我国回收污水中热能的可行性分析
尹 军， 韦新东?
（吉林建筑工程学院 城市建设系， 吉林 长春 130021）
摘 要： 在分析了日本回收污水热能系统运行状况的基础上，建立了污水当量供热(制冷)量、当量耗电量、供热系数、制冷系数与污水进出口温差之间的关系及 热泵成立条件，并对我国回收污水热能的若干问题进行了探讨。结果表明，以污水作为热源的热泵与空气作为热源的热泵相比，可以节约能量，具有可行性。
关键词： 污水； 能量； 热泵
中图分类号：X703
文献标识码： B
文章编号： 1000-4602(2000)03-0028-03
近年来随着热泵技术的不断发展，一直未能利用的污水中的能源逐渐受到人们的关注。污水由于一年四季温度变化较小，数量稳定，冬暖夏凉，贮存的热量较大，易于通过现有的城市污水管道进行收集，且可在低温区利用，因而被公认为是可开发利用的清洁能源，在国外目前已有若干有关回收城市污水热能的研究报道和工程应用实例。?
1 日本回收污水热能系统的运行情况
① 日本东京落合处理厂已建成污水热能利用系统，使用的热源为经二级处理后的污水，所回收的热能主要用于污水处理厂管理楼的空调及热水供应。?
通过实际测定和调查，将有关数据进行统计分析，若将该系统用于厂区供暖时，1m3处理 后污水的当量供热量、当量使用电量与污水进出口温差之间的关系为：?
Y1＝5278X1-2 017 (1)?
中 ?Y1——处理后污水的当量供热量，kJ/m3?
X1——处理后污水的进出口温差，平均值为3.8 ℃；相关系数r1＝0 .934
Y2＝0.2268X2+0.2514 (2)?
式中 ?Y2——处理后污水的当量使用电量，kW·h/m3?
X2——处理后污水的进出口温差，相关系数r2＝0.924
热泵的供热系数ε21可用下式计算：?
式(3)表明供热系数ε21与处理后污水的进出口温差密切相关。当进出口平均温差为3.8 ℃时,由式(3)可ε21＝4.49，而其最大值ε21max＝6.46。?
当该系统用于空调制冷时，1m3处理后污水的当量制冷量、当量使用电量与污水进出口温差之间的关系为：?
Y3＝3560X3-52.13 (4)?
式中 ? Y3——处理后污水的当量制冷量，kJ/m3
X3——处理后污水的进出口温差，平均温差为3.4℃，可能值为5℃；相关系数r3＝0.987
Y4＝0.1746X4+0.1927 (5)?
式中? Y4——制冷时处理后污水的当量使用电量，kW·h/m3?
? X4——同式(4)的 X3，相关系数r4＝0.963?
热泵的制冷系数ε11可用下式计算。?
式(6)表明制冷系数ε11与处理后污水的进出口温差之间关系密切。当进出口平均温差为5℃时，由式(6)可得ε11＝4.62，而此时的最大值ε11max＝5.66。
② 日本汤岛泵站建成了未处理污水的热能利用系统，该系统与上例系统的最大不同点是使用的热源来自未处理污水中。为此，该系统在热泵之前设置了自动筛滤器，热交换器形状采用立式流水装置，且传热面设置自动清洗装置，目的在于防止悬浮性物质对传热效率的影响。该系统的回收热能主要用于泵站内的空调及热水供应。?
通过实际测定和调查，对有关数据进行统计分析，若将该系统用于供暖系统时，1m3未处理污水的当量供热量、当量使用电量与未经处理污水进出口温差之间的关系为：
Y5＝5604X5+829.8 (7)?
式中 Y5——未处理污水的当量供热量，kJ/m3?
X5——未处理污水的进出口温差，平均值为1.9℃；相关系数r5＝0.959
Y6＝0.3924X6+0.2303 (8)?
式中 ? Y6——未处理污水的当量使用电量，kW·h/m3?
X6——同式(7)的X5，相关系数r6＝0.650?
热泵的制冷系数ε22?可用下式计算：?
式(9)表明供热系数ε22与污水进出口温差相关，当进出口平均 温差为1.9℃时，由式(9)可得ε22＝3.26，其最大值则为ε22max＝3.97。?
当将该系统用于空调制冷时，1m3未处理污水的当量制冷量、当量使用电量与污水进出口温差之间的关系为：?
Y7＝3281X7+88.81 (10)?
式中 Y7——未处理污水的当量制冷量，kJ/m3?
X7——未处理污水的进出口温差，平均温差为1.6℃，可能值为3℃；相关系数r7＝0.989?
Y8＝0.2523X8-0.02465 (11)?
式中 ?Y8——未处理污水的当量使用电量，kW·h/m3 ?
X8——同式(10)的X7，相关系数r8＝0.885?
热泵的制冷系数ε12可用下式计算。
(12)表明制冷系数ε12与污水进出口温差相关，当进出口平均温差为3℃时，由式(12)可得ε12＝3.76，其最大值则为无穷大。?
从以上分析可以看出，以未处理污水作为热源的热泵，其供热系数和制冷系数一般均小于以处理后污水作为热源的热泵，究其原因主要是未处理污水水质较差，影响换热器的传热效果所致。
同时可以发现，加大污水进出口温差，虽然可以提高制冷量、供热量，但也会造成热泵系统加大，使供热系数、制冷系数相对降低，经济性不一定很高。
2 我国回收污水热能的估测
国内某企业现有一厂区、二厂区两个厂区。一厂区有污水处理厂，污水量为25000m3/d，冬季水温为10.5℃，夏季水温为27.3℃；二厂区没有污水处理厂，污水量为8677.6m3/d，冬季水温为10.3℃，夏季水温为27.1℃。?
如果一厂区采用日本落合污水处理厂的污水热能利用系统，设备运行、管理均达到其相应的水平，假定处理后污水进出口平均温差为3.8℃，则污水的当量供热量为18040kJ/m3，供热时的污水当量用电量为1.113kW·h/m3。假定处理后污水进出口平均温差为5℃，则污水的当量制冷量为17748 kJ/m3，制冷时污水当量使用电量为1.0657kW·h/m3。?
如果二厂区采用汤岛泵站污水热能利用系统，设备运行、管理均达到其相应的水平，假定未处理污水进出口平均温差为1.9 ℃，则该污水的当量供热量为11477kJ/m3，供热时的污水当量使用电量为0.9758kW·h/m3。假定未处理污水进出口平均温差为3℃，则未处理污水的当量制冷量为9931kJ/m3，制冷时污水当量使用电量为0.7323kW·h/m3。 ?
根据日本的经验，污水的未利用能量可用下式计算：?
利用能量(kJ)＝4.19×处理污水量×污水进出口温度差 (13)?
采用热泵回收污水可能供热(制冷)量时可用下式计算：
可能制冷量＝(未利用能量×制冷系数)／(制冷系数+1) (14)
可能供热量＝(未利用能量×供热系数)／(供热系数-1) (15)
以污水作为热源的热泵节能效果与空气作为热源的热泵相比，可用下式计算：?
投入能量削减量＝可能供热(制冷)量×［1/空气热源供热(制冷)系数-1/污水热源供热(制冷)系数］(16) 结合实测，假定空气热源供热系数为3.5，制冷系数为4.0，同时设污水进出口温度差为5℃，则二厂区以污水作为热源的热泵要比以空气作为热源的热泵消耗原始投入能量略多，但相差不大，而一厂区的节能效果较为明显，如表1所示。?
（m3/d) 未利用量
（kJ/d) 可能供热/制冷量
（kJ/d) 投入能量削减量
（KJ/d） 削减百分比
（%） 制冷时 250000 523750 430223 14029 3 供热时 250000 523750 673822 42451 8
为了比较利用污水的热能供热和锅炉供热的节能效果，假定锅炉效率为85%，电动机效率为35%，则根据锅炉效率和电动机效率的概念可得：
85%=供热量／燃料能量 (17)
35%=功(当量使用电量)/耗电量 (18)
当燃料能量与耗电量相同时，供热系数ε2为：
ε2=供热量/功=0.85/0.35=2.43
利用污水热能使用热泵供与锅炉供热相比，节能效率为：
节能效率=(1-2.43/ε2)×100% (19)
由上式计算得出，该企业一厂区可节能46%，二厂区可节能26%。假定电费单价为Y元/kJ，燃料单价为Z元/kJ，供热系数ε2＝Y/Z×0.85，若Y/Z＝4时，ε2＝3.4。?
利用污水热能使用热泵供热时与锅炉供热相比费用节省率为：
费用节省率=(1-3.4/ε2)×100% (20)
由上式计算得出一厂区可降低费用24%，二厂区可降低费用4%，因此二厂区需提高污水进出口温差。?
由上可见，一厂区由于是以处理后的污水作为热源，且污水进出口温差较二厂区大，因此其节能效率和费用节省率均较为明显。
3 结论 ?
①经对日本回收污水热能系统的运行情况分析表明，使用未处理污水作为热源的热泵，其供热系数、制冷系数均小于以处理后污水作为热源时的情况。?
②加大污水进出口温差，虽可以提高制冷量、供热量，但亦会造成整个热泵系统加大，使供热系数、制冷系数相对降低，经济性不一定很高。?
③经对国内某企业回收污水热能的可行性分析表明，在相同的供热量和制冷量的条件下，以污水为热源的热泵系统要比以空气为热源的热泵系统更为节能；污水热能供热与锅炉供热相比，既可明显节能，又可节省运行费用。
参考文献：
［1］尹军.城市污水中的热能回收与利用［J］.中国给水排水，1998，(2).
［2］徐邦裕等.热泵［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998.
电 话：(0431)5914217?
传 真：(0431)5914479?
收稿日期：1999-10-16
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