污水源熱泵技術(shù)在城市住宅供暖中的應(yīng)用研究

于 浩，劉 靜，肖天鵬

（1.中鋼集團(tuán)工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，河北石家莊 050021；2. 中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；3.派力工程有限公司，北京 100093）

污水源熱泵技術(shù)在城市住宅供暖中的應(yīng)用研究

于 浩1，劉 靜2，肖天鵬3

（1.中鋼集團(tuán)工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，河北石家莊 050021；2. 中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；3.派力工程有限公司，北京 100093）

隨著城市的發(fā)展和能源需求的增長，污水的熱能回收利用越來越受到關(guān)注，開發(fā)污水源熱泵技術(shù)對建筑節(jié)能降耗具有重要意義。本文就污水源熱泵系統(tǒng)的工作原理、特點等方面進(jìn)行了介紹，闡述了國內(nèi)外污水源熱泵技術(shù)的開發(fā)利用歷程與工程現(xiàn)狀，分析了城市污水熱能資源潛力以及污水源熱泵技術(shù)的發(fā)展前景，指出利用污水與環(huán)境的溫差獲取熱能具有十分巨大的能量資源前景，適宜的熱源距離是污水源熱泵開發(fā)利用的先決條件，開發(fā)污水源熱泵系統(tǒng)，可以充分利用城市污水處理廠的二級出水或城市污水作為水源，通過合理利用出水的流量和溫差為城市住宅供暖?；谖覈茉磁c環(huán)境的現(xiàn)狀，污水源熱泵系統(tǒng)具有良好的市場前景，是一種值得推廣的能源開發(fā)利用方式。

污水源熱泵；城市污水；系統(tǒng)能效比；住宅供暖；建筑節(jié)能

0 前言

城市污水是一種優(yōu)良的引人注目的低溫余熱源，污水源熱泵是一種水源熱泵。眾所周知，水源熱泵的優(yōu)點是水的熱容量大、設(shè)備傳熱性能好（換熱設(shè)備較緊湊）、水溫較穩(wěn)定（熱泵運行工況較穩(wěn)定）[1]。水源熱泵與常規(guī)空調(diào)不同之處在于它是利用地球水體（地下水及江、湖、海水）所儲藏的太陽能低溫資源作為冷、熱源，進(jìn)行轉(zhuǎn)換的空調(diào)技術(shù)，而常規(guī)空調(diào)獲取冷、熱源方式．則是冷凝器端通過冷卻塔降溫循環(huán)進(jìn)行制冷；蒸發(fā)器端通過輔助加溫循環(huán)進(jìn)行采暖。由于水源熱泵比常規(guī)空調(diào)減少了上述冷、熱源輔助能耗．所以它相對更加節(jié)能[2]。

1 污水源熱泵系統(tǒng)工作原理

污水源熱泵以城市污水作為熱（冷）源，進(jìn)行制冷、供熱。污水水源可以是未經(jīng)處理的城市污水，也可以是城市污水處理廠處理后的二級出水或中水。冬季，它將存在于污水中的低焓熱能排放出來，為城市居民供熱；夏季則把室內(nèi)的熱量吸收進(jìn)來，釋放在污水中以達(dá)到制冷效果。在夏季制冷時冷凝器低溫?zé)嵩矗ɡ鋮s水）進(jìn)水溫度越低，系統(tǒng)能效比（COP）越大，熱泵制冷效果就愈大：同樣在冬季制熱時蒸發(fā)器低溫?zé)嵩矗ɡ鋬鏊┻M(jìn)水溫度越高．系統(tǒng)能效比（COP）也越大．熱泵制熱效果也就愈大。

2 國內(nèi)外污水源熱泵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著污水源熱泵在國內(nèi)外的發(fā)展，污水源熱泵技術(shù)逐漸趨于成熟。20世紀(jì)70年代前后，北歐一些發(fā)達(dá)國家研發(fā)使用城市污水作為熱源的供熱制冷技術(shù)。20世紀(jì)80年代初，瑞典、挪威等國家建造的以污水為低溫?zé)嵩吹拇笮蜔岜谜鞠嗬^投入運行，其中瑞典早期的應(yīng)用情況見表1[3]。

挪威的奧斯陸于1980年開始建設(shè)利用城市污水干管的污水作為低溫?zé)嵩吹臒岜谜?，第一臺熱泵機組已在1983年投入使用[4]。隨著能源結(jié)構(gòu)的不斷變化，環(huán)境問題的日益突出，美國、德國等一些發(fā)達(dá)國家陸續(xù)開始投入科研力量致力于污水源熱泵的研究，積累了豐富的經(jīng)驗。受到城市原生污水水質(zhì)復(fù)雜性和特殊性的限制，污水源熱泵的研究進(jìn)展依然緩慢。1987年，東京市政府啟動了城市污水熱能回收項目，截止到2003年，該市建立的污水源熱泵已有10多處。1990年，韓國開始對城市污水源熱泵進(jìn)行研究，Baek以某賓館生活供水情況為實例，選擇其公共浴池與桑拿中的污水作為熱源。莫斯科于1999年，投入運行容量為9.5MW的污水源熱泵[5]。

表1 瑞典早期大型熱泵站匯總表

我國的熱泵研究歷史迄今已經(jīng)有60年，但是，受到能源價格等多方面因素的限制，熱泵特別是水源熱泵，一直沒有得以全方位的應(yīng)用。近年來，污水源熱泵的研究開始起步。個別地區(qū)出現(xiàn)了少量的直接式污水源熱泵，熱泵熱源為污水處理廠一級出水或原生污水。北京市高碑店污水處理廠于2000年開發(fā)使用了我國首個直接式污水源熱泵。我國第一個原生污水源熱泵系統(tǒng)于2001年，由大慶開發(fā)區(qū)富爾達(dá)公司研發(fā)投入使用。2008年，北京奧運村換熱站的污水源熱泵的熱源選擇為清河污水處理廠的二級排水，它的水質(zhì)接近二級水水質(zhì)，直接進(jìn)入機組換熱器進(jìn)行換熱。河北秦皇島污水處理廠、北小河污水處理廠項目等以污水廠二級出水為熱源。哈爾濱望江賓館、北京悅都等采用原生污水為熱源[6～8]。

為規(guī)范城市污水的回用工程，國內(nèi)外制訂了一些針對污水回用的規(guī)范和要求，例如1992年美國國家環(huán)保局修訂的《污水回用綜合規(guī)范》；1989年世界衛(wèi)生組織頒布的《污水回用農(nóng)業(yè)的微生物含量標(biāo)準(zhǔn)》；我國于1989年10月正式頒布了《生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》；中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會于1995年頒布了《城市污水回用設(shè)計規(guī)范》；北京市1987年頒布了《北京市中水設(shè)施建設(shè)管理試行辦法》[9]。2002年以來，國家陸續(xù)頒布了《城市污水再生利用分類標(biāo)準(zhǔn)》、《城市污水再生利用—污水再生利用工程設(shè)計規(guī)范》、《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》、《城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑中水設(shè)計規(guī)范》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。雖然污水熱能資源的開發(fā)利用在近些年得到了快速發(fā)展，但與充分的社會需求和巨大資源儲量相比，其開發(fā)利用還十分不成比例，且缺乏相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制約。

3 城市污水熱能資源潛力分析

城市污水的處理量在某種程度上標(biāo)志著城市污水熱能的貯存量[10]。在城市生活中所消耗能源中有接近一半的能量通過各種途徑被排放到城市污水中[11]。近年來隨著國民生產(chǎn)的發(fā)展，污水的排放量巨大且主要集中在城市。城市污水的排放量逐年增加。截至2014年底，全國設(shè)市城市污水處理廠達(dá)1797座，污水處理能力為1.31億m3/d，同比增加611萬m3/d。全國城市污水處理廠累計處理污水382.7億m3，同比上升5.9%，城市污水處理率達(dá)到90.2%[12]。由此看出，城市污水熱能具有巨大的資源潛力。

城市污水熱能的資源潛力主要取決于污水的溫度。污水水溫決定著污水源熱泵項目設(shè)計可利用溫差的范圍及系統(tǒng)效率。經(jīng)過處理后的城市污水的水溫，常年在一定范圍內(nèi)變化，其波動范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣，是良好的熱泵熱源和空調(diào)冷源。北方地區(qū)冬季污水水溫平均高出周圍環(huán)境溫度20℃以上，夏季污水水溫要平均低于環(huán)境溫度十幾攝氏度。北京地區(qū)以高碑店污水處理廠為例，其二級出水溫度在冬季為13.5℃～16.5℃，夏季為22℃～25℃；黃河以及長江流域污水處理廠的二級出水溫度為17℃～28℃[1]。

4 污水源熱泵技術(shù)的發(fā)展前景

（1）利用污水與環(huán)境的溫差獲取熱能具有十分巨大的能量資源前景

開發(fā)污水源熱泵系統(tǒng)，可以充分利用城市污水處理廠的二級出水或城市污水作為水源，合理利用出水的流量和溫差，進(jìn)行制冷和供熱，且不影響后續(xù)使用，具有良好的市場前景[13]。利用污水源熱泵系統(tǒng)對建筑物供冷或供熱，充分利用了城市污水中的廢熱，減少了對高位能源的消耗。不僅節(jié)約了能源，而且減少了環(huán)境污染和水資源的消耗；此外由于污水源熱泵機組工作效率高，機房占地面積小，大大降低了運行費用和初投資費用[14]。污水源熱泵項目運行過程中不會引起區(qū)域性的地下水或地表水污染。由于污水源熱泵系統(tǒng)只是利用了污水中的熱量，利用后水質(zhì)沒有發(fā)生變化，不會對原有水源造成污染。此外，污水源熱泵系統(tǒng)不燃燒任何化石燃料，不排放任何污染，是一種清潔能源方式。

（2）適宜的熱源距離是污水源熱泵開發(fā)利用的先決條件

由于污水源熱泵系統(tǒng)的運行模式是小溫差、大流量，因此輸送管線的輸送能耗直接影響系統(tǒng)的節(jié)能潛力和經(jīng)濟(jì)性。熱源與建筑物的距離越大，輸送管網(wǎng)的投資越高，水泵的運行能耗也會相應(yīng)增加；當(dāng)兩者距離較遠(yuǎn)時，投資與運行能耗過大，不適宜輸送或建設(shè)污水源熱泵系統(tǒng)。適宜的熱源距離是有界限的，在實際應(yīng)用中，污水熱能利用的前提還需要有適宜應(yīng)用的污水處理廠來提供充足的污水水源，需要考慮污水的輸水管線以及利用溫差，因此其應(yīng)用通常在污水處理廠周邊一定范圍內(nèi)，具有獨占性。此外，由于污水源熱泵項目應(yīng)用的前提是需要有符合應(yīng)用條件的污水處理廠來提供充足的置換水源，但由于污水溫度一般在15℃～25℃之間，且會受到一定大氣影響，使得可交換利用的溫差相對較小，單獨應(yīng)用其作為冷、熱水源對于負(fù)荷要求較大的建筑，污水處理廠所能提供的水量能否滿足需求將是直接關(guān)系項目可行性的必要條件，因此存在一定的局限性。

（3）污水熱能資源利用是實現(xiàn)城市污水資源化的有效途徑

目前全球正面臨著人口快速增長、資源嚴(yán)重短缺、環(huán)境急劇污染等一系列危及人類生存和發(fā)展的挑戰(zhàn)[15]。據(jù)國際能源機構(gòu)預(yù)測，按目前世界人口和經(jīng)濟(jì)的增長速度來推算，到2025年全球能源需求將增加近一倍。為了避免出現(xiàn)“能源危機”，世界各國都加強了對可再生能源的開發(fā)和利用。隨著可持續(xù)發(fā)展觀念的深入人心和公眾環(huán)保意識的增強，世界和我國的能源消耗結(jié)構(gòu)都在發(fā)生轉(zhuǎn)變，從原有的以煤、石油取暖為主轉(zhuǎn)變到以天然氣及電等清潔能源消耗為主。隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長，以煤炭為主的能源消耗結(jié)構(gòu)將給我國的環(huán)境帶來越來越大的壓力。從可持續(xù)發(fā)展的角度看，必須提高能源利用效率和尋找可再生能源。繼2008年12月國土資源部發(fā)出《關(guān)于大力推進(jìn)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的通知》后，2013年9月，國務(wù)院印發(fā)《大氣污染防治行動計劃》，提出要加快調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，積極有序發(fā)展水電，開發(fā)利用地?zé)崮堋L(fēng)能、太陽能等清潔能源。作為新能源和可再生能源的污水熱能資源，在未來的城市發(fā)展建設(shè)中，其需求會日益增加。由于污水源熱泵將城市污水處理的熱量回收利用，是城市污水資源化的有效途徑。而且，污水源熱泵具有較高的系統(tǒng)能效比（COP），節(jié)能效果顯著，不會給周圍環(huán)境帶來不利影響。基于我國能源與環(huán)境的現(xiàn)狀，污水源熱泵系統(tǒng)具有良好的市場前景，也是一種值得推廣的能源開發(fā)利用方式。在污水熱能的開發(fā)利用中，需要結(jié)合污水資源分布、市政條件和城市發(fā)展，統(tǒng)籌城市污水熱能資源發(fā)展?jié)摿?，為城市污水熱能資源開發(fā)利用提供支撐和保證。通過建設(shè)一批高端示范項目，推進(jìn)污水熱能與其它可再生能源以及蓄能調(diào)峰相結(jié)合的復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用，充分發(fā)揮奧運村再生水源熱泵項目的示范作用和建設(shè)經(jīng)驗，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)城市污水熱能的發(fā)展。

5 結(jié)語

城市污水是優(yōu)良的低溫?zé)嵩?，水溫適宜，水量巨大。發(fā)展和運用城市污水源熱泵將能有效解決住宅供暖需求，實現(xiàn)供暖系統(tǒng)的節(jié)能與環(huán)保?！笆濉币?guī)劃中明確提出要加快新能源和可再生能源的開發(fā)利用，在新常態(tài)下的城市住宅供暖方式將不再拘泥于單一形式，結(jié)合合同能源管理與互聯(lián)網(wǎng)+等新型模式，將更有效地發(fā)揮污水熱能的資源優(yōu)勢。我國污水熱能資源豐富，污水熱能綜合開發(fā)利用技術(shù)相對成熟，經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益顯著。在城市中應(yīng)用污水源熱泵是改變傳統(tǒng)城市中以煤為主的能源消費結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的有效途徑，為可再生能源的發(fā)展及應(yīng)用拓展了新的空間。大力推動污水熱能資源的綜合開發(fā)利用，對改善我國能源結(jié)構(gòu)，完成節(jié)能減排指標(biāo)，實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，具有重要意義。

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Application Research on Sewage Source Heat Pump Technology in Urban Residential Heating

YU Hao1，LIU JING2，XIAO Tianpeng3
（1. Sinosteel Engineering Design & Research Institute Co., LTD, Shijiazhuang 050021; 2. China University of Geosciences (Bejing）, Beijing 100083; 3. Piling Engineering Co., LTD, Beijing 100093）

With the development of the city and the growth of energy demand, the heat recovery and utilization of waste water is getting more and more attention. The development of sewage source heat pump technology is important for building energy saving. This paper introduces the working principle and characteristics of sewage source heat pump system, describes the development and utilization process of sewage source heat pump technology and engineering situation in domestic and foreign countries, analyses the potential of urban sewage and the development prospect of sewage source heat pump technology, and points out that it has a great prospect of the energy resources through utilizing the temperature difference between the sewage water and the environment, the optimum heat source distance is the precondition of the development and utilization of sewage source heat pump, the development of sewage source heat pump system can fully utilize the secondary effluent water or sewage from city sewage treatment plant as water source, through the rational use of water flow and temperature difference for urban residential heating. Based on the current situation of China's energy and environment, sewage source heat pump system has a good market prospect, is a kind of energy development and utilization method which worth promoting.

Sewage source heat pump; Urban sewage; COP; Residential heating: Building energy-saving

TU833

A

1007-1903（2015）04-0021-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2015.04.005

于浩（1975- ），男，本科，建筑學(xué)專業(yè)，主要研究方向為建筑節(jié)能與建筑設(shè)計。E-mail: mintyuan@126.com