污水源熱泵技術(shù)在城市住宅供熱中的應(yīng)用研究

摘 要：隨著人民生活水平的不斷提升，城市污水的排放量逐年增加，為了滿足當(dāng)前社會(huì)對(duì)污水處理的需求，國(guó)家相關(guān)部門大力建設(shè)城市污水處理廠，污水處理廠二級(jí)出水的質(zhì)量較好，可以視為一種優(yōu)質(zhì)的熱能資源，來(lái)對(duì)城市居民住宅進(jìn)行供熱，為社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文從污水源熱泵技術(shù)工作原理入手，闡述國(guó)內(nèi)外污水源熱泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，進(jìn)一步提出污水源熱泵技術(shù)在城市住宅供熱中的應(yīng)用建議。

關(guān)鍵詞：污水源熱泵技術(shù)；住宅供熱；污水熱能

城市污水作為一種低焓熱能資源，可以為城市居民住宅提供熱能，以此來(lái)進(jìn)行住宅供熱和供冷，水熱源泵具有明顯優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)水熱源泵的污水具有熱容量大和傳熱性好的特點(diǎn)[1]，因此可以充分利用污水源熱泵系統(tǒng)的熱能資源。目前我國(guó)正在大力推廣污水源熱泵技術(shù)，現(xiàn)已在北京、上海、西安、天津、石家莊、太原、呼和浩特、哈爾濱等城市建設(shè)多項(xiàng)污水源熱泵系統(tǒng)工程。

一、污水源熱泵技術(shù)工作原理及應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）污水源熱泵系統(tǒng)工作原理

污水的主要特征是與環(huán)境之間存在一定的溫差，冬天，污水中的低焓熱能釋放到住宅之中，為居民供熱；夏天，污水會(huì)吸收住宅內(nèi)的多余熱量，達(dá)到制冷的效果。這主要是由于冬天時(shí)，污水的溫度比居民住宅溫度要高，蒸發(fā)器的低溫?zé)嵩催M(jìn)水溫度越高，系統(tǒng)能效比（COP）就越大[2]，供熱效果也就隨之提升；反之，夏天污水溫度比住宅的溫度較小，因此冷凝器低溫?zé)嵩吹倪M(jìn)水溫度越低，系統(tǒng)能效比（COP）越大，污水源熱泵系統(tǒng)的制冷效果更加明顯。

（二）國(guó)外污水源熱泵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

污水源熱泵技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代，北歐一些國(guó)家率先研發(fā)利用城市污水來(lái)進(jìn)行居民供熱，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，瑞典、挪威等國(guó)家的污水源熱泵系統(tǒng)先后投入運(yùn)行，尤其是瑞典，在20世紀(jì)80年代初期，建立了多個(gè)大型熱泵站，是當(dāng)時(shí)污水源熱泵技術(shù)的代表。

（三）國(guó)內(nèi)污水源熱泵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)

我國(guó)的污水源熱泵技術(shù)研究從21世紀(jì)初開始，北京市高碑店污水處理廠在2000年開始投入使用，隨后北京市奧運(yùn)村污水源熱泵站、河北秦皇島污水處理廠、北小河污水處理廠等污水源熱泵相繼建立，為了確保污水源熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)先后頒布了《城市污水回用設(shè)計(jì)規(guī)范》、《城市污水再生利用標(biāo)準(zhǔn)》、《城市污水再生利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、《城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》等多項(xiàng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，促使我國(guó)污水源熱泵技術(shù)的研發(fā)速度有了明顯提高。但是，污水源熱泵技術(shù)研發(fā)成果利用率仍然較低，同時(shí)缺乏相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的約束，在一定程度上制約了我國(guó)污水源熱泵技術(shù)的發(fā)展。

二、城市污水熱能資源潛力分析

污水源熱泵技術(shù)主要依托于污水處理廠排出的城市廢水，因此對(duì)污水處理廠的處理量有一定需求。近年來(lái)我國(guó)在大力進(jìn)行城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，對(duì)著城市排放污水量逐年增加，所以國(guó)家也在不斷建設(shè)污水處理廠，以滿足城市生活的需要。國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的調(diào)查報(bào)告中明確介紹，截止到2016年，全國(guó)共有3542座城鎮(zhèn)污水處理廠，平均日處理污水量達(dá)到1.7億噸，通過(guò)上述數(shù)據(jù)能夠看出，城市污水熱能資源潛力極大，可以滿足城市居民住宅供熱供冷需要。

另一方面，污水的溫度對(duì)污水源熱泵系統(tǒng)的影響很大，因?yàn)槲鬯礋岜孟到y(tǒng)中，主要是依靠污水自身的低焓熱能來(lái)進(jìn)行供熱和供冷，經(jīng)過(guò)城市污水處理廠的污水，溫度變化程度較小，與空氣相比，污水的溫度變化明顯偏小，因此可以作為城市居民住宅熱能資源，在北方地區(qū)，冬季污水溫度高于室溫20以上，夏季污水溫度低于室內(nèi)環(huán)境溫度15度左右。

三、污水源熱泵技術(shù)在城市住宅供熱中的應(yīng)用建議

（一）利用污水與環(huán)境溫差獲取熱能

污水源熱泵技術(shù)是利用城市生活污水或二級(jí)出水來(lái)獲取熱能，充分利用了城市污水中的廢熱，采取污水源熱泵技術(shù)來(lái)進(jìn)行供熱或制冷，能夠有效保護(hù)和節(jié)約其他能源。污水源熱泵系統(tǒng)中，僅僅是利用了污水本身帶有的熱量，對(duì)水質(zhì)不會(huì)造成二次破壞，另外，污水源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)有所不同，在供熱過(guò)程中不需要進(jìn)行燃燒，所以不會(huì)造成環(huán)境污染，對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)起到了積極影響，因此污水源熱泵系統(tǒng)的市場(chǎng)前景良好。另一方面，污水源熱泵機(jī)房占地面積較小，但是其工作效率很高，能夠節(jié)省大量的機(jī)房土地，降低了污水源熱泵技術(shù)機(jī)組的運(yùn)行和投資費(fèi)用。

（二）選擇適宜的熱源距離

污水源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)是“小溫差，大流量”，污水源熱泵系統(tǒng)輸送管線的管徑要比傳統(tǒng)供熱管線大，因此對(duì)輸送管網(wǎng)的要求較高，如果熱源與城市居民住宅較遠(yuǎn)，會(huì)導(dǎo)致污水輸送管道較長(zhǎng)、污水源熱泵的功率消耗較大、熱量流失較多，相應(yīng)的費(fèi)用較高，反之，如果熱源與住宅距離較短，那么管道短、功率消耗小、熱量流失少，能夠有效降低工程建設(shè)費(fèi)用，同時(shí)供熱效果也較為明顯。由此可見，適宜的熱源距離是建造污水源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵，應(yīng)在污水源熱泵系統(tǒng)建設(shè)之前，分析和總結(jié)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而找到合適的熱源距離，保證污水源熱泵系統(tǒng)的效果。

以北京市高碑店污水處理廠為例，其污水源熱泵系統(tǒng)的輸送距離和熱能消耗主要利用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

（其中，V是體積流量；G是質(zhì)量流量；ρ是網(wǎng)管里水的密度；Qq是污水中的熱量；Δt是污水輸送溫差；R是輸送管網(wǎng)的阻力；a1是阻力百分比；as是污水源熱泵余量系數(shù)；ΔH是換熱設(shè)備阻力；ΔP是循環(huán)水系統(tǒng)阻力；Ns是水泵能耗；η是水泵效率）

通過(guò)上述三個(gè)公式，能夠得出輸送距離與輸送能耗之間的關(guān)系，以此來(lái)確定更為科學(xué)、合理的輸送距離，實(shí)現(xiàn)熱能利用最大化。

（三）通過(guò)污水熱能實(shí)現(xiàn)污水資源化

國(guó)際能源機(jī)構(gòu)曾經(jīng)預(yù)測(cè)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展離不開各種能源，當(dāng)前世界人口和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)速度，在2025年世界對(duì)能源的需求將會(huì)提高100%，因此世界各國(guó)都在積極研究節(jié)能減排項(xiàng)目，避免大范圍內(nèi)出現(xiàn)能源危機(jī)，進(jìn)而影響經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。由此可以看出，可再生能源的研發(fā)和投入使用十分重要，同時(shí)為了防止生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步惡化，綠色能源的重要性得以凸顯。

現(xiàn)階段我國(guó)已經(jīng)意識(shí)到能源和生態(tài)環(huán)境的重要性，并制定了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，改變傳統(tǒng)依靠煤炭、石油供熱的局面，轉(zhuǎn)變?yōu)楦迎h(huán)保的天然氣、電能、太陽(yáng)能供熱策略，但由于清潔能源的研發(fā)程度較低，所以在利用上存在一定的弊端，而污水源熱泵技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)能夠投入到實(shí)際運(yùn)行之中。因此應(yīng)進(jìn)一步調(diào)整能源消耗結(jié)構(gòu)，污水熱能作為一種綠色環(huán)保的可再生資源，利用污水源熱泵技術(shù)將城市污水進(jìn)行回收和利用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污水資源化。污水源熱泵系統(tǒng)具有極高的系統(tǒng)能效比（COP），其供熱供冷效果較為明顯，同時(shí)節(jié)能效果較大，市場(chǎng)前景較好。所以，應(yīng)推廣污水熱能的利用模式，將污水源熱泵技術(shù)投入到城市建設(shè)中，從而實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，污水熱能資源十分豐富，利用污水處理廠的二級(jí)出水能夠?yàn)榫用褡≌峁崮埽瑥亩鴮?shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的節(jié)能和環(huán)保，因此應(yīng)重視對(duì)污水源熱泵技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，使污水熱能被進(jìn)一步開發(fā)，進(jìn)而改善供熱系統(tǒng)能源消耗結(jié)構(gòu)，為我國(guó)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫春錦，吳榮華，孫源淵等.污水源熱泵技術(shù)研究現(xiàn)狀及分析[J].暖通空調(diào)，2015（9）：49-53.

[2]李國(guó)輝，邸望，劉寧等.污水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展前景[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016（14）：179.

作者簡(jiǎn)介：

劉玲玲（1984-08），性別：女，籍貫：吉林吉林市，學(xué)歷：碩士研究生，職稱：工程師，研究方向：公用設(shè)備設(shè)計(jì)。endprint