城镇污水的节能利用

2009年第5期(总第37卷第219期).■新能源与环境建筑节能No.s in 2009 (Total No.219, Vol.37)NEW ENERCY & ENVIRONMENTdoi:10.3969ij.ssn.1673-7237.2009.05.023城镇污水的节能利用王永峰(东莞市城建规划设计院,广东东莞523129)摘要:从水质、水温、水量等几个方 面介绍了城镇污水的特点,简要分析了热泵的工作原理与分类、优点及其发展。阐述了以城镇污水为热源的热泵系统的可再生性、高效节能、含热量大及用途广泛等特点。分析了适宜推广应用污水源热泵技术的多种场合。通过对以污水处理厂二级处理水为热源的区域供热供冷系统的探讨,对污水源热泵系统进行了简要介绍。关键词:堿镇污水; 热泵; 污水源热栗; 区城供热供冷 系统中图分类号: TU831文献标志码: A文章编号: 1673-7237(200)05-0068-03Energy-saving Uillization of Urban WastewaterWANG Yongfeng(DG Urban Construction and Planning Design Institute, Dongguan 523129, Guangdong, China)merit and development of heat pump were iluminated. Trais of heat pump system with wrban wwtewuter were presented such as repro-ducible, energy eficiency, pleniful heat energy and wide use. A rariety of occasions xehere the application of roter -source heat pumptechnology ean be ppropriate to promote were analyzed. Through analyzing the district heating and cooling system,which takes secondarytreatment water of wosetoater treatment plant as heat source, the wastewater source heat pump system was introduced.Key words: urban wastewater, heat pump; wastewater source heat pump; dstrit heatingcoling system0引言.3 水量随着“减排”工作的推进，全国各地都在大力兴建随着我国城镇化发展,城镇人口不断增加，城镇城镇污水处理设施，水污染问题正逐步得以改善;近污水量越来越大。人均综合用水量以600 L(人d)考年来,“节能”意识深入各领域,作为节能设备的热泵虑,收集污水量按80%计算,一座人口10 万的小城市也逐渐得到广泛应用。而城镇污水蕴含较高的热能，污水量为4.8万m/d,而人口100万的城市污水量达以其作为热泵的热源，应用污水源热泵技术将使大量48万m/d。按照国家有关规划,2010年全国要实现污的污水热能为人们所用。水处理率达50%以上，处理污水同用率达60%以上。1城镇污水特 点以广东省东莞市为例，近期新建的污水处理工程361.1 水质项，总处理规模达221.5万td,覆盖全市各镇区,2010城镇污水主要包括综合生活污水、工业废水、入渗年前将逐步建成并投入使用。地下水及部分雨水，含有一定量的有机物、悬浮物及其2热泵技术简析他杂质,具有- -定 的腐蚀性。城镇污水可分为未处理水2.1逆卡诺循环和处理水,未经处理的污水又称原生污水:处理污水一热泵是以逆卡诺循环理论为基础开发的设备。逆般为经二级处理或深度处理的污水。二级处理指污水卡诺循环:当低温热源的温度(TL)、用户所需热能(高经-级处理(格栅、沉砂等物理处理)后采用生物处理温热汇)的温度(TH)为定值时,工作在上述温度之间，方法(主要为活性污泥法和生物膜法)继续去除污水中完全可逆(没有任何损失,如传热损失、流动损失、摩擦的有机物和悬浮物的净化过程:深度处理是进一步去损失等)，热力学效率最高的热机循环为逆卡诺循环。除二级处理出水中污染物的净化过程，经深度处理水逆卡诺循环的工作由4个过程组成(见图1):1→2等可用作生活杂用水、景观用水、工业用水等多种用途。熵(绝热)压缩过程:2- +3等温放热过程:3-→+4等熵(绝1.2 水温热)膨胀过程;4→+1等温吸热过程。逆卡诺循环是一一个城镇污水的夏季温度低于室外环境温度,冬季温度理想循环,而在实际循环中,不仅压缩和膨胀过程不可高于室外环境温度,污水的水温波动幅度较室外气温小能是绝热的，也无法实现没有温差的等温传热过程。得多。我国城镇污水的夏季水温基本为22~26 C,2.2中国煤化工冬季水温基本为10~ -20 C,其水温与室外气温的温CHCNMHG类比:水泵是消耗少差在10C以上。量的电能或燃料能，将水从低位处泉送到所需的高位收稿日期: 2009-03-25:修回日期: 2009-04-23处;热泵是消耗少量的电能或燃料能，将环境中蕴含68于热泵设备的节能环保性及可再生能源在建筑中应用工作的推进,空气源热泵、地源热泵、水源热泵技术近几年得到了较快发展,尤其是空气源热泵,已较广泛地应用于生活热水制备等场合。3污水源热泵的特点3.1 水源热泵介绍水源热泵可包括地热水、地下水地表水(海水1淡图1逆卡诺循环水/污水)水源热泵，通常又被纳入地源热泵范畴,它利的热能或生产过程中的低温废热变为满足用户要求用水体中吸收的太阳能和地热能形成的低温低位热能，的高温热能,即如同泵送“热能”的“泵”一样。按热泵利用热泵原理,通过少量的高位电能输入,实现低位热的工作原理,可分为蒸汽压缩式热泵(也称为机械压能向高位热能转移,或者说是实现热能置换的装置。缩式热泵)、吸收式热泵、化学热泵、蒸汽喷射式热泵、3.2 污水源热泵的特点热电热泵等。按制热温度可分为常温.中温、高温热3.2.1属可 再生能源利用技术泵,中温热泵的大致范围为40~100 C.按载热介质热泵技术主要利用环境中的各种热(冷)源物质中(水、空气、土壤等)的不同组合,可分为空气- -水 热蕴含的热(冷)能，通过热能的置换来满足人们生产.生泵、水-水热泵、土壤- -水热泵 等等。常用的蒸汽压缩活中的各种热能需求,仅需要消耗少量的高位能源(一式热泵工作示意见图2。般为电能),而污水源热泵技术是以污水作为热(冷)源的热泵技术，因此,属可冉生能源利用技术之一。L高温热i:」3.2.2专 用设备(与水质相应的特点)商温载热介匮热鬟工质城镇污水含有较多的有札物及各种悬浮物质，具有一定酸碱性 ,与清水源热泵相比，污水源热泵系统对换热设备、水泵及管道等有较高的耐腐蚀要求或须有相应-(耗功)的处理措施。二级处理水及深度处理水水质较好，以其臧压阀压编机.作为热源比原生污水为热源应用于热泵系统较为有利。热泵低温载热介质3.2.3高效节能(与水温相应的特点)城镇污水的全年水温一般在10~26 C，其温度「低溢热源}波动幅度不大，而室外气温的波动幅度较大,尤其在围2热泵工作示意(蒸汽压缩式)北方地区。就空气源热泵机组而言,冬季较低的气温2.3热泵的优点根据热力学第二定律,热能不会自发、不付代价令其能效比降低，同时可能出现结霜结冰的现象,从地从低温物体传递到高温物体,故热泵工作需要消耗而影响热泵机组的运行。而水的比热容比空气高,其少量的高品位能源,但热泵制取的有用热能，总是大热交换效率也高,因此以水为热源比以空气为热源的于所消耗的电能或燃料能:而用燃烧加热、电加热等热泵制热系数(COP)高,设计运行良好的污水源热泵装置加热时,所获得的热能一般小于所消耗的电能或的COP可达4.0以上。3.2.4来源稳定、 含热量大(与水量相应的特点)燃料燃烧能;这是热泵与普通加热装置的区别,也是城镇污水量一般与其人口成正比，污水量因城镇其制热最突出的优点。热泵最主要的性能指标是制热人口的稳定而相对稳定。城镇污水处理厂的处理规模系数,即获得的热能与消耗的能量之比,一般以COP以20万m/d计,若按平均时流量考虑,当污水利用表示，热泵的COP>1.热泵在向高温需热处供热的温差为10 C时，完全利用时制热(冷)功率达97 MW;同时,也在从低温热源吸热(制冷),因此,热泵兼有制当污水利用温差为7 C时,完全利用时制热(冷)功率热制冷的双重功能。达67.9 MW;而消耗的电能为制热(冷)功率的1/4。与2.4热泵的发展地下水作为热(冷)源比较,-般而言地下水的取得较同为逆卡诺循环理论的应用,制冷技术和设备于为不易且需回灌,而污水的来源更为稳定且量大。1870年代就得到了迅速发展;而“加热”由于有各种4污水源热泵的应用简单的方法可以实现，热泵的开发直到20世纪初才4.1污水源热泵展开。1927年霍尔丹(Haldane)在苏格兰安装和试验根据热泵工作原理,热泵实际可理解为热能置换的家用热泵,用热泵吸收环境中的热量来为室内采暖装置"备、采暖，也可作为和提供热水,这一-装 置被认为是现代蒸汽压缩式热泵制冷i中国煤化工的低温热源(此处指的真正原型。1940 年代已出现许多有代表性的热泵污水);YHCNMHG需求,即可考虑利设计，如1941年瑞士苏黎士利用河水、废水作为低温用污水源热泵用于制热制冷,可广泛地应用于民用及热源用于游泳池加热,制热量为1500kW。在我国，由工农业需热(冷)场合,即可一机多用、用途广泛。L69.2 原生污水以城镇污水处理厂二级水作为热(冷)源,由于污以原生污水作为热(冷)源可结合建筑物供热供冷水处理厂往往位于城镇边缘,利用污水热能进行区域的需求就近利用,如寄宿制中学、大学等学校的学生宿供热供冷牵涉面广、投资大、建设期长，而采用污水源舍,若人均综合废水量为160L(人●d),污水利用温差为热泵技术为污水处理厂内的办公及宿舍等建筑提供10C时，利用热泵技术提取的热量基本可满足其所需生活热水、采暖及空调，易于实施,不失为二级处理水生活热水量的制备;或者满足学生食堂的夏季制冷与冬热(冷)能最为直接便利的利用方式。季采暖(地板辐射)的冷热负荷(以150 W/m2计)需求。4.5二级处理水 区城利用4.3中水 .由于城镇污水处理厂的污水来源稳定、含热量大，目前不少缺水城市都制定了中水设施建设的有更适宜建设区域供热供冷系统，区域利用主要考虑其关规定,对于达到一定规模的建筑单体或建筑群要求技术经济性。区域供热供冷系统主要针对各地既有的建设中水设施。中水设施(中水处理站)通常设在建筑污水处理厂及近、远期建设的污水处理厂处理规模,与物内,以中水作为热(冷)源可结合建筑物的热负荷需既有的用热大户及城市化进程中不断开发建设的新城求就地利用,中水设施所设置的建构筑物也同时可为区、生态园区等潜在热用户相互结合的可行性。污水源热泵系统所用。利用热泵技术提取中水的热5污水源热泵 系统简介量,如酒店可用于游泳池水加温、生活热水的加热等污水源热泵系统一般 由污水泵、污水管道、过滤场合,而因热能置换所致的温升与温降基本不会对中器(除污机)、热泵、热交换器、蓄热装置组成。污水处理水的回用造成影响。厂二级处理水区域供热供冷系统(见图3)。4.4二级处理水就地利 用5.1污水泵污水处理厂(贮:水池)过能器-其他俱热站一排入水体阿水梨循环泵$比筑用户戴热装置7曰热水(采暖)(空调)供热站-围3二级处理水为热源的热泵区域供热(冷)系统简图选择污水专用水泵，其启停由热泵发出的信号控制。助供热(冷)设备结合,以满足高负荷需求。一般采用水.2 污水管道蓄热或冰蓄热装置。选择耐腐蚀管材，并根据管线长度、环境状况和6结语经济性确定敷设方式。.随着全社会对节约能源、保护环境的日益重视和5.3 过滤器热泵技术的发展，热泵高效制热的突出优势正得以充为防止污水中的杂质堵塞热交换器或热泵的热分发挥,其应用领域也在不断拓展。城镇污水蕴含大量交换部分，在其前应设置过滤(除污)器。的可利用热能，污水源热泵技术的应用可提高建筑能5.4热泵效、保护生态环境、节约化石能源，推进循环经济的发一般选用电能驱动机械压缩式热泵,根据热泵规模展;而以建筑中水、污水处理厂二级处理水及再生水为选择往复式、螺杆式、离心式等形式的压缩机。热源的热泵应用技术更是“减排”与“节能”结合的可再5.5 热交换器生能源技术。城镇污水与热泵技术结合的推广应用须原生污水一般采用管式热交换器,并有自动清洗因地制宜，科学合理地进行就地利用或区域利用。(如内附移动刷)装置;二级处理水一般采用板式热交参考文献:换器,材质采用不锈钢或钛板,并根据水质对导热板[1]GB50282-98城市给水工程规划规范1S.北京:中国计划出版社,1998.的腐蚀结垢情况定期进行拆洗。[2]GB0014-2006 室外排水设计规范[S].北京:中国计划出版社2006.5.6 蓄热装置[3]陈东热泵技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,2008.应设置蓄热装置调峰，以充分利用污水热能:在[4]王荣中国煤化工京机械工业出版社，2004.建筑物热(冷)负荷低的时间段,热泵运行所置换的热能贮存在蓄热(冷)装置中,当负荷高时放出，对热量进MYHCNMH G,工程师，给水排水专业.行调节,并减小热泵的设计容量,或者同时与其他辅(w88888@21cn.com)o70|