太原市再生水資源余熱利用分析與探索

劉寶香 李曉崴

(1.太原市供熱管理中心，山西 太原 030012;2.太原市排水管理處，山西 太原 030006)

0 引言

當(dāng)今社會環(huán)境污染與能源危機已成為全人類必須面對并要加以解決的重大課題，近年來，隨著社會生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，社會文明程度的不斷進步，人們的環(huán)保責(zé)任意識不斷加強。就采暖行業(yè)而言，人們不但需要高質(zhì)量的供暖，同時還對該行業(yè)在環(huán)保、節(jié)能和安全文明生產(chǎn)方面提出了更高的要求，在這種背景下，以環(huán)保和節(jié)能為主要特征的綠色建筑及相應(yīng)的供暖空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)運而生，而再生水源熱泵技術(shù)正是滿足這些要求的比較有代表性的低耗能新型供暖空調(diào)技術(shù)。

水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種可以利用地球表面淺層水源(如地下水、河流和湖泊)和人工再生水源(工業(yè)廢水、中水、地?zé)嵛菜?的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。水源熱泵通過輸入少量的高品位能源(如電能)，實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位熱能的轉(zhuǎn)移。將水體和地層蓄能作為冬、夏季的供暖熱源和空調(diào)冷源，即在冬季，把水體或地層中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖;夏季，把室內(nèi)的熱量“取”出來，釋放到水體和地層中去。水源熱泵只提取水中的熱或冷而不消耗水，并且基本做到水體或地層蓄能的年平均能量平衡，不會造成任何污染。

1 城市概況

1.1 基本情況

太原市地處大陸內(nèi)部，在全國氣候區(qū)劃中，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候類型。冬季干冷漫長、嚴(yán)寒少雪，夏季炎熱多雨，春季升溫急劇，秋季降溫迅速，四季分明。全年平均氣溫11.9℃，最冷月為1月，平均氣溫為－3.5℃，最熱月為7月，平均氣溫為26.1 ℃。

1.2 太原市供熱情況

太原市多年來一直以分散的小型燃煤鍋爐供熱為主，由于分散的小型燃煤鍋爐，熱效率低，除塵、脫硫設(shè)備不完善，造成了極大的能源浪費和嚴(yán)重的環(huán)境污染，致使太原市大氣環(huán)境污染狀況多年來十分嚴(yán)重。2006年后，太原市大力發(fā)展集中供熱，使太原市的大氣環(huán)境質(zhì)量得到了改善。2011年太原市政府提出“太原市兩到三年實現(xiàn)清潔環(huán)保型供熱全覆蓋”目標(biāo)，僅2012年就實現(xiàn)擴網(wǎng)面積2 785萬m2，太原市大氣環(huán)境質(zhì)量發(fā)生了質(zhì)的變化。2013年計劃全市供熱擴網(wǎng)2 000萬m2，力爭達(dá)到2 500萬m2。預(yù)計2015年太原市將實現(xiàn)清潔環(huán)保型供熱全覆蓋。

截至2012年年底，太原市供熱面積為1.46億m2，供熱量為0.63億GJ，供熱方式比例為:燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)供熱占39%，大型燃煤鍋爐房供熱占24%，20 t以下分散鍋爐供熱占28%，燃?xì)忮仩t供熱占7%，水源熱泵、電供熱占2%。其中有15個大型熱源廠，供熱面積為8 525萬m2。主要熱源:熱電廠、工業(yè)余熱、大型集中鍋爐房和分散的中、小型鍋爐房、城中村小鍋爐以及煤氣、燃油、電力等清潔能源。

1.3 太原市城市污水再生水情況

太原市在運行污水處理廠為6座，汾河以東地區(qū)自北向南分別為北郊污水處理廠、趙莊污水處理廠、楊家堡污水處理廠、世紀(jì)陽光污水處理廠，汾河以西地區(qū)自北向南分別為河西北中部污水處理廠、南堰污水處理廠。設(shè)計總處理能力61.8萬t/d，出水水質(zhì)除南堰污水處理廠為二級標(biāo)準(zhǔn)外，其余均達(dá)到GB 18918-2002一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。2012年再生水產(chǎn)量為55.11萬t/d，到“十二五”末，隨著城南污水處理廠(在建)、晉源污水處理廠(規(guī)劃)的竣工投產(chǎn)，南堰污水處理廠改擴建工程(規(guī)劃)的竣工投產(chǎn)，太原市將產(chǎn)生共計約70萬t/d以上的再生水。

2 再生水資源余熱利用作為太原市發(fā)展城市集中供熱的輔助項目的可行性分析

2.1 城市再生水應(yīng)用于水源熱泵的優(yōu)勢

1)穩(wěn)定性。

中水作為熱泵系統(tǒng)的熱源具有含有大量熱能可大量獲得，產(chǎn)量及流量恒定的特點。中水的水體溫度一年四季相對穩(wěn)定，其波動的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。

2)節(jié)能性。

通常水源熱泵消耗1 kW的能量，用戶可以得到4 kW以上的熱量或冷量。而鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70%～90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用，因此水源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省1/2以上的能量，是一項節(jié)能、環(huán)保的高科技項目，符合發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、創(chuàng)建節(jié)約型社會、落實科學(xué)發(fā)展觀的要求。

2.2 符合環(huán)保的要求

再生水源熱泵系統(tǒng)沒有鍋爐，對減少溫室氣體排放、保護環(huán)境，完成城市節(jié)能減排指標(biāo)有重要意義。不用消耗煤炭、石油、天然氣等寶貴的一次性不可再生的能源，不排放二氧化碳及二氧化硫等氣體，除使用少量的電能以外，其運行沒有任何污染。供冷時可省去冷卻塔，避免了冷卻塔噪聲和水的飄失;噪聲低，不向室外排放熱風(fēng)，不會造成“熱島效應(yīng)”，循環(huán)液在地下系統(tǒng)中密閉流動，不含有害物質(zhì)，無任何污染。

2.3 經(jīng)濟效益明顯

水源熱泵與鍋爐(電、燃料)和空氣熱源泵的供熱系統(tǒng)相比，具有明顯的優(yōu)勢。鍋爐供熱只能將90%～98%的電能或60%～90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量(燃煤鍋爐為68%)，供用戶使用，因此水源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上電能，比燃料鍋爐節(jié)省1/2以上的能量。由于中水溫度全年較為穩(wěn)定，一般為13℃～25℃，其制冷、制熱系數(shù)分別可達(dá)5.5，4.7。與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右。其運行費用為普通中央空調(diào)的50%～60%，平均可節(jié)約30%～40%的供熱制冷空調(diào)的運行費用。

2.4 技術(shù)可行性及案例

2.4.1 太原市再生水溫情況

表1 再生水溫情況 ℃

從表1中數(shù)據(jù)分析，再生水水溫能夠很好的保證水源熱泵的運行要求。

1)供暖時從再生水中提取的溫度取8℃;2)制冷時向再生水中釋放的溫度取11℃。

2.4.2 水源熱泵系統(tǒng)對水源的要求

水源熱泵系統(tǒng)經(jīng)過多年運行和發(fā)展，目前技術(shù)已非常成熟，在我國許多城市已得到了廣泛的使用。其對水源的要求是:水量充足，水溫適度，水質(zhì)適宜，供水穩(wěn)定。由于再生水源的特殊性，再生水源的水溫、水量和水質(zhì)對再生水源熱泵系統(tǒng)的運行更是起著非常重要的作用。

2.4.3 太原市再生水水源熱泵技術(shù)利用案例

楊家堡污水處理廠水源熱泵項目于2007年12月投入試運行。該項目利用楊家堡污水凈化廠的中水為源體，通過消耗部分電能滿足冬季采暖、夏季制冷的需求，實現(xiàn)供暖、制冷服務(wù)面積達(dá)21 231 m2。冬季室內(nèi)溫度一般能達(dá)到16℃ ～21℃;夏季室內(nèi)溫度能達(dá)到24℃～26℃，濕度不大于65%，中水需求量約為6 000 t/d。自運行以來，效果良好。水源熱泵技術(shù)在楊家堡污水凈化廠內(nèi)的實施，全取代上述鍋爐的功能，并且夏季可供冷。該運行費用主要為電費，經(jīng)過多年的運行，年運行經(jīng)費約60萬元(供熱5個月、制冷3個月)，人工及維護費每年4萬元，合計:64萬元。根據(jù)2012年煤炭價格估算節(jié)約近80萬元鍋爐運行費用，消除了污染同時還解決了夏季制冷的問題。

3 太原市再生水用于水源熱泵的設(shè)想

管網(wǎng)建設(shè)是制約再生水使用的一個難題，在我市再生水管網(wǎng)目前建設(shè)水平及規(guī)劃的前提下，再生水作為水源熱泵熱源的使用宜采用集中和沿已有或計劃鋪設(shè)主管線附近兩種模式使用。

3.1 楊家堡污水處理系統(tǒng)

負(fù)擔(dān)楊家堡污水廠周邊高新區(qū)等地的集中用戶;另外楊家堡污水廠回用管線向東將沿學(xué)府街鋪設(shè)至學(xué)府公園，向北將由汾河公園鋪設(shè)至森林公園，楊家堡污水廠至學(xué)府公園沿線及周邊可使用再生水，楊家堡污水廠沿汾河公園至森林公園沿線及周邊可使用再生水?？晒崦娣e為80萬m2～160萬m2。

3.2 河西北中部污水廠污水處理系統(tǒng)

負(fù)擔(dān)河西廠周邊長風(fēng)商務(wù)區(qū)、麗花苑小區(qū)等集中用戶;另河西北中部污水廠向北將鋪設(shè)沿汾河至森林公園再生水管線，向南鋪設(shè)至?xí)x陽湖。再生水管線沿線及周邊可使用再生水?？晒崦娣e為80萬m2～160萬m2。

3.3 北郊污水凈化廠污水處理系統(tǒng)

負(fù)擔(dān)北郊污水廠周邊用戶，另北郊污水廠鋪設(shè)至二電廠再生水管線、至太鋼再生水管線、至城西水系再生水管線。沿線及周邊可使用再生水?？晒崦娣e20萬m2～40萬m2。

3.4 城南污水凈化廠污水處理系統(tǒng)

負(fù)擔(dān)城南污水凈化廠周邊用戶，另外該污水廠規(guī)劃實施再生水回供清徐工業(yè)園區(qū)用水，管線沿線及周邊可使用再生水供熱制冷?？晒崦娣e為100萬m2～200萬m2。

4 結(jié)語

水源熱泵技術(shù)能達(dá)到節(jié)約能源和盡快改善城市大氣環(huán)境質(zhì)量的目標(biāo)，是開發(fā)利用新型清潔能源和可再生能源發(fā)展供熱目標(biāo)的先進典范，可作為太原市發(fā)展城市集中供熱的輔助項目加以應(yīng)用。為了有效的推動再生水資源的利用，建議相關(guān)部門在城市發(fā)展、道路建設(shè)的同時，進一步加快城市污水處理廠再生水工程及配套管網(wǎng)設(shè)施的建設(shè)步伐，提高再生水綜合輸水能力，在輸水管道沿線因地制宜、合理規(guī)劃供熱方式;研究和制訂再生水利用扶持政策和保障措施，依法實施規(guī)范化管理，努力擴大再生水用戶和使用范圍;研究和完善再生水水源熱泵在不同領(lǐng)域、用戶使用的優(yōu)惠方案、價格機制、監(jiān)督體系等相關(guān)配套的政策措施，大力發(fā)展低碳環(huán)保供熱方式，推進再生水的綜合利用，擴大再生水利用量。

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［2］ 江雄志，趙會芳.橋東污水廠污水(中水)源熱泵系統(tǒng)設(shè)計［J］.中國給水排水，2005(21):70-71.

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