珠海前山河流域污水热能回收潜力分析

汤家源TANG Jia-yuan；饶国燃RAO Guo-ran

（①中国水利水电第七工程局有限公司，成都610081；②北京理工大学珠海学院，珠海519088）

0 引言

近些年来，随着国家对节能减排支持力度的加大，各种节能技术发展迅速，热泵技术作为低品位热能利用中一种重要技术应用越来越广泛。城市污水通常流量大而且稳定，温度波动小，从能源利用上可作为污水源泵的理想热源。利用污水源热泵技术，能有效利用蕴藏在污水中的热能，可作为生活或生产提供冷热源，具有明显的节能、经济和环保效益。

1 概述

污水源热泵起源于上世纪70 年代末，在80 年代开始有了工程应用，经过三十几年的发展，污水源热泵在日本和欧美已有了比较成熟的发展，欧美污水源热泵主要以大型化应用为主，已发展出一套成熟的污水源热泵系统应用体系，日本污水源热泵主要是取水和换热方面研究较多，也发展了一套成熟的污水源热泵理论体系。

国内污水源热泵起步较慢，但经过多年发展，目前各大城市也有了很多应用案例，除了实际污水源热泵工程应用外，污水源热泵技术主要是针对理论体系和应用体系的研究，很多技术和理论还需要进一步的深化和发展[1]，本文对珠海前山河流域污水热能进行研究，主要针对珠海前山河流域情况进行污水源泵节能、经济和环保效益的评估。

2 温度特性研究

2.1 污水水温监测

为获得前山河流域污水的温度特性，对前山河流域某污水排放干渠进行全年污水温度监测，监测结果如图1 所示。

由监测结果可知，全年监测水温最高为29.5℃，最低水温为9.5℃，全年最高温差为20℃。最低温出现在1 月份，最高温度出现在7 月份，温度波动较大的月份为1 月和2 月。全年水温波动较小，总体水温较高，适合污水源热泵进行制冷或制热运行。

2.2 不同埋深水温计算

城市污水很常用地下地埋管进行排放，污水管埋深大型干渠埋深较深，小型污水渠填埋较浅。埋深不同的污水管中污水的温度是有所不同的，原因是地下污水温度受到地下不同深度的土壤温度的影响，通过不同埋深的土壤温度可以研究对应地下污水的水温特性。

污水管道不同埋深处土壤的温度计算式为[2]：

式中：t——污水管网埋深处的土壤温度，°C；

tm——地表面平均温度，°C；

Aw——地表波动周期内温度波动振幅，°C；

x——污水管埋深，m；

a——土壤导热系数，0.617×104m2/s；

T——计算温度波动周期，d；

τ——计算时间点，d。

计算得到前山河流域地区不同深度土壤的逐月平均温度，如图2 所示。

地下污水温度波动比地表小，随着埋深的增加，温度更趋于稳定，埋深10m 以后污水温度全年波动很小，基本维持稳定在同一温度水平。在夏天地下污水温度低于环境空气温度，有利于污水源热泵的制冷运行，在冬天地下污水温度高于环境空气温度有利于污水源热泵制热运行。

图1 全年污水温度监测结果

图2 前山河流域地区不同深度土壤的逐月平均温度

3 污水热能节能效益分析

利用城市污水进行污水源热泵可以提取冷量或热量进行利用，提取的热能潜力跟污水量，污水源热泵进出水口温差和污水源热泵制冷制热效率有关。根据预测珠海市2020 年全市污水量144.00 万m3/d，2030 年全市污水量209.80 万m3/d。根据实际污水源热泵系统项目的实际运行数据，污水源制冷时污水进出口温差设定为5°C，热泵制冷系数取4.6，污水源热泵制热时污水进出口温差设定为3.3°C[3]。计算公式如式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）所示，污水节能效益分析结果如表1 所示。

3.1 污水源热泵污水中所能提取的冷量

式中：Q——污水源热泵污水中所能提取的冷量，kJ/d；

B——城市污水量，kg/d；

Δt1——污水源热泵制冷时污水进出水温差，°C；

C——水的比热容，kJ/（kg°C）。

3.2 污水源热泵污水中所能提取的热量

式中：Q——污水源热泵污水中所能提取的热量，kJ/d；

B——城市污水量，kg/d；

Δt2——污水源热泵制热时污水进出水温差，°C；

C——水的比热容，kJ/（kg°C）。

3.3 热泵制冷时能提供的冷量Q1

式中：Q1——热泵制冷时能提供的冷量，kJ/d；

η1——热泵制冷系数。

3.4 热泵制热时能提供的热量Q2

式中：Q2——热泵系统供热量，kJ/d；

η2——热泵制热系数。

3.5 城市污水的污水源热泵理论可利用热量密度

式中ρ——城市污水的污水源热泵理论可利用热量密度，MJ/（d-km2）；

S——城市污水所对应地区面积，km2。

在城市污水中使用污水源热泵能提取巨大的冷量和热量，在2020 年城市污水中使用污水源热泵系统所能提供的冷量潜力为23.64×109kJ/d，所能提供的热量潜力为24.84×109kJ/d，在2030 年城市污水中使用污水源热泵系统所能提供的冷量潜力为36.05×109kJ/d，所能提供的热量潜力为34.31×109kJ/d。

表2 污水源热泵经济效益分析表

表1 污水节能效益分析表

4 经济效益分析

目前能为城市提供热量的能源主要是电、煤、液化天然气、管道天然气、煤气、液化石油气、生物质颗粒、重油和柴油，污水源热泵提供热量主要消耗的是电能，以下分别以污水源热泵使用常规电和低谷为基准对各种供热能源的经济性进行分析，分析结果如表2 所示。

由分析结果可得，在城市供热中选择污水源热泵作为热源，以常规电价作为标准，经济性较以煤作为能源差，但比空气源热泵、液化天然气、管道天然气、煤气、液化石油气、生物质颗粒、重油和柴油经济性都好，其中经济性比空气源热泵好18.14%，比其他能源供热经济性好37%至77%之间。如果以低谷电价作为标准，在城市供热中选择污水源热泵作为热源经济性其他所有能源供热都好，比其他能源供热经济性好18%至91%之间。

5 环保效益分析

以折算标准煤作为计算基准可以计算CO2、SOX、和NOX的排放削减量，可以估算考评价城市污水热能回收利用系统的环保潜力，计算结果如表3 所示。

表3 污水源热泵环保效益潜力分析表

由分析结果可知，根据全市污水排放量预测可得到，在2020 年城市污水中所能提供的热量折算标准煤为806.7t/d，环保潜力为能减排二氧化碳2113.5kg/d，减排二氧化硫6856.9kg/d，减排氮氧化物5969.5kg/d，在2030 年城市污水中所能提供的热量折算标准煤为1170.8t/d，环保潜力为能减排二氧化碳3067.6kg/d， 减排二氧化硫9952kg/d，减排氮氧化物8664.1kg/d，污水源热泵环保效益潜力较为可观。

6 结论

珠海前山河流域污水温度适宜，污水排量较大，热能回收潜力巨大，能为污水采用污水源热泵进行热能回收利用提供了条件。

①对珠海前山河流域某污水排放点进行污水温度监测，全年水温最高为29.5℃，最低水温为9.5℃，全年水温较为稳定，总体水温较高，适宜作为污水源热泵的冷热源，能为污水源热泵的应用提供有得的环境条件。

②以城市污水作为冷热源的污水源热泵能在污水中提取数量巨大的冷量和热量，污水热能回收潜力巨大，污水源热泵技术具有很大的节能潜力，能有效利用城市污水废热。

③在城市供热中选择污水源热泵作为热源，经济性较其他能源供热经济性好，能减少煤、石油、天然气等高品位能源的消耗。

④在城市污水中运用污水源热热泵能减少其他能源燃料燃烧产生的CO2、NOX、SOX等的排放，减少空气污染；具有很大的减排潜力。

⑤对珠海前山河流域的污水源热泵热能回收潜力分析具有一定的普遍性和代表性，能为节能减排工程中污水源热泵的应用提供一定的参考意义。