我國回收污水中熱能的可行性分析
尹 軍， 韋新東?
（吉林建筑工程學院 城市建設(shè)系， 吉林 長春 130021）
摘 要： 在分析了日本回收污水熱能系統(tǒng)運行狀況的基礎(chǔ)上，建立了污水當量供熱(制冷)量、當量耗電量、供熱系數(shù)、制冷系數(shù)與污水進出口溫差之間的關(guān)系及 熱泵成立條件，并對我國回收污水熱能的若干問題進行了探討。結(jié)果表明，以污水作為熱源的熱泵與空氣作為熱源的熱泵相比，可以節(jié)約能量，具有可行性。
關(guān)鍵詞： 污水； 能量； 熱泵
中圖分類號：X703
文獻標識碼： B
文章編號： 1000-4602(2000)03-0028-03
近年來隨著熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展，一直未能利用的污水中的能源逐漸受到人們的關(guān)注。污水由于一年四季溫度變化較小，數(shù)量穩(wěn)定，冬暖夏涼，貯存的熱量較大，易于通過現(xiàn)有的城市污水管道進行收集，且可在低溫區(qū)利用，因而被公認為是可開發(fā)利用的清潔能源，在國外目前已有若干有關(guān)回收城市污水熱能的研究報道和工程應用實例。?
1 日本回收污水熱能系統(tǒng)的運行情況
① 日本東京落合處理廠已建成污水熱能利用系統(tǒng)，使用的熱源為經(jīng)二級處理后的污水，所回收的熱能主要用于污水處理廠管理樓的空調(diào)及熱水供應。?
通過實際測定和調(diào)查，將有關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，若將該系統(tǒng)用于廠區(qū)供暖時，1m3處理 后污水的當量供熱量、當量使用電量與污水進出口溫差之間的關(guān)系為：?
Y1＝5278X1-2 017 (1)?
中 ?Y1——處理后污水的當量供熱量，kJ/m3?
X1——處理后污水的進出口溫差，平均值為3.8 ℃；相關(guān)系數(shù)r1＝0 .934
Y2＝0.2268X2+0.2514 (2)?
式中 ?Y2——處理后污水的當量使用電量，kW·h/m3?
X2——處理后污水的進出口溫差，相關(guān)系數(shù)r2＝0.924
熱泵的供熱系數(shù)ε21可用下式計算：?
式(3)表明供熱系數(shù)ε21與處理后污水的進出口溫差密切相關(guān)。當進出口平均溫差為3.8 ℃時,由式(3)可ε21＝4.49，而其最大值ε21max＝6.46。?
當該系統(tǒng)用于空調(diào)制冷時，1m3處理后污水的當量制冷量、當量使用電量與污水進出口溫差之間的關(guān)系為：?
Y3＝3560X3-52.13 (4)?
式中 ? Y3——處理后污水的當量制冷量，kJ/m3
X3——處理后污水的進出口溫差，平均溫差為3.4℃，可能值為5℃；相關(guān)系數(shù)r3＝0.987
Y4＝0.1746X4+0.1927 (5)?
式中? Y4——制冷時處理后污水的當量使用電量，kW·h/m3?
? X4——同式(4)的 X3，相關(guān)系數(shù)r4＝0.963?
熱泵的制冷系數(shù)ε11可用下式計算。?
式(6)表明制冷系數(shù)ε11與處理后污水的進出口溫差之間關(guān)系密切。當進出口平均溫差為5℃時，由式(6)可得ε11＝4.62，而此時的最大值ε11max＝5.66。
?、?日本湯島泵站建成了未處理污水的熱能利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)與上例系統(tǒng)的最大不同點是使用的熱源來自未處理污水中。為此，該系統(tǒng)在熱泵之前設(shè)置了自動篩濾器，熱交換器形狀采用立式流水裝置，且傳熱面設(shè)置自動清洗裝置，目的在于防止懸浮性物質(zhì)對傳熱效率的影響。該系統(tǒng)的回收熱能主要用于泵站內(nèi)的空調(diào)及熱水供應。?
通過實際測定和調(diào)查，對有關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，若將該系統(tǒng)用于供暖系統(tǒng)時，1m3未處理污水的當量供熱量、當量使用電量與未經(jīng)處理污水進出口溫差之間的關(guān)系為：
Y5＝5604X5+829.8 (7)?
式中 Y5——未處理污水的當量供熱量，kJ/m3?
X5——未處理污水的進出口溫差，平均值為1.9℃；相關(guān)系數(shù)r5＝0.959
Y6＝0.3924X6+0.2303 (8)?
式中 ? Y6——未處理污水的當量使用電量，kW·h/m3?
X6——同式(7)的X5，相關(guān)系數(shù)r6＝0.650?
熱泵的制冷系數(shù)ε22?可用下式計算：?
式(9)表明供熱系數(shù)ε22與污水進出口溫差相關(guān)，當進出口平均 溫差為1.9℃時，由式(9)可得ε22＝3.26，其最大值則為ε22max＝3.97。?
當將該系統(tǒng)用于空調(diào)制冷時，1m3未處理污水的當量制冷量、當量使用電量與污水進出口溫差之間的關(guān)系為：?
Y7＝3281X7+88.81 (10)?
式中 Y7——未處理污水的當量制冷量，kJ/m3?
X7——未處理污水的進出口溫差，平均溫差為1.6℃，可能值為3℃；相關(guān)系數(shù)r7＝0.989?
Y8＝0.2523X8-0.02465 (11)?
式中 ?Y8——未處理污水的當量使用電量，kW·h/m3 ?
X8——同式(10)的X7，相關(guān)系數(shù)r8＝0.885?
熱泵的制冷系數(shù)ε12可用下式計算。
(12)表明制冷系數(shù)ε12與污水進出口溫差相關(guān)，當進出口平均溫差為3℃時，由式(12)可得ε12＝3.76，其最大值則為無窮大。?
從以上分析可以看出，以未處理污水作為熱源的熱泵，其供熱系數(shù)和制冷系數(shù)一般均小于以處理后污水作為熱源的熱泵，究其原因主要是未處理污水水質(zhì)較差，影響換熱器的傳熱效果所致。
同時可以發(fā)現(xiàn)，加大污水進出口溫差，雖然可以提高制冷量、供熱量，但也會造成熱泵系統(tǒng)加大，使供熱系數(shù)、制冷系數(shù)相對降低，經(jīng)濟性不一定很高。
2 我國回收污水熱能的估測
國內(nèi)某企業(yè)現(xiàn)有一廠區(qū)、二廠區(qū)兩個廠區(qū)。一廠區(qū)有污水處理廠，污水量為25000m3/d，冬季水溫為10.5℃，夏季水溫為27.3℃；二廠區(qū)沒有污水處理廠，污水量為8677.6m3/d，冬季水溫為10.3℃，夏季水溫為27.1℃。?
如果一廠區(qū)采用日本落合污水處理廠的污水熱能利用系統(tǒng)，設(shè)備運行、管理均達到其相應的水平，假定處理后污水進出口平均溫差為3.8℃，則污水的當量供熱量為18040kJ/m3，供熱時的污水當量用電量為1.113kW·h/m3。假定處理后污水進出口平均溫差為5℃，則污水的當量制冷量為17748 kJ/m3，制冷時污水當量使用電量為1.0657kW·h/m3。?
如果二廠區(qū)采用湯島泵站污水熱能利用系統(tǒng)，設(shè)備運行、管理均達到其相應的水平，假定未處理污水進出口平均溫差為1.9 ℃，則該污水的當量供熱量為11477kJ/m3，供熱時的污水當量使用電量為0.9758kW·h/m3。假定未處理污水進出口平均溫差為3℃，則未處理污水的當量制冷量為9931kJ/m3，制冷時污水當量使用電量為0.7323kW·h/m3。 ?
根據(jù)日本的經(jīng)驗，污水的未利用能量可用下式計算：?
利用能量(kJ)＝4.19×處理污水量×污水進出口溫度差 (13)?
采用熱泵回收污水可能供熱(制冷)量時可用下式計算：
可能制冷量＝(未利用能量×制冷系數(shù))／(制冷系數(shù)+1) (14)
可能供熱量＝(未利用能量×供熱系數(shù))／(供熱系數(shù)-1) (15)
以污水作為熱源的熱泵節(jié)能效果與空氣作為熱源的熱泵相比，可用下式計算：?
投入能量削減量＝可能供熱(制冷)量×［1/空氣熱源供熱(制冷)系數(shù)-1/污水熱源供熱(制冷)系數(shù)］(16) 結(jié)合實測，假定空氣熱源供熱系數(shù)為3.5，制冷系數(shù)為4.0，同時設(shè)污水進出口溫度差為5℃，則二廠區(qū)以污水作為熱源的熱泵要比以空氣作為熱源的熱泵消耗原始投入能量略多，但相差不大，而一廠區(qū)的節(jié)能效果較為明顯，如表1所示。?
（m3/d) 未利用量
（kJ/d) 可能供熱/制冷量
（kJ/d) 投入能量削減量
（KJ/d） 削減百分比
（%） 制冷時 250000 523750 430223 14029 3 供熱時 250000 523750 673822 42451 8
為了比較利用污水的熱能供熱和鍋爐供熱的節(jié)能效果，假定鍋爐效率為85%，電動機效率為35%，則根據(jù)鍋爐效率和電動機效率的概念可得：
85%=供熱量／燃料能量 (17)
35%=功(當量使用電量)/耗電量 (18)
當燃料能量與耗電量相同時，供熱系數(shù)ε2為：
ε2=供熱量/功=0.85/0.35=2.43
利用污水熱能使用熱泵供與鍋爐供熱相比，節(jié)能效率為：
節(jié)能效率=(1-2.43/ε2)×100% (19)
由上式計算得出，該企業(yè)一廠區(qū)可節(jié)能46%，二廠區(qū)可節(jié)能26%。假定電費單價為Y元/kJ，燃料單價為Z元/kJ，供熱系數(shù)ε2＝Y(jié)/Z×0.85，若Y/Z＝4時，ε2＝3.4。?
利用污水熱能使用熱泵供熱時與鍋爐供熱相比費用節(jié)省率為：
費用節(jié)省率=(1-3.4/ε2)×100% (20)
由上式計算得出一廠區(qū)可降低費用24%，二廠區(qū)可降低費用4%，因此二廠區(qū)需提高污水進出口溫差。?
由上可見，一廠區(qū)由于是以處理后的污水作為熱源，且污水進出口溫差較二廠區(qū)大，因此其節(jié)能效率和費用節(jié)省率均較為明顯。
3 結(jié)論 ?
①經(jīng)對日本回收污水熱能系統(tǒng)的運行情況分析表明，使用未處理污水作為熱源的熱泵，其供熱系數(shù)、制冷系數(shù)均小于以處理后污水作為熱源時的情況。?
②加大污水進出口溫差，雖可以提高制冷量、供熱量，但亦會造成整個熱泵系統(tǒng)加大，使供熱系數(shù)、制冷系數(shù)相對降低，經(jīng)濟性不一定很高。?
?、劢?jīng)對國內(nèi)某企業(yè)回收污水熱能的可行性分析表明，在相同的供熱量和制冷量的條件下，以污水為熱源的熱泵系統(tǒng)要比以空氣為熱源的熱泵系統(tǒng)更為節(jié)能；污水熱能供熱與鍋爐供熱相比，既可明顯節(jié)能，又可節(jié)省運行費用。
參考文獻：
［1］尹軍.城市污水中的熱能回收與利用［J］.中國給水排水，1998，(2).
?。?］徐邦裕等.熱泵［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.
電 話：(0431)5914217?
傳 真：(0431)5914479?
收稿日期：1999-10-16
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