污水源热泵发展现状及在上海的应用前景

裘湛

（上海城投污水处理有限公司，上海市 201203）

防洪排水

污水源热泵发展现状及在上海的应用前景

裘湛

（上海城投污水处理有限公司，上海市 201203）

城镇污水具有水量大、水温水质稳定以及冬暖夏凉的特点，是一种余热型低品位清洁能源。将其作为污水源热泵的冷热源可为城镇建筑物等提供区域供热或制冷，具有较好的经济效益和环境效益。对污水源热泵的分类、国内外发展现状及关键技术问题进行了阐述，并以上海为例估算了该技术的节能减排潜力。研究结果表明，污水源热泵是一种技术经济上可行并兼具环境效益的城市污水综合利用方法。

城镇污水；污水源热泵；节能减排

0 引言

随着社会经济的发展，我国废水排放总量和城镇污水排放量每年以3%～8%的速度增加，相应地，我国污水处理率也在逐年增高。截至2014年，我国城市污水的处理率已达87%。2016年，上海城镇污水处理厂的日处理水量已接近700万m3/d。城镇污水具有水量大、水温水质稳定、冬暖夏凉的特点，为污水资源化创造了基本条件[1]。将赋存于处理或未处理的城市污水中的热能加以有效利用是城市污水热能资源化的一项新技术，节能减排潜力巨大。和常见的空气源热泵相比，污水源热泵具有较高的性能系数[2]。此外，污水源热泵不需要消耗化石能源，不产生二次污染，是一种技术经济上可行并兼具环境效益的城市污水综合利用方法[3]。

污水源热泵系统按其使用的污水源的状况可分为原生污水源热泵系统、一级污水源热泵系统和二级污水源热泵系统[3]。以原生污水作为热源/热汇的污水源热泵系统，污水可以直接从排水管网中提取，热能就近使用且热能高，但原生污水成分复杂，容易导致堵塞、腐蚀热泵等问题。以污水处理厂一、二级出水或中水作为热源/热汇，可减少腐蚀问题，但污水经过多步处理后温度下降，所含热能降低。按污水与热泵的热交换器接触与否，分为直接换热式和间接换热式污水源热泵。直接换热式系统效率高、节能效果好，是污水源热泵系统的发展趋势[4]。但是，由于结垢和阻塞等问题尚未解决，目前技术上比较成熟、工程上普遍采用的是间接换热式系统。

将污水源热泵技术与城镇污水结合起来回收污水中的热能，不仅是城镇污水资源化的新方法，更是改善城市夏季制冷和冬季供暖的有效途径。本文首先回顾污水源热泵在国内外的发展应用现状，之后对污水源热泵的关键技术进行综述，最后结合上海的实际情况对该技术的应用进行展望。

1 污水源热泵国内外发展现状

1.1 国外污水源热泵发展现状

20世纪80年代，瑞典、挪威、日本等发达国家相继开展了污水源热泵的相关应用研究与工程实践[5-7]，其中瑞典的斯德哥尔摩是首个污水源热泵系统的诞生地[8]。近年来，随着污水源热泵技术日臻完善以及技术的推广应用，国外发达国家积累了大量经验。瑞典、挪威等国大规模建设了大型的污水源热泵站用于城市区域供热，通过研发直接提取的方式最大化地利用了污水低位热能。日本等国研制开发了自动化旋筛与清污过滤器，实现了污水换热器的自动换向清洗功能，从而解决了污垢热阻带来换热器总传热系数降低的问题[9]。

1.2 国内污水源热泵发展现状

国内对污水源热泵的研究始于20世纪80年代，但发展较慢。2000年，北京高碑店污水处理厂建立了国内第一个污水源热泵系统，标志着我国污水源热泵系统的研究进入了一个新的时代。近20年来，由于能源需求与环境形势发展，利用污水源热泵回收污水热能的研究与应用逐渐展开，污水源热泵在各地污水处理厂中逐渐推广应用，主要包括：青岛市团岛污水处理厂[10]、沈阳沈水湾污水处理厂[11]、天津纪庄子污水厂[12]、承德和烟台等地污水处理厂[13]、无锡（太湖）国际科技园[14]、北京南站能源站[15]、南昌市青山湖区城市综合体项目[16]。这些项目的运行经验表明，与传统燃煤锅炉和空气源热泵等技术相比，污水源热泵在烟尘、CO2、NOX、SOX减排方面具有明显优势。

目前国内污水源热泵工程以间接式污水源热泵系统为主，通常采用经过处理的二级污水。比较而言，北方地区应用污水源热泵的案例较多。值得注意的是，由于气候环境的差异，污水源热泵系统在不同地区体现的性能特点存在较大差异，其在不同地区应用时的设计、运行操作等不能一概而论[17]。在污水处理厂利用污水源热泵提取污水中的热能用于污泥低温干化、污泥高温厌氧消化系统[18]等污泥处理系统的热源也得到了研究人员的关注，是近年来新的研究方向。总的来看，目前国内污水源热泵应用的供热、供冷面积仍然较小，污水源热能利用在全国范围内仍大有潜力。

2 污水源热泵关键技术研究进展

2.1 污水流动及换热特性研究

城市污水是生活污水、城市降雨以及纳管工业废水的混合物，组成复杂，含有大量溶解性化合物和胶体态化合物，是一种固液两相、固相多组分流体。污水水质对污水源热泵中换热器表面阻塞和腐蚀等具有重要影响。由于污水固相成分的复杂性，无法建立精确的两相流数学模型，目前多以单相非牛顿流模型求解污水宏观的湍流流动与换热特性，然而关于非牛顿流的湍流流动换热问题，由于实际的应用很少，相关的理论模型与计算方法并不成熟，尚处于研究探索阶段。

哈尔滨工业大学的吴荣华[19]等以管壳式的污水换热器为研究对象，连续测试了污水流量、温度等随时间的变化，通过反算得出不同雷诺数下的换热系数，给出了污水管内流动换热的准则关联式。中国矿业大学的吴学慧[20]等研究发现原生污水具有典型的非牛顿幂率流特性，污水的换热系数约为同管径、同流速下清水的0.85～0.90倍。国内大连理工大学、重庆大学等[21，22]高校也对污水的流动与换热特性进行了相关研究。

2.2 污垢形成机理及去垢技术

污水中的杂质长时间在管道及换热器内流动时，易产生结垢现象，从而降低换热器总体传热系数，削弱换热效果。当前对污垢的形成机理研究主要聚焦于利用最新的污垢检测技术及拟合方法，对污垢生长规律进行更精确的预测。在污垢预测模型研究方面，最成熟的当属 1959年的Kern-Seaton模型[23]，后来学者在此基础上做了大量改进。Zubair等[24]采用解决组合问题的方法研究了污垢生长规律。国内樊绍胜等[25]分别对硬垢及软垢建立了两个模型，然后综合得到一个新的模型，经现场试验证明该模型预测结果误差较小。

防止污物对管路的阻塞是污水源热泵系统良好运行的关键技术之一。目前解决管道内的阻塞问题通常采用的设备包括：（1）过滤格栅；（2）滤面水力连续再生装置；（3）自动筛滤器；（4）转筒式及转轮式防阻器。目前国内应用最广、技术最成熟的是污水连续再生过滤装置[26]。

2.3 换热器材质及选型研究

腐蚀和堵塞是污水换热器遇到的最主要的问题，选择合适的换热器可以大大减轻污垢的影响。按其材质类型，可分为金属换热器和非金属换热器。金属换热器按其结构可分为板式换热器、淋激式换热器和壳管式换热器。非金属换热器则主要包括各种结构的塑料管换热器或铝塑复合管换热器等。由于污水水质的特殊性以及金属防腐方法的局限性，目前国内已应用的污水源热泵系统均采用间接式系统，污水换热器以采用非金属类沉浸式污水换热器居多，非金属材料则主要采用塑料及各类复合塑料等。哈尔滨工业大学的白莉、尹军和吉林大学的廖资生成功地获得了用塑铝管间接换热回收污水热能的技术方法[27]，解决了污水热能利用中的换热设备腐蚀问题，为污水热能实际工程应用奠定了技术基础。

3 污水源热泵在上海的应用前景

图1为上海某污水处理厂进水水温与环境温度的对比图。由图可知，上海的污水温度冬季一般为15℃左右，夏季一般为23～25℃，全年多数时间稳定在平均温度23～24℃，具有明显的冬暖夏凉的特点，满足水源热泵在制热工况水温12～22℃、在制冷工况水温18～30℃的要求。夏季6、7、8三个月为制冷季可以作为冷源，其平均温差为4.16℃；冬季11、12、1三个月为采暖季可以作为热源，其平均温差为8.21℃。

以上海的数据为计算基础，对污水源热泵的节能减排潜力进行了估算。采用申传涛等人[16]的计算方法计算可回收热能或冷能的潜力，以及污水源热泵与传统燃煤锅炉、风冷冷水机组相比的节能效果和污染物减排量，其中污水量取700万m3/d，污水源热泵的平均制热系数和制冷系数依据尹军[28]的研究分别取值为4.3、4.6。经过计算得到，夏季最大可利用冷量为D=1.002 1011KJ/d，冬季最大可利用热量G=3.135 1011KJ/d。

图1 上海某污水处理厂水温与环境温度对比图

在以上基础上，进一步计算采用污水源热泵系统后，夏季制冷期和冬季采暖期的节能效果和污染物减排量。以上海某污水处理厂研发中心大楼为例进行分析。该大楼设计为一栋多层梁柱钢结构生态节能建筑。大楼一楼主要布置门厅、茶水间、配电间、药品库、样品预处理室、配药间、分析室和综合实验室。大楼二楼则主要布置接待室、办公室、会议室和宿舍。根据不同房间对冷热量的需求，并结合房间的面积进行大楼的制冷和供暖负荷计算，得到大楼制冷和供暖负荷分别为108.4 kW和52.6 kW。根据国家规定的污染物排放定额，对该大楼利用污水源热泵系统在污染物削减方面的潜在值进行了预测。计算得到在冬季供暖时，污水源热泵系统与传统燃煤锅炉相比，每日节煤量为138.3 kg，在夏季制冷时，污水源热泵系统与风冷冷水机组相比，每日节电量为84.8 kWh。污染物减排量计算结果见表1。从表1中可知，污水源热泵的采用对冬夏两季温室气体和粉尘减排效果明显，在冬季供暖期间的污染物减排效果优于夏季。这对于大型城市节能减排具有重要意义。

表1 某污水源热泵系统污染物减排量

4 结论

污水源热泵在国内外污水处理工程中均有较多成熟的商业运作案例，污水除垢的前置处理方法、污垢形成机理研究等均较成熟，但换热特性及污水流动的模型研究仍处于探索阶段。以上海为例，比较了污水源热泵与传统燃煤锅炉及风冷冷水机组的能源消耗和污染物排放。研究结果表明，污水源热泵的使用具有明显的节能减排效益。综上所述，污水源热泵在城市污水余热回收利用领域具有非常好的应用前景。这一技术的应用对开发上海城镇污水资源，优化上海能源结构具有十分重要的现实意义。

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TU992.25

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1009-7716（2017）04-0110-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.032

2017-01-06

裘湛（1977-），男，浙江杭州人，博士，高级工程师，研究方向为污水处理厂运行管理技术。