湯家源TANG Jia-yuan；饒國(guó)燃RAO Guo-ran

（①中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，成都610081；②北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，珠海519088）

0 引言

近些年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排支持力度的加大，各種節(jié)能技術(shù)發(fā)展迅速，熱泵技術(shù)作為低品位熱能利用中一種重要技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。城市污水通常流量大而且穩(wěn)定，溫度波動(dòng)小，從能源利用上可作為污水源泵的理想熱源。利用污水源熱泵技術(shù)，能有效利用蘊(yùn)藏在污水中的熱能，可作為生活或生產(chǎn)提供冷熱源，具有明顯的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

1 概述

污水源熱泵起源于上世紀(jì)70 年代末，在80 年代開始有了工程應(yīng)用，經(jīng)過(guò)三十幾年的發(fā)展，污水源熱泵在日本和歐美已有了比較成熟的發(fā)展，歐美污水源熱泵主要以大型化應(yīng)用為主，已發(fā)展出一套成熟的污水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用體系，日本污水源熱泵主要是取水和換熱方面研究較多，也發(fā)展了一套成熟的污水源熱泵理論體系。

國(guó)內(nèi)污水源熱泵起步較慢，但經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，目前各大城市也有了很多應(yīng)用案例，除了實(shí)際污水源熱泵工程應(yīng)用外，污水源熱泵技術(shù)主要是針對(duì)理論體系和應(yīng)用體系的研究，很多技術(shù)和理論還需要進(jìn)一步的深化和發(fā)展[1]，本文對(duì)珠海前山河流域污水熱能進(jìn)行研究，主要針對(duì)珠海前山河流域情況進(jìn)行污水源泵節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益的評(píng)估。

2 溫度特性研究

2.1 污水水溫監(jiān)測(cè)

為獲得前山河流域污水的溫度特性，對(duì)前山河流域某污水排放干渠進(jìn)行全年污水溫度監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1 所示。

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，全年監(jiān)測(cè)水溫最高為29.5℃，最低水溫為9.5℃，全年最高溫差為20℃。最低溫出現(xiàn)在1 月份，最高溫度出現(xiàn)在7 月份，溫度波動(dòng)較大的月份為1 月和2 月。全年水溫波動(dòng)較小，總體水溫較高，適合污水源熱泵進(jìn)行制冷或制熱運(yùn)行。

2.2 不同埋深水溫計(jì)算

城市污水很常用地下地埋管進(jìn)行排放，污水管埋深大型干渠埋深較深，小型污水渠填埋較淺。埋深不同的污水管中污水的溫度是有所不同的，原因是地下污水溫度受到地下不同深度的土壤溫度的影響，通過(guò)不同埋深的土壤溫度可以研究對(duì)應(yīng)地下污水的水溫特性。

污水管道不同埋深處土壤的溫度計(jì)算式為[2]：

式中：t——污水管網(wǎng)埋深處的土壤溫度，°C；

tm——地表面平均溫度，°C；

Aw——地表波動(dòng)周期內(nèi)溫度波動(dòng)振幅，°C；

x——污水管埋深，m；

a——土壤導(dǎo)熱系數(shù)，0.617×104m2/s；

T——計(jì)算溫度波動(dòng)周期，d；

τ——計(jì)算時(shí)間點(diǎn)，d。

計(jì)算得到前山河流域地區(qū)不同深度土壤的逐月平均溫度，如圖2 所示。

地下污水溫度波動(dòng)比地表小，隨著埋深的增加，溫度更趨于穩(wěn)定，埋深10m 以后污水溫度全年波動(dòng)很小，基本維持穩(wěn)定在同一溫度水平。在夏天地下污水溫度低于環(huán)境空氣溫度，有利于污水源熱泵的制冷運(yùn)行，在冬天地下污水溫度高于環(huán)境空氣溫度有利于污水源熱泵制熱運(yùn)行。

圖1 全年污水溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖2 前山河流域地區(qū)不同深度土壤的逐月平均溫度

3 污水熱能節(jié)能效益分析

利用城市污水進(jìn)行污水源熱泵可以提取冷量或熱量進(jìn)行利用，提取的熱能潛力跟污水量，污水源熱泵進(jìn)出水口溫差和污水源熱泵制冷制熱效率有關(guān)。根據(jù)預(yù)測(cè)珠海市2020 年全市污水量144.00 萬(wàn)m3/d，2030 年全市污水量209.80 萬(wàn)m3/d。根據(jù)實(shí)際污水源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，污水源制冷時(shí)污水進(jìn)出口溫差設(shè)定為5°C，熱泵制冷系數(shù)取4.6，污水源熱泵制熱時(shí)污水進(jìn)出口溫差設(shè)定為3.3°C[3]。計(jì)算公式如式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）所示，污水節(jié)能效益分析結(jié)果如表1 所示。

3.1 污水源熱泵污水中所能提取的冷量

式中：Q——污水源熱泵污水中所能提取的冷量，kJ/d；

B——城市污水量，kg/d；

Δt1——污水源熱泵制冷時(shí)污水進(jìn)出水溫差，°C；

C——水的比熱容，kJ/（kg°C）。

3.2 污水源熱泵污水中所能提取的熱量

式中：Q——污水源熱泵污水中所能提取的熱量，kJ/d；

B——城市污水量，kg/d；

Δt2——污水源熱泵制熱時(shí)污水進(jìn)出水溫差，°C；

C——水的比熱容，kJ/（kg°C）。

3.3 熱泵制冷時(shí)能提供的冷量Q1

式中：Q1——熱泵制冷時(shí)能提供的冷量，kJ/d；

η1——熱泵制冷系數(shù)。

3.4 熱泵制熱時(shí)能提供的熱量Q2

式中：Q2——熱泵系統(tǒng)供熱量，kJ/d；

η2——熱泵制熱系數(shù)。

3.5 城市污水的污水源熱泵理論可利用熱量密度

式中ρ——城市污水的污水源熱泵理論可利用熱量密度，MJ/（d-km2）；

S——城市污水所對(duì)應(yīng)地區(qū)面積，km2。

在城市污水中使用污水源熱泵能提取巨大的冷量和熱量，在2020 年城市污水中使用污水源熱泵系統(tǒng)所能提供的冷量潛力為23.64×109kJ/d，所能提供的熱量潛力為24.84×109kJ/d，在2030 年城市污水中使用污水源熱泵系統(tǒng)所能提供的冷量潛力為36.05×109kJ/d，所能提供的熱量潛力為34.31×109kJ/d。

表2 污水源熱泵經(jīng)濟(jì)效益分析表

表1 污水節(jié)能效益分析表

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

目前能為城市提供熱量的能源主要是電、煤、液化天然氣、管道天然氣、煤氣、液化石油氣、生物質(zhì)顆粒、重油和柴油，污水源熱泵提供熱量主要消耗的是電能，以下分別以污水源熱泵使用常規(guī)電和低谷為基準(zhǔn)對(duì)各種供熱能源的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表2 所示。

由分析結(jié)果可得，在城市供熱中選擇污水源熱泵作為熱源，以常規(guī)電價(jià)作為標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)濟(jì)性較以煤作為能源差，但比空氣源熱泵、液化天然氣、管道天然氣、煤氣、液化石油氣、生物質(zhì)顆粒、重油和柴油經(jīng)濟(jì)性都好，其中經(jīng)濟(jì)性比空氣源熱泵好18.14%，比其他能源供熱經(jīng)濟(jì)性好37%至77%之間。如果以低谷電價(jià)作為標(biāo)準(zhǔn)，在城市供熱中選擇污水源熱泵作為熱源經(jīng)濟(jì)性其他所有能源供熱都好，比其他能源供熱經(jīng)濟(jì)性好18%至91%之間。

5 環(huán)保效益分析

以折算標(biāo)準(zhǔn)煤作為計(jì)算基準(zhǔn)可以計(jì)算CO2、SOX、和NOX的排放削減量，可以估算考評(píng)價(jià)城市污水熱能回收利用系統(tǒng)的環(huán)保潛力，計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 污水源熱泵環(huán)保效益潛力分析表

由分析結(jié)果可知，根據(jù)全市污水排放量預(yù)測(cè)可得到，在2020 年城市污水中所能提供的熱量折算標(biāo)準(zhǔn)煤為806.7t/d，環(huán)保潛力為能減排二氧化碳2113.5kg/d，減排二氧化硫6856.9kg/d，減排氮氧化物5969.5kg/d，在2030 年城市污水中所能提供的熱量折算標(biāo)準(zhǔn)煤為1170.8t/d，環(huán)保潛力為能減排二氧化碳3067.6kg/d， 減排二氧化硫9952kg/d，減排氮氧化物8664.1kg/d，污水源熱泵環(huán)保效益潛力較為可觀。

6 結(jié)論

珠海前山河流域污水溫度適宜，污水排量較大，熱能回收潛力巨大，能為污水采用污水源熱泵進(jìn)行熱能回收利用提供了條件。

①對(duì)珠海前山河流域某污水排放點(diǎn)進(jìn)行污水溫度監(jiān)測(cè)，全年水溫最高為29.5℃，最低水溫為9.5℃，全年水溫較為穩(wěn)定，總體水溫較高，適宜作為污水源熱泵的冷熱源，能為污水源熱泵的應(yīng)用提供有得的環(huán)境條件。

②以城市污水作為冷熱源的污水源熱泵能在污水中提取數(shù)量巨大的冷量和熱量，污水熱能回收潛力巨大，污水源熱泵技術(shù)具有很大的節(jié)能潛力，能有效利用城市污水廢熱。

③在城市供熱中選擇污水源熱泵作為熱源，經(jīng)濟(jì)性較其他能源供熱經(jīng)濟(jì)性好，能減少煤、石油、天然氣等高品位能源的消耗。

④在城市污水中運(yùn)用污水源熱熱泵能減少其他能源燃料燃燒產(chǎn)生的CO2、NOX、SOX等的排放，減少空氣污染；具有很大的減排潛力。

⑤對(duì)珠海前山河流域的污水源熱泵熱能回收潛力分析具有一定的普遍性和代表性，能為節(jié)能減排工程中污水源熱泵的應(yīng)用提供一定的參考意義。