摘要：作为城市废热之一而排放的城市污水，由于具有稳定的水量和水温，易于收集，污水中所贮存的热能较高，可作为清洁能源在低温区利用等一系列优点，正在受到越来越多的重视。特别是热泵技术的不断发展，使城市污水热能利用系统日趋成熟。
关键词：污水源热泵；供热；工程应用；
我国的改革开放和经济的迅速发展，随之带来的是能源的过度开采及浪费。因此，新能源的研发和能源的再生利用越来越被人们所重视，污水源热泵利用技术降低了城市废热的排放，保护了环境，是一项具有节能和环保意义的新技术，有着广阔的应用前景。
一、水源热泵技术概念
水源热泵是利用地球水所储藏的太阳能资源作为冷、热源，进行转换的空调技术。水源热泵可分为地源热泵和水环热泵。地源热泵包括地下水热泵、地表水（江、河、湖、海）热泵、土壤源热泵；利用自来水的水源热泵习惯上被称为水环热泵。地能（地下水、土壤或地表水）作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。水源热泵技术的工作原理就是：通过输入少量高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在夏季将建筑物中的热量“取”出来，释放到水体中去，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，以达到夏季给建筑物室内制冷的目的；而冬季，则是通过水源热泵机组，从水源中“提取”热能，送到建筑物中采暖。与锅炉（电、燃料）和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵技术的优势体现在：锅炉供热只能将90%-98%的电能或70%-90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为15-25℃，其制冷、制热系数可达3.5-4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50%-60%。因此，近十几年来，水源热泵空调系统在北美及中、北欧等国家取得了较快的发展。
二、污水源热泵技术的特点
1.高效节能，运行费用低。在评价热泵机组和制冷机组的性能时常用到“功效比”，用COP表示，即系统输出的功率与所消耗的功率之比。风冷热泵其COP值一般在2.0～3.0之间，而水源热泵国内产品在供热时COP值可达3.5～4.0，供冷时活塞式机组为5.0～5.2，螺杆式机组可达6.0，从这一点上看，水源热泵可以被称作高效节能的供冷供热设备。水源热泵在制热时，从污水中获取的热量，相当于锅炉燃烧煤气或油所获取的能量。即锅炉燃烧的煤或油，仅为污水源热泵所供热量的70%～75%，这些热量所消耗的代价仅为城市本身居民或工厂排放的污水，其成本要大大低于燃油和燃煤。
2.一机两用，环保洁净，初投资小。由于污水源热泵冬季可向建筑物供暖，夏季可向建筑物供冷，真正做到了一机两用，提高了设备的利用率。水源热泵机组无需设置冷却塔及烟气排放系统，省去了高成本的自来水，避免了向大气排放烟尘及有害气体，因此水源热泵可称其为低成本的绿色空调产品。
3.机房面积小，灵活安全，用途广泛。由于热泵机组兼有供冷供热的功能，机组本身体积较小，因而使机房面积大大减小，机组可灵活地安装在任何地方，没有储煤、储油罐等卫生及安全隐患，机组采用智能化微电脑控制系统，并有备用手动操作系统，无需专业人员操控，完善的电脑控制和多重保护，使整机运行安全可靠。水源热泵机组从严寒地区至热带地区均适用，机组适用的水源温度从8℃到35℃均可，既可以提供7℃或50℃的空调用水，也可以提供同样温度的生活热水；既可以作为城市区域供热的热源使用，也可以为办公楼、宾馆、别墅、居民小区等提供中央空调系统。
三、城市污水的热能利用性
1.随着我国城市化进程的不断加快，城市的污染物排放问题也越来越严重。城市就是一个巨大的生产和消费系统，在为社会创造巨大财富的同时，本身也消费大量的资源，排放大量的污染物。城市就像一个巨大的管道，每天要排出大量的污水和废水。多年来，这些城市污水在人们眼中是毫无利用价值的废水，但实际上城市污水是宝贵的可再生资源，它最大的特点就是温度恒定，不受气候及天气变化的影响，是一种不可多得的热泵冷热源。
2.目前我国的污水源热泵技术已经发展到可以直接回收和利用没有经过处理的污水的热能阶段，因此，它不再受污水处理厂位置的限制，而是可以根据城市污水管网的分布情况和需要，灵活加以利用，使用区域变得更为广泛。最后，将城市污水中的废热加以循环利用，可以大大提高能源的利用率，减小城市长期对石化燃料的依赖，对保护环境、控制污染、节能减排、建设节约型社会有着巨大的作用。
3.供热系统的设计、运行和维护。在确定污水源的换热能力以后，我们应该就污水源所处的地理位置，周围的居民情况，工业厂房的分布情况进行统计，确定经济有效的供暖半径，选择合理的供暖区域。供暖半径不易过长，以减少能量损失。供暖区域确定后，应根据供暖区域内采暖热用户对供热的需求及该地区冬季室外温度选择是否需要设置备用热源，以防止意外事故的发生。例如某地区为严寒地区，且在污水源热泵供热区域内存在学校、幼儿园、医院等需要保证供暖质量的特殊场所。应设置备用热源，以满足供暖要求。
四、城市污水的热能利用性
1.随着我国城市化进程的不断加快，城市的污染物排放问题也越来越严重。城市就是一个巨大的生产和消费系统，在为社会创造巨大财富的同时，本身也消费大量的资源，排放大量的污染物。城市就像一个巨大的管道，每天要排出大量的污水和废水。多年来，这些城市污水在人们眼中是毫无利用价值的废水，但实际上城市污水是宝贵的可再生资源，它最大的特点就是温度恒定，不受气候及天气变化的影响，是一种不可多得的热泵冷热源。2.目前，我国的污水源热泵技术已经发展到可以直接回收和利用没有经过处理的污水的热能阶段，因此，它不再受污水处理厂位置的限制，而是可以根据城市污水管网的分布情况和需要，灵活加以利用，使用区域变得更为广泛。最后，将城市污水中的废热加以循环利用，可以大大提高能源的利用率，减小城市长期对石化燃料的依赖，对保护环境、控制污染、节能减排、建设节约型社会有着巨大的作用。3.供热系统的设计、运行和维护。在确定污水源的换热能力以后，我们应该就污水源所处的地理位置，周围的居民情况，工业厂房的分布情况进行统计，确定经济有效的供暖半径，选择合理的供暖区域。供暖半径不易过长，以减少能量损失。供暖区域确定后，应根据供暖区域内采暖热用户对供热的需求及该地区冬季室外温度选择是否需要设置备用热源，以防止意外事故的发生。例如某地区为严寒地区，且在污水源热泵供热区域内存在学校、幼儿园、医院等需要保证供暖质量的特殊场所。应设置备用热源，以满足供暖要求。
五、工程环保及节能性
污水源热泵作为一种洁净环保的新能源，越来越多的应用于人们日常的生产、生活中，已经成为补充或替代常规能源（如煤、石油、天然气等）的优良能源形式。充分合理地开发利用好污水源热泵资源，不仅具有社会和环境效益，更能带来可观的经济效益。该工程项目供热基础热源为污水源热泵，调峰热源选用水源式热泵。热泵机组通过输入少量的电能，从低温热源进一步提取热量供至用户，能源利用方式环保无污染，是典型的环保供热工程项目。热泵是消耗高品位能源—电能，将低品位热能转换为较高品位热能的节能装置，高效、节能、环保是其突出的优点。
六、案例
1.工程概况。以下为一处理厂供热系统改造的工程实例，该厂内原先的锅炉为2．8MW的层燃链条锅炉，燃烧效率68％，使用的为太原煤，发热量为5900kcal／kg，太原地区冬季供暖138天，一个采暖季的耗煤量为2058t，此期间内共排放：灰尘20t、二氧化硫123t、二氧化碳4939t、氮氧化合物17t、一氧化碳4t、碳氢化合物0．93t；此外，还要产生铀、钍等多种微量的放射性物质。为了节约能源、保护环境、节省费用，决定对这套供热系统进行改造，不再使用燃煤，而改用既能供热又能制冷的污水源热泵系统。对整个污水处理厂内体形系数较大且围护结构达不到节能建筑标准的办公楼、试验楼、食堂、洗浴中心、各单体分散值班室及周围面房等总计面积为2万平米的建筑供热系统进行改造，取消原来的散热器供暖系统，改为能够制冷制热的风机盘管。
2.系统原理及设计。冬季，污水温度约11～150C，经过换热器换热后回水温度约为7～1O0C，系统中介水提取污水中的热量作为水源热泵机组的热源，进入热泵机组蒸发器，热泵冷凝器出水作为供暖系统循环水，供回水温度为55～450。夏季，污水温度约为17—210C经过换热器换热后的回水温度为19-230C，污水带走冷却水中的热量使之成为水源热泵机组制冷时的冷源，热泵蒸发器出水作为供冷系统冷冻水，供回水温度为7—120C。该系统冬、夏季工况的转换通过切换机房内系统中的阀门来实现。考虑到污水水质对热泵机组的影响，本工程中采用间接式污水源热泵系统，冬夏季工况采用水侧切换方式，冬季供热系统流程见图1。
图1污水源热泵冬季供热系统图
3.施工及运行、本工程于2013年10月初开始施工，并在2013年11月竣工。系统于11月初开始运行，迄今为止的四个月内系统运行正常，且各采暖建筑室内温度均能达到设计要求。该项目具有如下优点：（1）节能。通常，水源热泵每消耗1Kg的能量，用户可以得到4kJ以上的热量或冷量，与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90％左右的电能或70～
90％的燃料内能转换为热量供用户使用，因此水源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃煤锅炉节省二分之一以上的能量。由于作为污水水源热泵的热源水，全年温度较为稳定，这种特性使得污水热泵比传统空调系统运行效率要高20％以上。（2）环保。污水源热泵是利用了污水原水作为冷热源，进行制热制冷。供热时省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉房系统，减少CO2、SO2、粉尘颗粒等大气污染物的排放；供冷时省去了冷却水塔及其消耗的水量，避免了冷却塔的噪音及霉菌污染，减少了城市的热导效应。不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，有效缓解了环境污染的问题。（3）节资。该工程总投资为420万元，由于各单体建筑布局分散，导致外网投资偏高，为总投资额的15％左右，故单位面积成本为210元／m2。运行费用计算参数：制热系数取3.5，制冷系数取4.0。运行时间按每天12l计算，夏季按75天，冬季按138天，电费取0.6元／Kw•h。
作为城市废热之一而排放的城市污水，由于具有稳定的水量和水温，易于收集，污水中所贮存的热能较高，可作为清洁能源在低温区利用等一系列优点，正在受到越来越多的重视。污水源热泵技术已经逐步成为城市污水资源再利用的一种先进技术。污水源热泵具有节约能源、创新环保、污水循环再利用、经济适用等特点，污水源热泵的越来越多的应用与探讨，将加快我国建设节约型社会的速度，帮助节约能源和环境保护。
参考文献：
[1]王敏.热泵在热水供应系统中的应用.2017.
[2]梁振宇.浅谈污水源热泵供热的工程应用及分析.2017.
[3]张敏姿.探讨热泵在热水供应系统中的应用.2016.
[4]王丹阳.浅析水源热泵在电厂中的应用研究.2017.
论文作者:王圣博
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/3/4
标签：污水论文; 热泵论文; 水源论文; 热源论文; 城市论文; 源热泵论文; 系统论文; 《基层建设》2018年第36期论文;