成都地區(qū)回收污水中熱能的潛力分析

孫　杰　余南陽（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院　成都　610031）

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成都地區(qū)回收污水中熱能的潛力分析

孫杰余南陽
（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院成都610031）

【摘要】為研究成都地區(qū)污水中冷熱資源賦存量的大小，測(cè)量成都某酒店污水干渠全年污水的排放溫度，統(tǒng)計(jì)近年成都市污水廠數(shù)量和污水排放總量，從節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保角度對(duì)成都地區(qū)污水熱能回收利用的潛力進(jìn)行計(jì)算和分析。結(jié)果表明，成都地區(qū)污水溫度冬暖夏涼，全年變化幅度??；污水排放量大且穩(wěn)定；成都地區(qū)污水中冷熱資源賦存量大；與傳統(tǒng)供暖制冷系統(tǒng)相比污水源熱泵系統(tǒng)更節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。

【關(guān)鍵詞】城市污水；污水冷熱源；潛力分析；成都地區(qū)

0　引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源危機(jī)的不斷加深，人民普遍開始關(guān)注節(jié)約能源、有效利用能源以及開發(fā)利用新的替代能源等問題。城市污水作為一種清潔型能源，數(shù)量巨大，生成量穩(wěn)定，可通過熱泵回收熱能作為建筑物供暖與空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源，具有廣闊的市場(chǎng)前景與社會(huì)效益。

在節(jié)能方面，與電制冷加燃煤鍋爐、空氣源熱泵等建筑冷熱源形式相比，污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果更好，運(yùn)行費(fèi)用更低。日本東京Koraku-chome污水源熱泵系統(tǒng)的制熱性能比空氣源熱泵和水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)提高了60%，比空氣源熱泵節(jié)電20%[1]。在減排方面，日本學(xué)者的研究結(jié)果表明，污水源熱泵系統(tǒng)較空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比可減少68%的CO2排放量和75%NOx排放量[2]。因此，開發(fā)城市污水中的低品位能源，對(duì)促進(jìn)我國建設(shè)節(jié)能型社會(huì)和可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。

1　城市污水的熱能特性

城市污水熱能利用的對(duì)象是經(jīng)處理后的污水或者原生污水，與其他熱能相比，城市污水具有以下熱能方面的特征[3]。

（1）污水水溫適宜，全年變化幅度小

城市污水最大的特點(diǎn)就是冬暖夏涼，重慶市1月室外月平均氣溫和污水溫度分別為28.1℃，21.4℃與最冷月室外溫度的差值為19.3℃，污水溫差為9.5℃[4]。日本東京1月份的大氣和河水溫差均為20℃左右，而城市污水溫差只有12℃，城市污水的變化幅度小，因?yàn)榭稍谌戢@得比較穩(wěn)定的水源，可作為穩(wěn)定的熱源[5]。由于水具有良好的蓄熱性能，污水中的熱能利用受太陽輻射和氣象因素影響較小。

（2）污水的熱能利用區(qū)域廣

目前熱泵的發(fā)展方向已經(jīng)從城市二級(jí)污水的熱能利用發(fā)展到可直接回收利用城市污水的熱能階段，因此不受污水廠地點(diǎn)限制，可根據(jù)城市污水管網(wǎng)情況和用戶需要，靈活進(jìn)行利用，從而擴(kuò)大城市中的使用區(qū)域。

（3）熱量的賦存量高

由于城市污水冬夏與室外氣溫相差7～10℃[6]，故其中蘊(yùn)藏著大量的低位能源。據(jù)東京下水道局的測(cè)算，在有可能加以利用的城市熱能中，城市污水的熱量最高，約占總體的39%[7]。在尚未利用的城市低位能源中，城市污水因一年四季的變化幅度小數(shù)量穩(wěn)定，賦存的熱量較大，易于通過現(xiàn)有的城市污水管道進(jìn)行收集等特點(diǎn)，被公認(rèn)為是可回收和利用的清潔能源。

可以說，有效回收和利用城市熱能，將是城市污水熱能資源化的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。

2　成都市生活污水熱能特性

2.1成都地區(qū)生活污水溫度特性

污水的溫度與污水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有很大關(guān)系[8]。研究生活污水溫度對(duì)城市污水熱能回收的發(fā)展至關(guān)重要。

2.1.1污水溫度實(shí)測(cè)

為了獲得成都地區(qū)原生污水的溫度特性，選擇成都某酒店污水排放干渠常年監(jiān)測(cè)污水的溫度。酒店的污水通過該污水管道流向市政管網(wǎng)，污水干渠埋深為1.0m。實(shí)驗(yàn)采用Testo 176-T3溫度記錄儀記錄原生污水溫度，熱電偶采用T型熱電偶。溫度記錄儀懸掛于檢修井壁，兩個(gè)熱電偶探頭安裝于管井上游方向，兩個(gè)安裝于管井下游方向，見圖1。測(cè)試時(shí)間為2014年1月21日～2014年12月3日，每1分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，共運(yùn)行7608h。

圖1　污水溫度測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 The temperature measuring system of sewage

2.1.2成都地區(qū)污水溫度特點(diǎn)

對(duì)成都某酒店污水干管中污水溫度長期監(jiān)測(cè)的結(jié)果見圖2，圖中還對(duì)比了成都地區(qū)室外月平均溫度。數(shù)據(jù)表明污水月平均最高溫度與最低溫度分別出現(xiàn)在7月和1月，其溫度相差10.6℃，而室外氣溫相差20.5℃。本文作者還監(jiān)測(cè)了成都市某污水廠一級(jí)污水冬季的溫度，從12月到次年3月的污水平均溫度分別為17.1℃、16.3℃、16.9℃和17.3℃，對(duì)比某酒店排出的污水溫度和污水廠一級(jí)污水的溫度發(fā)現(xiàn)兩者并不一致，這是由于污水廠一級(jí)出水是城市各大污水干渠匯集而來。文獻(xiàn)[9]認(rèn)為大型干渠與小型干渠污水溫度有1～2℃的差別，一般大型干渠比小型干渠埋設(shè)要深，冬季其埋設(shè)處土壤溫度更高，污水溫度損失小。此次監(jiān)測(cè)的某酒店污水管道埋深只有1m，受土壤溫度影響較大。一般情況下，大型污水干渠中冬季污水的溫度比此次所測(cè)高，夏季污水溫度比此次所測(cè)更低。

圖2　某酒店污水月平均溫度與室外月平均溫度的比較Fig.2 The comparison between the monthly mean temperature of sewage and outdoor air

污水溫度的季節(jié)變化幅度比室外溫度的變化幅度小，冬暖夏涼。因此，污水冷熱源具有很好的冷熱特性，比空氣源更有優(yōu)勢(shì)。

2.2成都地區(qū)生活污水流量特性

污水的熱能特性不光受到污水溫度的影響，同樣受到污水量的影響。隨著城市市政排水工程的不斷完善，城市人均能源消耗水平進(jìn)一步提高，生活污水的流量不斷升高。成都地區(qū)近年污水處理能力和污水廠的數(shù)量統(tǒng)計(jì)見表1。

表1　成都地區(qū)近年污水處理能力及污水處理廠數(shù)量Table 1 The sewage capacity and the number of treatment plants of Chengdu in recent years

自2007年到2013年，成都市污水處理能力翻倍，污水廠的數(shù)量更是發(fā)生了質(zhì)的飛躍。成都市污水?dāng)?shù)量巨大，污水處理相關(guān)配套設(shè)施比較完善。成都市“十二五”規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)了“城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)工程”的建設(shè)要求，統(tǒng)籌構(gòu)建大中小微結(jié)合，多形態(tài)、多層次、多工藝的城鄉(xiāng)污水處理設(shè)施體系。這些都為污水熱能回收利用匯集了充足的污水源，提供了更便利的條件。

3　成都地區(qū)污水熱能回收利用潛力分析

客觀有效地評(píng)價(jià)城市污水熱能回收技術(shù)的節(jié)能與環(huán)保價(jià)值，能進(jìn)一步明確其應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?。根?jù)尹軍教授在《城市污水再生及熱能利用技術(shù)中》中“城市污水回收利用系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算與分析”的方法，從成都地區(qū)污水熱能回收利用節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的角度進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，按照一般城市熱供給系統(tǒng)，設(shè)定了城市污水熱能回收利用系統(tǒng)及其比較系統(tǒng)。以下污水熱能潛力分析中的評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法和數(shù)據(jù)均來自參考文獻(xiàn)[3]。

在計(jì)算分析過程中，制冷系數(shù)和制熱系數(shù)采用日本城市污水處理廠污水熱能回收利用系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，制冷系數(shù)為4.6，制熱系數(shù)為4.3；污水進(jìn)出口溫差，制冷時(shí)設(shè)定為5℃，制熱時(shí)設(shè)定為3.3℃；空氣源熱泵制熱（冷）系數(shù)，制熱系數(shù)3.52，制冷系數(shù)4.0；鍋爐效率設(shè)定為68%，電力輸送效率設(shè)定為28%；電力單價(jià)與燃料單價(jià)的設(shè)為5.0，燃料單價(jià)設(shè)定為0.04元/Mcal。污水量取成都市2013年污水總量2.24×106m3/d，成都市地區(qū)面積12390km2。

3.1賦存量評(píng)價(jià)

（1）成都市污水中賦存的熱量為3.10×1010kJ/d，賦存的冷量為4.69×1010kJ/d。

（2）成都市污水中賦存的可利用冷量3.85×1010kJ/d；賦存的可利用熱量4.04×1010kJ/d。

（3）成都市污水中賦存的可利用熱量密度3125MJ/(d·km2)。

文獻(xiàn)[10]探討了我國主要城市污水中可利用熱能的狀況，根據(jù)熱力供需類型劃分，成都市屬于污水中熱需要量密度高、可利用密度較高的第二類城市。計(jì)算結(jié)果同樣表明，成都市地區(qū)污水中儲(chǔ)存的可利用熱量密度較高，說明成都地區(qū)污水中賦存的熱能量很大。

3.2節(jié)能經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

城市污水熱能回收利用系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要考慮了節(jié)能運(yùn)行費(fèi)用因素，用以說明城市污水熱能回收利用的經(jīng)濟(jì)效果。

（1）成都市污水熱能利用系統(tǒng)與以往鍋爐系統(tǒng)相比，其節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用為1.80×105元/d。

（2）污水源熱泵系統(tǒng)與鍋爐系統(tǒng)比的節(jié)能量為5.94×1010kJ/d。

（3）與空氣源熱泵相比，污水源熱泵制熱時(shí)投入能量削減量為2.08×109kJ/d；制冷時(shí)投入能量削減量為1.26×109kJ/d。

3.3環(huán)保性評(píng)價(jià)

城市污水熱能回收利用系統(tǒng)環(huán)保性的評(píng)價(jià)指標(biāo)[11]主要考慮CO2、NOx、SO2及粉塵等污染物削減量和CO2削減密度等因素。與使用鍋爐供暖和空氣源熱泵系統(tǒng)相比污染物的排放削減量見表2。

由于節(jié)省了大量的一次能源，燃煤、燃?xì)馑a(chǎn)生的CO2、SO2、NOx、粉塵等污染物將明顯減少。

從上述節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性的計(jì)算結(jié)果可以看出，污水熱能的回收利用了城市廢熱，提高了城市的能源利用率，可以替代一部分高品位能源，節(jié)省大量費(fèi)用，除了可以降低污染物的排放還減輕了城市熱島效應(yīng)。

表2　與鍋爐和空氣源熱泵相比污水源熱泵系統(tǒng)污染物排放削減量Table 2 Pollutant emission reduction of sewage source heat pump system compared with boiler and air source heat pump

4　結(jié)論

目前，國外城市污水熱能利用的研究正在逐漸走向深入，我國城市污水熱能的利用研究起步較晚，與世界發(fā)達(dá)國家存在較大差距，能源利用率低，能源消費(fèi)較大。但我國有豐富且穩(wěn)定的污水資源，為污水熱能回收利用提供了條件。

（1）通過測(cè)量成都某酒店污水管道的原生污水溫度，污水月平均最高溫度與最低溫度分別出現(xiàn)在7月和1月，其溫度相差10.6℃，而室外氣溫相差20.5℃。從污水的溫度可以看出成都的污水適宜作為污水源熱泵的冷熱源。

（2）近年來，成都污水廠和污水總量不斷增加，為污水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用提供了充足的水源。

（3）通過成都市污水熱能的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性評(píng)價(jià)，證明成都地區(qū)污水中賦存的熱能量較大，污水源熱泵系統(tǒng)在成都具有很好的應(yīng)用前景。

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Potential Analysis of Sewage Heat Energy Recovery in Chengdu

Sun Jie Yu Nanyang
( Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

【Abstract】In order to study the capacity of sewage cooling and heating source in Chengdu, this paper measures the full-year temperature of sewage of a hotel in Chengdu, statistics the number of sewage treatment plant and sewage discharge in recent years, calculates and analyze the capacity of recovery and utilization of sewage from the perspective of energy saving, economic and environmental protection. The analysis results show that the temperature annul change of sewage in Chengdu is small, sewage discharge is huge and stable, the capacity of sewage cooling and heating source is great, and sewage source heat pump is more energy, more economical and more green.

【Keywords】municipal sewage; sewage cooling and heating source; potential analysis; Chengdu region

中圖分類號(hào)X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)：1671-6612（2016）01-078-04

基金項(xiàng)目：四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2012GZX0086）

作者簡(jiǎn)介：孫杰（1989.03-），女，在讀碩士研究生，E-mail：sunjie75208@163.com

通訊作者：余南陽（1961.02-），男，博士研究生，教授，E-mail：rhinos@126.com

收稿日期：2015-05-13