呂鑑 ，馮彥剛
（北京工業大學建筑工程學院，北京 100022）

　　摘　要：利用污水水源熱泵、可回收城市污水的低位能源。回收的能源可用于制熱或制冷。通過將污水水源熱泵與地下水水源熱泵系統和燃氣十空調供冷相結合的供能方式進行比較得出結論，綜合各項費用污水水源熱泵最省，地下水水源熱泵次之，燃氣十空冷空調系統的費用最高。
　　關鍵詞：城市污水；熱泵；熱能回收；節能
　　中圖分類號：TU992.3，TU833
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1009－2455（2001）04-0010－03

　　城市每天都要排出大量污水，預計到2015年城市污水年處理量將達到360.95×108m³。城市污水處理廠的出水水量穩定，水溫比較恒定，常年保持在一定的范圍內，具有冬暖夏涼的特點。以北京市某污水處理廠為例，其處理后的二級出水冬季水溫可達13.5－16.5℃，平均高出周圍環境溫度20℃左右，夏季出水水溫為22－25℃，要低于外界環境溫度十幾度。所以，城市污水中涵有大量的低位能源，若以適當的途徑，加以利用，可以節約大量能源，降低部分污水處理費用，還可以為節約能源與新能源的開發利用尋找一個有效的途徑。
　　采用污水水源熱泵技術可實現污水廠二級出水低位熱能的回收利用。本文通過北京市高碑店污水處理廠的生產性試驗，充分證實了本方案的技術可行性。

1 污水水源熱泵的概念

　　所謂“水源熱泵系統”，就是以湖、河、地下水、地.熱水等為提取和儲存能量的冷、熱源，借助壓縮機系統，消耗少量電能，在冬季把存于水中的低位熱能“提取”出來，為用戶供熱；夏季則把室內的熱量“提取”出來，釋放到水中，從而降低室溫，達到制冷的效果。其能量流動是利用熱泵機組所消耗能量（電能）吸取的全部熱能閃電能十吸收的熱能）一起排輸至高溫熱源，而其所耗能量的作用是使制冷劑氟里昂壓縮至高溫高壓狀態，從而達到吸收低溫熱源中熱能的作用。
　　“污水水源熱泵系統”即以污水作為提取和儲存能量的冷、熱源的水源熱泵系統。

2 試驗方案及流程說明

　　由于北京市高碑店污水處理廠的水源流量穩定（日處理水量80×104m³)。經過長期觀察，其夏季出水水溫基本保持在22℃左右（最高溫度為25℃），冬季出水水溫基本保持在15℃左右（最低溫度為13.5℃），水溫受氣溫的影響較小。故根據污水廠出水的這一特點，擬采用水源熱泵系統在夏季為部分生產車間提供制冷，冬季進行供熱。
　　試驗的工作系統如圖1所示：

　　工作系統說明：
　　如上圖所示，冬季循環中換熱器二作為冷凝器，工作系統中的循環工質經壓縮機壓縮以后，變成高溫高壓的熱蒸汽，流經換熱器1（冷凝器），與循環水進行熱交換，放出熱量為用戶提供熱水供熱（一般熱水溫度為45℃左右），同時，熱蒸汽冷凝成為液態工
質，經膨脹閥的降壓節流轉變為低溫低壓的液態工質（其溫度要低于污水的溫度L經換熱器2（蒸發器）在出水井中與污水進行熱交換，吸收污水中的熱量后溫度升高，蒸發為低溫低壓的氣態工質后被吸人壓縮機進行壓縮，依此，工質進行下一個工作循環過程。通過這樣的一個循環過程后，工作系統可以將污水中的低位熱能轉化為可以直接利用的高品位熱能。
　　夏季循環中，通過四通閥和單向閥的換向作用，循環工質在工作系統中的流向恰好與冬季相反，故換熱器2作為冷凝器，換熱器1作為蒸發器。工質經過類似冬季的循環過程后，吸收室內的熱量，然后釋放到污水中，從而達到制冷的目的。

3 試驗過程與結果

　　夏季系統制冷試驗從2000年7月25日開始進行，到2000年9月19日結束。期間最長連續運行時間為35d，累計運行時間為49d。試驗過程中，由于試驗測試設備故障問題，從2000年8月8日到15日，系統停止運行8d。系統在制冷過程中的平均性能系數為3.34。
　　冬季系統供熱試驗從2000年12月19日開始，到2001年3月1日停止，試驗系統累計運行50d左右，其中在試驗過程中由于試驗測試系統故障或其它原因，共停機5次，試驗中系統最長連續運行時間為12d。系統的平均供熱性能系數3.96。
　　本試驗系統在運行期間，性能穩定，節能效果顯著，較好的滿足了300m²左右的生產車間在夏季制冷、在冬季供熱的需求。

4 污水水源熱泵與其他供能方式的比較

　　本文對污水水源熱泵系統（以下簡稱污水熱泵）與地下水水源熱泵系統（以下簡稱地下水熱泵）和燃氣鍋爐供熱與普通空冷空調供冷相結合的供能方式進行了比較J較的內容包括耗能量、設備投資、單位負荷年運行成本。各方案的經濟計算，取北京市暑期為90d，供熱期為120d。地下水水源熱泵系統采用國內某知名廠家生產的QY－6型水源熱泵機組，其制冷性能系數為3.15，供熱性能系數為4.04。燃氣和空冷式空調系統中的空冷空調采用某廠生產的HSWR－8型空調機，該機制冷性能系數為2.73。
4.1 耗能比較
　　耗能是指系統為提供設計負荷的能量時所消耗的外界能量，如電能、天然氣等J較結果見表1。計算公式如下式：

　　　　　　項目耗能量=[夏季制冷耗能量+冬季供熱耗能量/年累計工作負荷量] kW/kW

表1 耗能情況比較 項目 污水熱泵 地下水熱 燃氣+空冷空調協 深井水泵 62.20 電功率×10³ 熱泵機組 248.88 244.61 173.11 循環水泵 60.15 29.02 29.02 小計 309.03 335.83 202.13 天然氣耗量/（m3.h-1) 0.127

4.2 設備的初投資比較
　　設備的初投資主要包括：土建費、設備購置費。安裝費及其它費用等。系統主要設備的初次投資以單位負荷能力的投資量計算，比較結果見表2。計算公式如下式：

　　　　單位負荷設備投資量=設備項目投資費用/工作系統設計工作負荷能力（元/kW)

表2 設備的初投資比較 元/kW 設備費用項目 污水熱泵 地下水熱泵 燃氣+空冷空調 深井水泵 　 43.00 　 熱泵系統 822.00 724.82 359.41 深井 　 450.45 　 換熱器 231.14 80.26 98.28 循環水泵 12.29 12.29 12.29 電力增容費 233.42 233.42 　 天然氣增容費 　 　 1214.99 合計（計增容費） 1298.85 1544.24 1684.97 （不計增容費） 1065.43 1310.82 469.98

4.3 單位負荷年運行成本
　　年運行成本是指系統中各部分的運行費，如水費、電費、燃料費用污費、管理人員工資、管理費、設備維修、大修費、設備折舊費等，比較結果見表3。單 位負荷年運行成本的計算公式見下式：
　　單位負荷年運行成本=[夏季制冷總運行成本+冬季供熱總運行成本/年工作總負荷量]×年總運行時間

表3 單位工作負荷年運行成本比較 元/（kW.a) 運行費用 污水熱泵 地下水熱泵 燃氣+空冷空調協 熱泵/鍋爐 21.08 20.69 0.69 深井水泵 　 21.44 　 循環水泵 9.42 9.42 3.15 天然氣 　 　 172.33 折舊費 53.25 65.54 23.50 維修費 10.65 13.11 4.70 合計 94.40 130.20 204.37 　 　 　 　

　　其中，對于污水水源制冷性能系數以其試驗期間的平均值為3.34，供熱性能系數為3.84。計算中取電費為0.36元/（kw·h），天然氣費用為1.40元／m³；折舊費取系統總設備費的5％（設備費用以20a計算)；維修費按設備費的1％計算。
4.4 單位負荷年運行費用
　　單位負荷年度運行費用AC的計算公式為：
　　AC＝I（A／P，i，n）+C（F／A,i，n）／20
　　式中：Ⅰ——工作系統單位負荷設備投資量，元/kW；
　　(A／P,i,n)——等額支付系列資金恢復系數，當
　　利率i＝6％、資金恢復期n＝20a時，（A／P，i，n)= 0.0872
　　C——單位負荷年運行成本中扣除設備折舊費后的剩余值，元/kW；
　　（F／A,i，n——等額支付系列復利系數，當利率i＝6%、資金支付期n＝20a時，（F／A, i，n）=36.7856，結果見表4。

表4 單位工作負荷年運行費用比較 元／kw 年運行費用 污水熱泵 地下水熱泵 燃氣＋空冷空調 計增容費 168.59 253.59 480.43 不計增容費 188.95 233.23 374.48

　　由上面的各方案經濟計算可以看出：從投資上說污水水源熱泵系統的投資約為地下水水源熱泵系 統投資的80％左右。燃氣+空冷空調系統的投資最省；從年運行費用上看，燃氣+空冷空調系統的費用最高，地下水水源熱泵系統的次之，污水水源熱泵系統的最低。在投資有效期（取20a)內，綜合比較3種方案的費用，污水水源熱泵系統的總運行費用大約是地下水水源熱泵系統的70％左右，是燃氣+空冷空調系統運行費用的45％左右。由此可見，污水水源熱泵系統比其它兩方案更具經濟性。

5 結語

　　污水水源熱泵的應用在我國尚處在起步的階段，但由于其良好的運行性能和突出的經濟效果，以后必將會廣泛應用到我國城市污水水源低位熱能的回收利用中去。

　　作者簡介：呂鑑（1952-），男，北京工業大學建筑工程學院，副教授。