～43.

[2]赵钦铭. 住宅供水、供热与空调系统的超前变革和水源热泵的应用[J]. 能源与环境. 2009，4: 89～91.

[3]马最良，刘永红．热泵站的现状及在我国应用的前景[J]．暖通空调，1994，24(5)：6～10．

[4]徐邦裕，陆亚俊，马最良．热泵[M]．北京：中国建筑工业出版社，1988．

[5]张 磊．污水源热泵供热系统节能分析[D]．天津：天津大学，2009．

[6]庄兆意．直接式原生污水源热泵系统的防堵技术及换热特性研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012．

[7]尹 璐．污水源热泵系统中淋激板式换热器的性能研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008．

[8]崔福义，李晓明，周 红．污水资源及其在热泵供热中的应用[J]．低温建筑技术，2005，(1)：96～97．

[9]廖日红. 北京市再生水综合利用策略研究[J].水利发展研究，2004(1): 32～34.

[10] Gabler H., Bopp G., Haugwitz F., et a1．PV village power supply systems in China —results from a technical monitoring campaign [A]．Proceedings of the 21st European photovoltaic solar energy conference[C]．Dresden， Germany：WIP -Renewable Energies，2006: 3052～3056．

[11] Wollny M.，Mark P．Flexible Concept for Off—Grid Electricity Supply — Current Trend for Village Solar Power in Provinces of China [A]．Proceedings of the 3rd Europe an PV-hybrid and mini-grid conference[C]．Aix en Provence，France：OTH，2006: 912～914．

[12]中华人民共和国环境保护部，2014年中国环境状况公报．

[13]清华大学，天津市政工程局. 中国城市污水热能资源开发示范项目研究[R]. 2005年.

[14]曲云霞，李 梅，杨 勇，等. 污水源热泵系统污水水质与换热器材质的选择[J]. 可再生能源，2007，24(4): 72～76.

[15]宋明启，王志国，陈改梅．城市供热管道爆炸的根源分析及预防措施[J]．科技信息，2014，(13): 6～7．

Application Research on Sewage Source Heat Pump Technology in Urban Residential Heating

YU Hao1，LIU JING2，XIAO Tianpeng3
（1. Sinosteel Engineering Design & Research Institute Co., LTD, Shijiazhuang 050021; 2. China University of Geosciences (Bejing）, Beijing 100083; 3. Piling Engineering Co., LTD, Beijing 100093）

With the development of the city and the growth of energy demand, the heat recovery and utilization of waste water is getting more and more attention. The development of sewage source heat pump technology is important for building energy saving. This paper introduces the working principle and characteristics of sewage source heat pump system, describes the development and utilization process of sewage source heat pump technology and engineering situation in domestic and foreign countries, analyses the potential of urban sewage and the development prospect of sewage source heat pump technology, and points out that it has a great prospect of the energy resources through utilizing the temperature difference between the sewage water and the environment, the optimum heat source distance is the precondition of the development and utilization of sewage source heat pump, the development of sewage source heat pump system can fully utilize the secondary effluent water or sewage from city sewage treatment plant as water source, through the rational use of water flow and temperature difference for urban residential heating. Based on the current situation of China's energy and environment, sewage source heat pump system has a good market prospect, is a kind of energy development and utilization method which worth promoting.

Sewage source heat pump; Urban sewage; COP; Residential heating: Building energy-saving

TU833

A

1007-1903（2015）04-0021-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2015.04.005

于浩（1975- ），男，本科，建筑学专业，主要研究方向为建筑节能与建筑设计。E-mail: mintyuan@126.com