（大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院 遼寧 大連 116023）

王昌盛，陳禹娜，王勝利，張志鵬，張 琨（通訊作者）

1 引言

城市污水主要以工業(yè)廢水、工業(yè)冷卻水和生活污水為主，是一種非常理想的低位冷熱源，以城市污水作為暖通空調(diào)用能的冷熱源具有獨(dú)特優(yōu)勢。在冬季，城市污水的溫度普遍高于空氣溫度，可用于北方的供暖，而在夏季，污水溫度又普遍低于空氣溫度，制冷效益顯著。其次，水具有很良好的傳熱特性，相對于空氣和土壤源而言，使用污水作為傳熱源顯然更行之有效。早在1987年，日本就已經(jīng)開始計(jì)劃提取污水中的熱能，而到現(xiàn)在就已經(jīng)有12個(gè)污水熱泵系統(tǒng)在運(yùn)作，其中有四個(gè)是使用未經(jīng)處理過得污水作為熱源，其余為二級出水的作為熱源。在我國，水環(huán)境治理方面，2016年鎮(zhèn)污水處理率已超90%，縣城污水處理率超過85%。這些污水中儲藏巨大的低位熱能，將這些污水收集和合理的使用將當(dāng)務(wù)之急[1]。

2 污水源熱泵的工作原理

污熱泵系統(tǒng)是一種綜合利用低位能源通過使用少量的電能獲得大量的能源的節(jié)能技術(shù)。以城市污水作為冬季的冷源、夏季的熱源，通過壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器共同作用完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行[2]。由于冬季水的溫度相比于周圍空氣要高很多，而在夏季水的溫度要低于周圍空氣，故在消耗等量的電能，使用污水熱泵系統(tǒng)顯然會獲得更大量的能量。其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 污水源熱泵工作原理圖

3 熱泵運(yùn)行節(jié)能分析

本次實(shí)驗(yàn)以岳陽市某工程為例：

總建筑面積204530m2，地上建筑面積為135350m2，其中包括酒店、公寓、商業(yè)、辦公等。其中冬季供暖時(shí)間約為90天，運(yùn)行時(shí)間為每天20小時(shí)，采暖室外計(jì)算溫度為-3℃，負(fù)荷系數(shù)設(shè)為0.6；夏季制冷時(shí)約為150天，每天運(yùn)行時(shí)間為每天20小時(shí)，空調(diào)室外計(jì)算溫度為35.4℃，負(fù)荷系數(shù)設(shè)為0.6，年平均氣溫17.5℃，最高溫度為39.6℃，最低溫度為-3.4℃。本次設(shè)計(jì)同時(shí)滿足冬季供暖和夏季制冷需求，經(jīng)計(jì)算最大空調(diào)冷負(fù)荷約為10212kW，最大空調(diào)熱負(fù)荷約為6125kW。表1是不同方案節(jié)能對比。

表1 不同機(jī)組能耗對比

3.1 冬季供暖能耗分析

由上表分析得，冬季污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)約的能源為-1540kW，經(jīng)計(jì)算需多消耗電能3.33×106kW·h(1.49×1010kJ)，全年累計(jì)多消耗電能 2.93×106kW·h(1.314×1010kJ)；消耗天然氣682m3/h，全年采暖時(shí)間累計(jì)消耗天然氣0.737×106m3。電價(jià)按照1元/度，多消耗電費(fèi)166.32萬元，天然氣3元/m3，節(jié)約燃?xì)赓M(fèi)234.366萬元。則冬季總計(jì)節(jié)約234.366-166.32=68.046萬元。

3.2 夏季制冷能耗分析

由表1可知，使用污水源熱泵系統(tǒng)可節(jié)約電功率212kW，則累計(jì)節(jié)約電能 3.81×105kW·h (1.814×109kJ)；節(jié)約水量20m3/h，共計(jì)節(jié)約水量約3.6×104t。按水價(jià)3.4元/噸計(jì)算，則節(jié)約電費(fèi)約37.8萬元，節(jié)約水費(fèi)12.24萬元，總計(jì)37.8+12.24=50.04萬元。

綜合上述分析，全年運(yùn)行可節(jié)約68.046+50.04=118.086萬元。

4 腐蝕和堵塞問題

污水源熱泵雖然可以性能系數(shù)COP很高，有很好的應(yīng)用前景，但城市污水中含有大量污雜物，系統(tǒng)的腐蝕和堵塞直接影響到傳熱系數(shù)和COP，因此污水源熱泵系統(tǒng)的腐蝕和堵塞問題對于系統(tǒng)的正常和高效運(yùn)行至關(guān)重要[3]。

4.1 污水在最初提取的時(shí)候會出現(xiàn)很多的大型雜質(zhì)，在管道中累計(jì)造成管路堵塞或者其他事件，進(jìn)而影響整個(gè)工廠的運(yùn)行。為了減少此類事件的發(fā)生，在污水提取的提取口可以安裝一個(gè)小型的過濾網(wǎng)，在污水收集口進(jìn)行一次初過濾，將大型雜質(zhì)攔截在污水口，這樣只需要定期清理污水口便可以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 污水管材的選取是整個(gè)污水提取中十分重要的環(huán)節(jié)，同時(shí)也是工程中花費(fèi)相對較大的一部分。污水管的選取需要符合以下幾點(diǎn)：

（1）污水管必須要有足夠的強(qiáng)度，能夠承受來自外部的壓力和內(nèi)部水壓的作用。

（2）污水管需要有足夠的耐腐蝕性，同時(shí)也需要能夠抵抗污水中雜質(zhì)的沖刷。

（3）污水管的內(nèi)表面需要足夠光滑，以減少對污水水流的阻力。

（4）出于對工程成本的考慮，管材的選取要盡可能的節(jié)約。

4.3 由于污水中的污染物具有較強(qiáng)的腐蝕性，易在管道中造成堵塞，故本方案采用離心式換熱器。利用水流離心力的作用，形成較大的湍流，使得相鄰污水流層間作不規(guī)則運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱交換的作用。該型換熱器具有初投資小、換熱效率高、占地面積小等優(yōu)勢。

5 結(jié)語

污水源熱泵系統(tǒng)具有傳熱效率高，運(yùn)行效果好，環(huán)境友好性強(qiáng)等有點(diǎn)，可對建筑物冬季供熱和夏季供冷。該系統(tǒng)極大程度節(jié)約了煤炭石油天然氣等化石能源的使用，減少了污染物的排放并緩解了溫室效應(yīng)。

本文通過一個(gè)岳陽市的工程實(shí)例，相比常規(guī)能源系統(tǒng)，使用污水源熱泵系統(tǒng)夏季制冷期150天可節(jié)約電能400.05kWh，節(jié)約水量374.4t，冬季采暖期90天節(jié)約天然氣78.122m3。全年綜合節(jié)約能源費(fèi)用118.086萬元。

通過水處理和優(yōu)化換熱器材質(zhì)，可明顯的預(yù)防和清除系統(tǒng)中的垢類，從而保證換熱效果和系統(tǒng)性能。

[1]尹朝輝，劉芳，王志明，張群力.污水處理廠典型節(jié)能技術(shù)分析[J].建筑科學(xué)，2016：12-16.

[2]周志平，李念平.污水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的節(jié)能減排分析[J].建筑節(jié)能，2012，40(6)：46-49.

[3]趙文秀，姬長發(fā)，李麗霞.污水源熱泵的防除污技術(shù)分析[J].制冷與空調(diào)，2008，5：31-33.