严寒地区城市污水厂出水热能利用实例分析

徐 辉，边德军，李剑锋，艾胜书

(1.长春工程学院能源动力工程学院，长春130012； 2.长春工程学院水利与环境工程学院，长春 130012;3.吉林省城市污水处理重点实验室，长春130012； 4.吉林省吉坤暖通工程有限公司，长春 130028)

严寒地区城市污水厂出水热能利用实例分析

徐 辉1，3，边德军2，3，李剑锋4，艾胜书2，3

(1.长春工程学院能源动力工程学院，长春130012； 2.长春工程学院水利与环境工程学院，长春 130012;3.吉林省城市污水处理重点实验室，长春130012； 4.吉林省吉坤暖通工程有限公司，长春 130028)

介绍了吉林省某市利用城市污水厂AICS池的出水作为污水热泵机组水源进行供热和制冷的项目实例，分析了该污水源热泵系统的概况、应用情况和节能减排效益。分析可知，该污水源热泵系统能够为建筑提供足够的热能，并且其节能环保效果与传统锅炉供热及空调机组相比，全年减少燃煤消耗约281 t，减少CO2、SO2、氮化物和粉尘等污染物排放约923.23 t。结果表明，在严寒地区利用城市污水厂出水的热能进行供热和制冷，运行效果理想。

城市污水；污水源热泵；节能环保；技术经济性分析

0 前言

随着经济的快速发展，我国的环境问题日益突出。尤其是近年来雾霾现象越来越严重，对人们的生活生产造成很大影响。当前，我国大量的散烧煤是造成严重雾霾的主要因素之一。我国每年消耗标煤近8亿t。2016年中央财经领导小组第14次会议决议，推动北方地区冬季清洁供暖，解决好人民群众普遍关心的冬季供暖及空气雾霾问题。对于供热行业，与传统的直接燃煤供热相比较，热电厂余热、电直供、电间供(热泵)、生物质燃料等，都属于“清洁能源”[1]。发展清洁能源，减少环境污染，是目前我国的一项重要工作。

城市污水是一种城市余热型清洁能源[2]。大部分城市污水经过污水厂处理，达到国家排放标准后直接排放。而在冬季，即使是严寒地区的污水，水温一般也在5～9 ℃之间。以城市污水作为热泵冷热源，将污水中的热能提出，为建筑物供热、供冷具有重要的现实意义[3-4]。

1 工程概况

该工程地处吉林省某市城区南部的污水处理厂院内，项目服务范围为污水处理厂和5 km以外净水厂的办公楼，办公楼总建筑面积约1万m2。该工程热泵机组水源取自污水厂AICS(Alternated Internal Cyclic System)池的出水作为换热水源，为办公楼进行冬季供热和夏季供冷。

项目采用2台WPS095.1B型常温型螺杆式热泵机组，每台机组匹配1台JTHR-L-100-0.3/0.2-A型污水换热器及中介水循环泵等，污水热泵系统主要设备型号和参数见表1～2，配套设备之间相互备用。

2 污水源热泵的应用

2.1 污水水源概况

该项目污水处理厂污水来源的80%以上为生活污水。污水水温根据安装在污水泵入口的温度传感器实测可知，冬季污水水温为5～9 ℃，夏季水温为12～17 ℃，温度相对稳定。污水热泵机组冬季额定进水温度为7 ℃左右，夏季额定进水温度为15 ℃左右，污水厂污水水温在机组的使用范围内。热泵换热水源取自污水厂AICS池的出水，出水的水质符合GB 8978—1996《城镇污水处理厂综合排放标准》。为避免对原有污水处理系统产生影响，将AICS池出水引至本工程所建的缓冲池，经水泵加压进入换热器，换热后排至污水厂消毒池，消毒后外排。缓冲池由水解池取水缓冲池和生化池取水缓冲池合建，平面尺寸为10 m×8 m，深度3.5 m，循环水量约为240 m3/h。该工程配置的2台WPS095.1B污水源热泵机组的最大污水循环量为240 m3/h。

表1 污水源热泵机组的参数

表2 污水源热泵系统主要设备型号及参数

本项目不考虑使用原生污水作为水源，是因为冬季从原生污水中取热，使原生污水温度下降，影响后期的污水生化处理效果；再者原生污水具有腐蚀性和结垢性，污水进入换热器后易在换热管路发生故障，污水中大尺寸的颗粒物也易堵塞取水管线和污水泵[5]。综合考虑后，采用处理后的AICS池的出水作为水源。

2.2 系统形式

根据设备连接方式的不同，污水源热泵系统的形式通常有2种，即直接式和间接式。

直接式污水源热泵系统是城市污水过滤后直接进入污水源热泵，污水与制冷剂之间通过蒸发器和冷凝器的壁面进行换热。优点是系统形式简单，使用设备少，热损失和运行费用少于间接式系统。缺点是因为污水直接进入污水热泵，污水热泵的部件均需采用耐腐蚀、少污垢的特殊材料，即使水源采用的是符合国家排放标准的出水，水质也会对设备有影响，这样会使初投资大大增加，而且所用特殊材质的换热设备在技术上还不够成熟。

间接式污水源热泵系统增加了中介媒质和换热器。优点是污水不直接进入热泵系统，而是通过和中介媒质换热后，中介媒质进入热泵，这样保证热泵的正常运行。缺点是设备增加后热阻也会增加，温度下降大约2 ℃，损失约3.8 MW的低品位热能[3]，同时还会增加水泵的耗功。同时由于整个系统设备多，增加机房占地面积。

由以上分析可知，虽然直接式污水源热泵系统比间接式系统的能效比要高，但综合考虑初投资、造价和运行维护等方面，间接式污水源热泵系统更具有优势。所以本项目采用间接式污水源热泵系统，系统流程如图1。为了使换热器能够防堵、防垢、防腐和高效换热，本项目采用流道式换热器。特点是增大流道面积，使污水中的悬浮物顺畅通过，换热表面易拆卸清洗，换热效率高。

图1 污水源热泵系统流程图

2.3 冷、热负荷

该污水热泵系统主要负责污水厂办公楼和1 000 m以外的净水厂办公楼的供热和制冷，总面积约为1万m2，冬季采暖热负荷为600 kW，夏季冷负荷为640 kW。

根据文献[6]经验公式，计算污水中贮存的冷(热)量A，可利用的冷量D以及可利用的热量G。

2.3.1 污水中贮存的冷(热)量

A=B×Δt×C，

(1)

A=1.8×10 000×1 000×3×4.187=2.26×108kJ/d。

式中：B为污水流量，kg/d；Δt为污水进、出口温差，制冷、制热均取3 ℃；C为水的比热，4.187 kJ/(kg·k)。

2.3.2 污水中可利用的冷量D

(2)

式中EER为制冷系数，根据该工程测试结果取4.65。

2.3.3 污水中可利用的热量G

(3)

式中COP为制热系数，根据该工程测试结果取4.15。

2.3.4 负荷分析

夏季工况：

(4)

冬季工况：

(5)

(6)

(7)

式中PX，Pd分别为污水厂以最低流量计算可利用的最大冷、热负荷，kW。

由此可看出，该工程夏季能源利用率为29.7%，冬季能源利用率仅为17.4%，污水中蕴含的冷热量完全能够满足工程夏季、冬季热泵系统的设计负荷要求。

3 技术经济性分析

3.1 运行能耗分析

冬季为供热工况，将污水源热泵系统与传统的供热锅炉相比较，污水源热泵机组每天的节煤量为：

(8)

式中：M1为污水源热泵机组每日节煤量，kg;Mb为为锅炉供暖平均每天耗煤量，kg；MH为污水源热泵机组供暖每天耗能折合的平均耗煤量，kg；QR为热泵机组平均每天向用户提供的供热量，取QR=600×24×3 600=5.2×107kJ；qe为标煤的热值，取29.31×103kJ/kg；ηb为燃煤锅炉效率(包含储煤损失、输运损失等)，取60%[7]；ηe为电力输入效率，取30%[7]。

根据公式(8)计算得知，与传统燃煤锅炉相比，该污水源热泵系统冬季每天节约标煤1 500 kg。

夏季是制冷工况，将污水源热泵系统与传统的风冷空调机组比较，污水源热泵每天的节电量为：

(9)

式中：ΔD为污水源热泵夏季平均每天的节电量，kWh;Da为风冷冷水机组夏季平均每天耗电量，kWh；DH为污水源热泵系统夏季平均每天供冷耗电量，kWh；QL为热泵机组平均每天向用户提供的供冷量，取QR=640×24×3 600=5.5×107kJ；εa为空调机组的制冷系数，本文取εa=4[6]。

根据公式(9)计算得知，与风冷冷水机组相比，该污水源热泵系统夏季每天节约电量544 kWh。为了比较方便，把节电量转换为节煤量，污水源热泵系统平均每天节煤量为：

(10)

式中：M2为利用污水源热泵系统夏季平均每天节煤量，kg；ηf为一次能源发电效率，取35%[7]。

根据公式(10)计算得知，污水源热泵系统夏季每天节煤量191 kg。与冬季使用传统的供热锅炉的方式和夏季使用风冷空调机组制冷方式相比，采用污水源热泵系统每年还可节省标煤约281 t。

3.2 环保效果分析

污水源热泵系统不仅节省能源，而且也带来巨大的环保效益[8]。据统计，每节约1 kg标煤，减排2.493 kg CO2、0.68 kg粉尘、0.075 kg SO2和氮氧化物0.037 5 kg[9]。由此估算，此工程每年减少向大气排放CO2700.533 t、SO221.075 t、氮氧化物10.538 t、粉尘191.08 t。而且夏季空调制冷室外不用安装冷却塔，不仅减少造价，每年可以节约大量的冷水资源[10]。由此可见，污水源热泵系统节能环保效果十分明显。

4 项目运行情况

本项目于2012年建成投入使用。冬季全天24 h供热，供热天数180 d左右，室内平均温度达到24 ℃左右；夏季平均9 h制冷，制冷天数60 d左右，室内平均温度20 ℃左右，供热和制冷温度均能达到要求。5年来机组运行情况良好，除每年定期维护保养外，没有出现任何故障。

5 结语

1)本项目建设在污水厂内，污水水量充足稳定，水温变化小，取水方便。

2)该工程采用的污水源热泵系统在采暖期(180 d)比传统燃煤锅炉节约标煤258 t，在制冷期(60 d)比风冷冷水机组节约电量65 280 kWh，相当于节约标煤23 t，即全年可以节约标煤281 t，有很好的节能效果。

3)与传统的供热和制冷方法相比，该污水源热泵系统全年减少CO2排放852.84 t、SO2排放9.3 t、氮化物排放1.24 t、粉尘排放13.43 t，具有显著的环保效果。

4)严寒地区使用城市污水厂处理后污水作为水源的热泵机组，冬季供热和夏季供冷的运行效果比较理想，可以满足建筑供热、供冷的需求。

[1] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.关于推进电能替代的指导意见[R/OL].[2017-09-10].http:www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201605/t20160524_804425.html.

[2] 钱剑峰，张力隽，张吉礼，等.直接式与间接式污水源热泵系统供热性能分析[J].湖南大学学报：自然科学版，2009，36(12)：94-98.

[3] 杨灵艳，朱清宇，路宾.污水源热泵中心能源站设计实例分析[J].建筑科学，2012，28(2)：104-108.

[4] 吴荣华，孙德兴，张成虎.城市污水源热泵的应用于研究现状[J].哈尔滨工业大学学报，2006，38(8)：1326-1329.

[5] 曲云霞，杨勇，楚广明.污水源热泵系统污水水质与污水换热器材质的选择[J].山东暖通空调，2007，(2)：453-458.

[6] 尹军，陈雷，白莉.城市污水再生及热能利用技术[M].北京：化学工业出版社，2010.

[7] 钱剑峰，孙德兴，季阿敏，等.直接式污水源热泵系统节能与环保性能分析[C]//中国制冷学会2009年学术年会论文集.天津：中国制冷学会，2009.

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[9] 周志平，李念平.某大型公共建筑污水源热泵应用分析[J].建筑技术，2013，44(4)：362-364.

[10] 申传涛，彭冬根，胡松，等.南昌市污水源热泵系统工程实例与应用可行性分析[J].可再生能源，2014，32(10)：1510-1514.

ThePracticalAnalysistotheUtilityofSewageThermalPowerinUrbanSewagePlantinSevereColdAreas

XU Hui，et al.

(SchoolofEnergy&PowerEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

This paper introduces a heat pump heating and cooling application engineering project of an urban sewage treatment plant in Jilin Province China by using the sewage from Alternated Internal Cyclic System (AICS) pool，and also analyzes the general situation and the application of this sewage-source heat pump system，as well as its benefit of energy-saving and emissions reduction.The analysis results show that this sewage-source heat pump system can not only satisfy the heating requirements of the building，but also save about 281 t coal consumption，and reduce about 923.23 t of the pollution emission of CO2，SO2，Nitrogen and dust one year comparing with the traditional coal-fired boilers and air conditioning units on energy-saving effect.So a conclusion can be made that the heat supply and refrigeration by using the water from urban sewage plant after treatment in the cold North region can get the desired effect.

urban sewage；sewage source heat pump；energy conservation and environmental protection；technical and economic analysis

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.03.016

2017-09-18

国家科技重大专项(2014ZX07201—011)吉林省科技发展计划项目(20170101082JC)吉林省教育厅“十二五”社会科学研究项目(2014362)吉林省教育厅“十二五”社会科学研究项目(2014360)长春工程学院青年基金项目(320130034)

徐辉(1976-)，女(汉)，吉林松原，博士 主要研究可再生能源综合利用技术。

TU822

A

1009-8984(2017)03-0068-04