污水源热泵系统和污水冷热能利用前景分析

暖通空调HV&AC2004年第34卷第8期科技综述污水源热泵系统和污水冷热能利用前景分析国中爱华(天津)市政坏境工程有限公司周文忠☆天津大学李建兴涂光备摘要分析了污水热源/热汇的特点,介绍了以未处理污水作为热源/热汇和以二级出水或中水作为热源/热汇的污水源热泵系统,分析了污水源热泵系统的技术经济性和其应用潜力,介绍了国内外的应用情况,并对其推广使用需要解决的问题进行了探讨。关键词污水源热泵未处理污水二级出水应用技术经济性Prospect of sewage source heat pump systems andcooling and heating energy utilization of sewageBy Zhou Wenzhong*, LI Jianxing and Tu GuangbelAbstract Analyses the characteristics of sewage as the heat source/sink, Presents the sewage sourceheat pump systems with the heat source/ sink of untreated sewage andeffluent or recycledwastewater. Analyses technicality and economics and application potentialsystems. Presents theapplication at home and abroad, and discusses some problems needed solvingKeywords sewage source heat pump, untreated sewage, secondary effluent, application, technicalityInterchina Aihua Municipal Environmental Engineering Co, Ltd, Tianjin, China污水源热泵采用污水作为水源热泵的热源/热表1常用热源/热汇汇,根据污水夏季温度低于室外温度,冬季高于室热源/热汇温度范围/外温度的特点,用热泵利用污水冷热能。与空气源周围空气15~25热泵和以地下水为热源/热汇的水源热泵相比,污废气地下水水源热泵在技术和经济性上更具优势。湖水0~101热泵热源/热汇的选择和污水热源/热汇的特点3~8热泵的技术状况和经济性与热源/热汇的特点海水密切相关。对建筑物的热泵系统来说,理想的热废水和污水源/热汇应具有以下特点:在供热季有较高且稳定程的冷却水、制冷厂的冷却水。从总体上讲,废水的温度,可大量获得,不具有腐蚀性或污染性,有理和污水在民用和商业建筑上的应用主要受以下因想的热力学特性,投资和运行费用较低。在大多数素制约:与用户的距离和是否能获得稳定的废热情况下,热源/热汇的性质是决定其使用的关键。表1列举了常用的热源/热汇们1。☆周文忠,男,1973年3月生,工学硕士,工程师废水和污水全年保持相对较高且恒定的温度。300060天津市河西区卫津南路21号新金龙大厦北楼4层(022)23376168-215在这个范畴中,可能的热源/热汇种类有污水(处理E-mail:wthzhou@hotmail.com收稿日期:2003-08-15过的和未处理过的)、工业废水、工业和电力生产过修回日期:2004-07-0426·科技综述暖通空调HV&AC204年第34卷第8期流市的用户,可以显著增加污水用于区域供热供冷的城市污水是一种引人注目的优良低温热源/热范围;但由于未处理污水中含有大量杂质,水处理汇。它具有以下特点:和换热装置比较复杂。该系统流程图如图1所示。a)产生量大,几乎全年保持恒定的流量;下面以东京 Koraku1 chome区域供热供冷系统为b)夏季温度低于室外温度,冬季高于室外温例加以说明。度,而且在整个供暖季和供冷季,水温波动不大。污水水温与处理水量、所处地域、污水来源及季节冷/热循环转向阀F压缩机换热管自动清洗等有关,华北地区一般冬季水温不低于10℃,夏季主电动机不超过30℃2。根据北京高碑店污水处理厂长期测量的数据显示,冬季污水水温为13.5~16.5℃,过滤器换热器高出气温20多℃;夏季污水水温为22~25℃,又冷/热水主循环泵￠比气温低10多℃3。而据测量,哈尔滨马家沟截留渠污水的冬季温度也可达14~15℃。沉砂唐污水循环泵冷/热水蓄水池c)含有大量的热能。据估计,城市社区产生图1以未处理污水为热源/热汇的污水源的废热40%含在污水中5热泵系统流程图(冷循环)污水与热泵一起使用成为区域供热供冷的一东京 Koraku 1-chome的区域供热供冷系统是种理想热源/热汇。污水源热泵技术是污泥制肥、日本第一次应用未处理污水作为区域供热供冷的沼气发电、中水回用后,污水资源化进程中的重要热源/热汇。用未处理污水作为热源/热汇是希望步,这将对实现污水资源化起到推动作用。扩大市政污水中含有的大量热能的利用范围,并减2污水源热泵的系统形式少能量消耗和温室气体排放。污水源热泵系统按照其使用的污水的处理状Koraku 1- chome区域供热供冷工厂的换热器态可分为以未处理过的污水作为热源/热汇的污水安装在污水泵站的下面,并把流入泵站的未处理污源热泵系统、以二级出水或中水作为热源/热汇的水中的冷/热量传递到热泵中,然后用热泵系统来污水源热泵系统;按照热泵机组机房的布置情况可产生冷/热水。与空气源热泵相比,这种系统可减分为集中式、半集中式和分散式的污水源热泵系少20%的能量(电力)消耗统在该系统中采用旋转过滤型自动过滤器通过日本是利用污水冷热能较早的国家之一。既2mm过滤网来去除大部分悬浮物。为了防止腐有利用未处理过的污水的,也有利用二级出水或中蚀,叶轮、主轴和泵采用不锈钢;换热管用钛钢,并水的。东京大区污水管理局从1987年起启动从污用带有固定端的冲洗刷定期地从一个端向另一定水中回收冷热能的计划。12个热泵系统现在正在端移动来清除管内的污垢。流经污水泵站的污水运行,每天使用70000m3的排水或未处理的污含有大量的细小纤维物质,这可能会阻塞冲洗刷的水。其中4个设置在泵站,用未处理的污水作为热固定端,并造成换热效果的衰减。这个问题已通过源/热汇;其余的8个使用污水处理厂的二级或三加热清洁系统的办法得到了解决。例如,用外部热级出水。总的能量供应能力为供热时32.2GJ/h,泵产生的热水来加热传热管,这种解决办法被证明供冷时41.9GJ/h。回收的能量主要用于污水非常有效处理厂的办公建筑的空调,但其中 Koraku系统为Koraku 1- chome区域供热供冷厂选用了两台区域供热供冷提供能量。电制冷水源热泵,每台制冷量为10.5MW(30002.1以未处理污水作为热源/热汇的污水源热泵USrt),制热量为12.8MW。工厂还有一套热回收系统装置,制冷量为3.9MW(1100USrt),制热量为以未处理污水作为污水源热泵的热源/热汇,5.0MW。热回收装置用于同时供热供冷时,作为可就近利用城市污水泵站的污水把未处理污水中热源/热汇的污水流量最高可达129000m3/d。工的冷/热量传递到热泵系统中,并能就近输送给城厂通过四管铸铁管网系统向 Koraku1home区的暖通空调HV&AC2004年第34卷第8期科技综述·27商业建筑(总建筑面积126000m2)提供冷水(7较为相似,故在此不再作详细的分析。图3显示了℃)和热水(47℃)。在工厂里还安装了一个总容以二级出水为热源/热汇的污水源热泵系统流程图。积为1520m3的蓄冷/热池,来平衡能量需求及使冷/热水换热器蒸发器)用便宜的非峰夜间电力③冷/热循环转向供热供冷工厂从1995年4月到1996年3月生压缩机换热管自动清洗产了37742GJ(10484MWh)的冷量和9151GJ自动过滤主电动机12℃(2542MWh)的热量。热泵系统在夏季某月(1995二级出水换热器年8月)记录的月平均QOP值为4.3,远大于东京正冷/热水主循环泵常运行的空气源区域供热供冷系统的效率。而冬季某月(1996年2月)系统的COP值为395。示有楼池出水循环冷/热水蓄水泡图2给出了1997年供能的结果,图中显示有约50%的能量被分配给7~9月的供冷。其中,热图3以二级出水为热源/热汇的污水源热泵系统流程图(冷循环)泵消耗了74%,输送热水和冷水消耗了15%,其他下面仅以日本东京地区 Ochiai污水处理厂为用电设备消耗了约11%的能量。热泵的OP值例加以说明。 Ochiai污水处理厂热泵系统建于为3.80,如果包括输送消耗的电力整个系统的1987年,为办公建筑供热供冷,它使用了315000COP值为2.81m3二级出水中的1450m3作为热源/热汇。该系统制冷能力为297kW冷水出水温度为7℃;制热能力为289kW,热水出水温度为45℃。它使用了两台电机功率为90kW的压缩机,制冷循环时的2000COP值为465,制热循环时的COP值为3.598。4567891011121这些结果显示了系统有较高的运行水平。月份3污水源热泵系统技术经济分析口供热采用污水源热泵系统,在整个冬季电转换率都图21997年 Koraku1chme热泵系统供能月变化表可达到350%~450%,即使考虑到发电热效率为关于 Korak1home供热供冷系统的环境效33%总体转换效率也达到15%-150%,远高应,与以前的区域供热工厂相比,它减少了大约于区域锅炉房集中供热系统。而夏季作为空调使2%的能量消耗(相当于218m石油产生的能用,可泽低30%-40%的制冷电耗,机房占地面量),并分别减少40%和37%的CO2和NO2产生积仅有燃煤锅炉房的1/3~1/2,不需要贮煤和堆渣的场地等优点十分突出。不论冬夏使用都不产量生任何污染,调控灵活,热泵供暖系统不失为解决22以二级出水或中水作为热源/热汇的污水源城市建筑冬季供暖问题的较佳方案热泵系统在北方地区,热电联产集中供热系统一般只适以二级出水或中水作为污水源热泵的热源/热用于较大的城市或居民点受到一定局限。热泵系汇,因为水质较好所以处理过程比较简单,系统可统则适应性较强还可以实现冬季供暖、夏季供冷能仅需要一级过滤器或者有时可能根本不需要过在我国中部特别是长江沿线地区夏季高温亟需空滤器。但污水处理厂一般位于市区边缘距热用户调制冷降温,冬季却因使用时间短而不安装专门的较远。如在污水处理厂内设立机房,回收污水中的取暖设备致使该地区冬季室内十分寒冷。采用水冷/热量则供热供冷管线较长,费用较大。如果有源热泵系统恰可同时满足这两方面的需要,从而开中水系统,则可利用中水管线将水输送到用户处,采发出一个其他供暖方式无法企及的巨大市场。取半集中式系统进行供冷供热。水中的能量利用完3.1污水源热泵的运行费用之后,还可继续作为中水使用。在此情况下,不需要根据日本某公司对不同供冷/热方式的经济分复杂的处理系统,所以系统与一般的水源热泵系统析结果污水源热泵系统与传统的制冷加锅炉系统·28·科技综述暖通空调HV&AC2004年第34卷第8期相比,可节约40%的运行费用和25%的总投资(包表2ocha污水处理厂热泵系统括折旧和利息)。这显示了污水源热泵系统潜在与锅炉系统运行费用的比较的经济效益热泵锅炉(1987年3月)(1987年3月)(198年3月)Ochiai工厂以前曾使用过制冷加锅炉系统来能量消耗电256kWh/d油147L/d(根油313L/d(实进行房间供热和供冷,现在使用污水源热泵系据同期热量际值需求的估计统。工厂未处理的污水量是每天450000m3,现在只利用了可利用能源的一小部分。如果这一巨运行费用指数大的潜在热源/热汇用于周围地区的区域供热供笔者也对冬季北方地区采用各种供热方式对冷,将会有巨大的能量节约。表2给出了 Ochiai建筑物进行供热时的环境效应和运行费用进行了污水处理厂热泵系统在1987年3月供热时的运行比较。结果显示,污水源热泵系统比燃煤锅炉和空费用与锅炉系统在1986年3月的运行费用的比气源热泵的运行费用要低25%以上,更远低于其较,表中显示热泵系统的运行费用比传统的锅炉系他供热方式的运行费用。这也与日本文献的数据统大约低25%。相吻合。结果见表3表3冬季各种供热方式环境效应和运行费用的比较供热方式燃煤锅炉燃油锅炉燃气锅炉气源热泵水源热泵燃料种类柴油天然气对环境是否有污染有无危险性煤有5有有电无有5电无无电无无效率/%燃料单价0.33元/kg6元/kg轻有8元五元/m30.4元/(kWh)0.4元/(kWh)0.4元/(kWh)每个供暖季燃料费55,52316用/(元/m2)注;以天津地区为准,最低温度-10℃,每年供暖120d据测算,夏季使用污水源热泵空调系统运行费一饮用水一用平均为20元/m2左右,溴化锂机组约为34.6地下水元/m2,家用空调机约为28.8元/m2。污水源热泵的运行费用比其他空调方式低30%以上32污水源热泵的初投资透就机房设备一次性投入进行比较,溴化锂机组等集中空调一般为200元/m2,水源热泵集中空1190 WT::■T调系统一般为90~100元/m2,仅为前者的一半左有机物产生的热量右。具体就污水源热泵系统而言,因其利用未处理图41998年2月札幌通过供水和污水系统的能量流污水、二级出水或中水作为水源热泵系统的水源,℃。700MW的显热被释放到了接受水体。污水不用打井,在初投资方面与其他形式的集中空调系处理厂出水中的热能总量大约是5500TJ/a,这大统相比更具有优势约是札幌民用年消耗能量的264污水源热泵的应用潜力分析以一个人口规模为33万的城区为例,按人均城市每天都产生大量的污水,污水中又含有大产生污水量为180kg/d计算,该城区产生的生活量的冷/热量。以日本东京大区为例,每年有污水为6万t/d,在市政污水中工业废水和生活废38000TJ的热量被浪费在污水系统中,这相当于水的比例为1:1的情况下,需建12万td处理能40万住户供热供冷消耗的能量9。力的污水处理厂。该处理厂的二级出水量为5000图4显示了1998年2月札幌通过水系统的热t/h。按照冬夏季污水源热泵机组分别利用污水能流。自来水水温是38℃,经用户使用后水温升5℃的温差,夏季供冷指标按80W/m2,冬季供热到13.1℃。最后污水处理厂的出水温度是13.8指标按60W/m2计算,则冬夏季供热供冷的面积暖通空调HV&AC2004年第34卷第8期科技综述·29·分别为48万m2和36万m2。(c)采用两级热泵系统,即在污水源热泵的后5国内外污水源热泵的应用情况面再加一级高温热泵,在冬季时,将污水源热泵的国外污水源热泵的应用较多,污水源热泵的技出水温度从45~50℃提升到70℃以上。术已经比较成熟。其中尤以日本、瑞典、挪威等国d)污水源水温的问题。污水水温与城市所处应用较多。另外,美国、德国等国家也进行了大量的位置、城市的生活水平、城市污水的水量和构成研究。表4为日本的部分应用实例-810。(工业污水与生活污水的比例)及季节等诸多因素表4日本部分应用污水及类似水体的热泵系统情况都有关系,但污水源热泵在冬季进口水温最好不低规模/Mw建成时间热源/热汇于12℃,所以应对城市污水水温的全年变化情况Koraku1992年未处理的污水Osaka Nanko Cosmo Square 1131994年海水进行调查和分析。Makuhari781995年未处理的污水e)保证性问题。如果污水源热泵应用于大面0.2971987年二级出水积区域供热供冷,需要考虑是否需要设置蓄热池Rokko Island City521988年二级出水还有冬季是否需要备用锅炉的问题。Okawabashi River City1991年河水KosugeI993年二级出水f)经济性问题。其市场前景如何,与其他供Riverside Sumio0.58196年河水热供冷方式相比是否具有成本优势,如果公司投资中国的污水源热泵应用目前还刚刚起步。北污水源热泵系统,是否有合理的利润空间?这些都京高碑店污水处理厂(供热供冷面积约900m2)、需要加以分析。北京北小河污水处理厂(供热供冷面积约6000参考文献m2)、河北秦皇岛污水处理厂(供热供冷面积约1EAPC(国际能源组织热泵中心). Heat sources3500m2)和哈尔滨马家沟截留渠污水项目(供热tp://www.heatpumpcentreorg/aboutheatpumps供冷面积约600m2)等分别在这方面进行了有益Heat sources, asp2高月芬.水源热泵系统在污水处理厂的应用.供热制的尝试-31,且运行效果都良好。但目前应用的冷,2003(4):17-19供热供冷面积都还较小,与污水中含有的巨大能量3马最良,姚杨,赵丽莹.污水源热泵系统的应用前景相比还不成比例,也大有潜力可挖中国给水排水,2003,19(7):41-436污水源热泵系统需要解决的问题4王晓夫关于大力推进自然冷能转换设备产业化的建污水源热泵有着广阔的应用前景,但其使用还议.见:哈尔滨市专家顾问咨询委员会《咨询报告》,2002需解决以下一些问题:5 CADDET(the centre for the analysis and disseminationa)清洁技术的选择。由于污水中包含多种固of demonstrated energy technologies ) First DHC体悬浮物和盐类,所以清洁技术是从污水中回收能system in Japan using untreated sewage as a heat量的关键技术。需要解决阻塞、腐蚀、结垢等方面source. Result 290. JP 97. 503/5X D01, 19976 Funamizu N, lida M, Sakakura Y, et al. Reuse of的问题。heat energy in wastewater: implementation examplesb)系统形式的选择。如果污水源热泵应用于in Japan. Water Science and Technology, 2001, 43区域供热供冷,是采用未经处理的污水还是二级出(10):277-286水或中水,是采用集中式、半集中式还是分散式的7 Fumanizu N, Ogoshi M. Reuse of water and heat污水源热泵系统,这都需要进行技术经济分析。energy in wastewater in Japan见:21世纪国际城市污c)热用户的问题。如污水源热泵系统釆用一水处理及资源化发展战略研讨会与展览会会议论文北京,2001般的水源热泵机组,则在冬季提供的热水温度为8 CADDE:. Reduced fouling of sewage water heat45~50℃,能满足风机盘管用户的要求;但散热器pumps. Demo 33, JP 93. 501/5X H03, 1995用户的进水温度一般应在70℃以上,所以热泵的9 Nakazato t. Urban heat. Mizu,1987(8):6-67出水温度不能满足其要求。有三种解决办法:10 The Japan gas association. Utilization of untapped(a)系统仅向使用风机盘管的用户,即公共设energyhttp://www.gasorjp/ekankyo/25. html施或高档社区提供能量;11赵凯,刘颖超.污水能源热泵技术的开发应用.住宅(b)采用地板供暖方式;科技,2003(5):35,47