成都地区回收污水中热能的潜力分析

孙　杰　余南阳（西南交通大学机械工程学院　成都　610031）



成都地区回收污水中热能的潜力分析

孙杰余南阳
（西南交通大学机械工程学院成都610031）

【摘要】为研究成都地区污水中冷热资源赋存量的大小，测量成都某酒店污水干渠全年污水的排放温度，统计近年成都市污水厂数量和污水排放总量，从节能、经济和环保角度对成都地区污水热能回收利用的潜力进行计算和分析。结果表明，成都地区污水温度冬暖夏凉，全年变化幅度小；污水排放量大且稳定；成都地区污水中冷热资源赋存量大；与传统供暖制冷系统相比污水源热泵系统更节能、经济、环保。

【关键词】城市污水；污水冷热源；潜力分析；成都地区

0　引言

随着国民经济的不断发展，能源危机的不断加深，人民普遍开始关注节约能源、有效利用能源以及开发利用新的替代能源等问题。城市污水作为一种清洁型能源，数量巨大，生成量稳定，可通过热泵回收热能作为建筑物供暖与空调系统的冷热源，具有广阔的市场前景与社会效益。

在节能方面，与电制冷加燃煤锅炉、空气源热泵等建筑冷热源形式相比，污水源热泵系统节能效果更好，运行费用更低。日本东京Koraku-chome污水源热泵系统的制热性能比空气源热泵和水源热泵空调系统提高了60%，比空气源热泵节电20%[1]。在减排方面，日本学者的研究结果表明，污水源热泵系统较空气源热泵空调系统相比可减少68%的CO2排放量和75%NOx排放量[2]。因此，开发城市污水中的低品位能源，对促进我国建设节能型社会和可持续发展具有非常重要的意义。

1　城市污水的热能特性

城市污水热能利用的对象是经处理后的污水或者原生污水，与其他热能相比，城市污水具有以下热能方面的特征[3]。

（1）污水水温适宜，全年变化幅度小

城市污水最大的特点就是冬暖夏凉，重庆市1月室外月平均气温和污水温度分别为28.1℃，21.4℃与最冷月室外温度的差值为19.3℃，污水温差为9.5℃[4]。日本东京1月份的大气和河水温差均为20℃左右，而城市污水温差只有12℃，城市污水的变化幅度小，因为可在全年获得比较稳定的水源，可作为稳定的热源[5]。由于水具有良好的蓄热性能，污水中的热能利用受太阳辐射和气象因素影响较小。

（2）污水的热能利用区域广

目前热泵的发展方向已经从城市二级污水的热能利用发展到可直接回收利用城市污水的热能阶段，因此不受污水厂地点限制，可根据城市污水管网情况和用户需要，灵活进行利用，从而扩大城市中的使用区域。

（3）热量的赋存量高

由于城市污水冬夏与室外气温相差7～10℃[6]，故其中蕴藏着大量的低位能源。据东京下水道局的测算，在有可能加以利用的城市热能中，城市污水的热量最高，约占总体的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变化幅度小数量稳定，赋存的热量较大，易于通过现有的城市污水管道进行收集等特点，被公认为是可回收和利用的清洁能源。

可以说，有效回收和利用城市热能，将是城市污水热能资源化的一项先进技术。

2　成都市生活污水热能特性

2.1成都地区生活污水温度特性

污水的温度与污水源热泵系统运行的经济性有很大关系[8]。研究生活污水温度对城市污水热能回收的发展至关重要。

2.1.1污水温度实测

为了获得成都地区原生污水的温度特性，选择成都某酒店污水排放干渠常年监测污水的温度。酒店的污水通过该污水管道流向市政管网，污水干渠埋深为1.0m。实验采用Testo 176-T3温度记录仪记录原生污水温度，热电偶采用T型热电偶。温度记录仪悬挂于检修井壁，两个热电偶探头安装于管井上游方向，两个安装于管井下游方向，见图1。测试时间为2014年1月21日～2014年12月3日，每1分钟记录一次数据，共运行7608h。

图1　污水温度测量系统示意图Fig.1 The temperature measuring system of sewage

2.1.2成都地区污水温度特点

对成都某酒店污水干管中污水温度长期监测的结果见图2，图中还对比了成都地区室外月平均温度。数据表明污水月平均最高温度与最低温度分别出现在7月和1月，其温度相差10.6℃，而室外气温相差20.5℃。本文作者还监测了成都市某污水厂一级污水冬季的温度，从12月到次年3月的污水平均温度分别为17.1℃、16.3℃、16.9℃和17.3℃，对比某酒店排出的污水温度和污水厂一级污水的温度发现两者并不一致，这是由于污水厂一级出水是城市各大污水干渠汇集而来。文献[9]认为大型干渠与小型干渠污水温度有1～2℃的差别，一般大型干渠比小型干渠埋设要深，冬季其埋设处土壤温度更高，污水温度损失小。此次监测的某酒店污水管道埋深只有1m，受土壤温度影响较大。一般情况下，大型污水干渠中冬季污水的温度比此次所测高，夏季污水温度比此次所测更低。

图2　某酒店污水月平均温度与室外月平均温度的比较Fig.2 The comparison between the monthly mean temperature of sewage and outdoor air

污水温度的季节变化幅度比室外温度的变化幅度小，冬暖夏凉。因此，污水冷热源具有很好的冷热特性，比空气源更有优势。

2.2成都地区生活污水流量特性

污水的热能特性不光受到污水温度的影响，同样受到污水量的影响。随着城市市政排水工程的不断完善，城市人均能源消耗水平进一步提高，生活污水的流量不断升高。成都地区近年污水处理能力和污水厂的数量统计见表1。

表1　成都地区近年污水处理能力及污水处理厂数量Table 1 The sewage capacity and the number of treatment plants of Chengdu in recent years

自2007年到2013年，成都市污水处理能力翻倍，污水厂的数量更是发生了质的飞跃。成都市污水数量巨大，污水处理相关配套设施比较完善。成都市“十二五”规划中强调了“城镇污水处理厂建设工程”的建设要求，统筹构建大中小微结合，多形态、多层次、多工艺的城乡污水处理设施体系。这些都为污水热能回收利用汇集了充足的污水源，提供了更便利的条件。

3　成都地区污水热能回收利用潜力分析

客观有效地评价城市污水热能回收技术的节能与环保价值，能进一步明确其应用发展潜力。根据尹军教授在《城市污水再生及热能利用技术中》中“城市污水回收利用系统评价指标的计算与分析”的方法，从成都地区污水热能回收利用节能、经济和环保的角度进行评价和分析，按照一般城市热供给系统，设定了城市污水热能回收利用系统及其比较系统。以下污水热能潜力分析中的评价指标计算方法和数据均来自参考文献[3]。

在计算分析过程中，制冷系数和制热系数采用日本城市污水处理厂污水热能回收利用系统的实际运行结果，制冷系数为4.6，制热系数为4.3；污水进出口温差，制冷时设定为5℃，制热时设定为3.3℃；空气源热泵制热（冷）系数，制热系数3.52，制冷系数4.0；锅炉效率设定为68%，电力输送效率设定为28%；电力单价与燃料单价的设为5.0，燃料单价设定为0.04元/Mcal。污水量取成都市2013年污水总量2.24×106m3/d，成都市地区面积12390km2。

3.1赋存量评价

（1）成都市污水中赋存的热量为3.10×1010kJ/d，赋存的冷量为4.69×1010kJ/d。

（2）成都市污水中赋存的可利用冷量3.85×1010kJ/d；赋存的可利用热量4.04×1010kJ/d。

（3）成都市污水中赋存的可利用热量密度3125MJ/(d·km2)。

文献[10]探讨了我国主要城市污水中可利用热能的状况，根据热力供需类型划分，成都市属于污水中热需要量密度高、可利用密度较高的第二类城市。计算结果同样表明，成都市地区污水中储存的可利用热量密度较高，说明成都地区污水中赋存的热能量很大。

3.2节能经济性评价

城市污水热能回收利用系统经济性的评价指标主要考虑了节能运行费用因素，用以说明城市污水热能回收利用的经济效果。

（1）成都市污水热能利用系统与以往锅炉系统相比，其节省运行费用为1.80×105元/d。

（2）污水源热泵系统与锅炉系统比的节能量为5.94×1010kJ/d。

（3）与空气源热泵相比，污水源热泵制热时投入能量削减量为2.08×109kJ/d；制冷时投入能量削减量为1.26×109kJ/d。

3.3环保性评价

城市污水热能回收利用系统环保性的评价指标[11]主要考虑CO2、NOx、SO2及粉尘等污染物削减量和CO2削减密度等因素。与使用锅炉供暖和空气源热泵系统相比污染物的排放削减量见表2。

由于节省了大量的一次能源，燃煤、燃气所产生的CO2、SO2、NOx、粉尘等污染物将明显减少。

从上述节能性、经济性与环保性的计算结果可以看出，污水热能的回收利用了城市废热，提高了城市的能源利用率，可以替代一部分高品位能源，节省大量费用，除了可以降低污染物的排放还减轻了城市热岛效应。

表2　与锅炉和空气源热泵相比污水源热泵系统污染物排放削减量Table 2 Pollutant emission reduction of sewage source heat pump system compared with boiler and air source heat pump

4　结论

目前，国外城市污水热能利用的研究正在逐渐走向深入，我国城市污水热能的利用研究起步较晚，与世界发达国家存在较大差距，能源利用率低，能源消费较大。但我国有丰富且稳定的污水资源，为污水热能回收利用提供了条件。

（1）通过测量成都某酒店污水管道的原生污水温度，污水月平均最高温度与最低温度分别出现在7月和1月，其温度相差10.6℃，而室外气温相差20.5℃。从污水的温度可以看出成都的污水适宜作为污水源热泵的冷热源。

（2）近年来，成都污水厂和污水总量不断增加，为污水源热泵系统的应用提供了充足的水源。

（3）通过成都市污水热能的节能性、经济性和环保性评价，证明成都地区污水中赋存的热能量较大，污水源热泵系统在成都具有很好的应用前景。

参考文献：

[1] First DHC system in Japan using untreated sewage as a heat source [OL]. http://gasunie.eldoc.ub.rug.nl/root/ 1997/2039648/.

[2] Beak N C, Shin U C, Yoon J H. A study on the design and analysis of a heat pump heating system using waste water as a heat source [J]. Solar Energy, 2005,78(3): 427-440.

[3]尹军,陈雷,白莉.城市污水的资源再生及热能回收利用[M].北京:化学工业出版社,2003:93-94.

[4]周双.重庆市城市生活污水热能利用研究[D].重庆:重庆大学,2008.

[5] T A sano, M Maeda. Waste water Reclamation and Reuse in Japan：Overview and Implementation Examples [J]. Wat. Sci. Tech, 1996,11:219-226.

[6]牛犇,袁艳平,白力.污水源热泵系统及其在成都地区应用的初步研究[J].制冷与空调,2009,23(3):50-54.

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[8]马最良,姚杨,赵丽莹.污水源热泵系统的应用前景[J].中国给水排水,2003,(7):41-43.

[9]吴荣华,孙德兴,马广兴.城市原生污水冷热资源水参数特性与应用方法评价[J].可再生能源,2005,(5):39-43.

[10]尹军,韦新东.我国主要城市污水中可利用热能状况初探[J].中国给水排水,2001,17(4):27-30.

[11]吴荣华,孙德兴,马广兴.城市污水源热泵系统的节能与环保评价法[J].中国给水排水,2005,21(12):103-106.

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

中图分类号X703

文献标识码A

文章编号：1671-6612（2016）01-078-04

基金项目：四川省科技支撑计划项目（项目编号：2012GZX0086）

作者简介：孙杰（1989.03-），女，在读硕士研究生，E-mail：sunjie75208@163.com

通讯作者：余南阳（1961.02-），男，博士研究生，教授，E-mail：rhinos@126.com

收稿日期：2015-05-13