城鎮污水的節能利用

2009年第5期(總第37卷第219期).■新能源與環(huán)境建筑節能No.s in 2009 (Total No.219, Vol.37)NEW ENERCY & ENVIRONMENTdoi:10.3969ij.ssn.1673-7237.2009.05.023城鎮污水的節能利用王永峰(東莞市城建規劃設計院,廣東東莞523129)摘要:從水質(zhì)、水溫、水量等幾個(gè)方 面介紹了城鎮污水的特點(diǎn),簡(jiǎn)要分析了熱泵的工作原理與分類(lèi)、優(yōu)點(diǎn)及其發(fā)展。闡述了以城鎮污水為熱源的熱泵系統的可再生性、高效節能、含熱量大及用途廣泛等特點(diǎn)。分析了適宜推廣應用污水源熱泵技術(shù)的多種場(chǎng)合。通過(guò)對以污水處理廠(chǎng)二級處理水為熱源的區域供熱供冷系統的探討,對污水源熱泵系統進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。關(guān)鍵詞:堿鎮污水; 熱泵; 污水源熱栗; 區城供熱供冷 系統中圖分類(lèi)號: TU831文獻標志碼: A文章編號: 1673-7237(200)05-0068-03Energy-saving Uillization of Urban WastewaterWANG Yongfeng(DG Urban Construction and Planning Design Institute, Dongguan 523129, Guangdong, China)merit and development of heat pump were iluminated. Trais of heat pump system with wrban wwtewuter were presented such as repro-ducible, energy eficiency, pleniful heat energy and wide use. A rariety of occasions xehere the application of roter -source heat pumptechnology ean be ppropriate to promote were analyzed. Through analyzing the district heating and cooling system,which takes secondarytreatment water of wosetoater treatment plant as heat source, the wastewater source heat pump system was introduced.Key words: urban wastewater, heat pump; wastewater source heat pump; dstrit heatingcoling system0引言.3 水量隨著(zhù)“減排”工作的推進(jìn)，全國各地都在大力興建隨著(zhù)我國城鎮化發(fā)展,城鎮人口不斷增加，城鎮城鎮污水處理設施，水污染問(wèn)題正逐步得以改善;近污水量越來(lái)越大。人均綜合用水量以600 L(人d)考年來(lái),“節能”意識深入各領(lǐng)域,作為節能設備的熱泵慮,收集污水量按80%計算,一座人口10 萬(wàn)的小城市也逐漸得到廣泛應用。而城鎮污水蘊含較高的熱能，污水量為4.8萬(wàn)m/d,而人口100萬(wàn)的城市污水量達以其作為熱泵的熱源，應用污水源熱泵技術(shù)將使大量48萬(wàn)m/d。按照國家有關(guān)規劃,2010年全國要實(shí)現污的污水熱能為人們所用。水處理率達50%以上，處理污水同用率達60%以上。1城鎮污水特 點(diǎn)以廣東省東莞市為例，近期新建的污水處理工程361.1 水質(zhì)項，總處理規模達221.5萬(wàn)td,覆蓋全市各鎮區,2010城鎮污水主要包括綜合生活污水、工業(yè)廢水、入滲年前將逐步建成并投入使用。地下水及部分雨水，含有一定量的有機物、懸浮物及其2熱泵技術(shù)簡(jiǎn)析他雜質(zhì),具有- -定 的腐蝕性。城鎮污水可分為未處理水2.1逆卡諾循環(huán)和處理水,未經(jīng)處理的污水又稱(chēng)原生污水:處理污水一熱泵是以逆卡諾循環(huán)理論為基礎開(kāi)發(fā)的設備。逆般為經(jīng)二級處理或深度處理的污水。二級處理指污水卡諾循環(huán):當低溫熱源的溫度(TL)、用戶(hù)所需熱能(高經(jīng)-級處理(格柵、沉砂等物理處理)后采用生物處理溫熱匯)的溫度(TH)為定值時(shí),工作在上述溫度之間，方法(主要為活性污泥法和生物膜法)繼續去除污水中完全可逆(沒(méi)有任何損失,如傳熱損失、流動(dòng)損失、摩擦的有機物和懸浮物的凈化過(guò)程:深度處理是進(jìn)一步去損失等)，熱力學(xué)效率最高的熱機循環(huán)為逆卡諾循環(huán)。除二級處理出水中污染物的凈化過(guò)程，經(jīng)深度處理水逆卡諾循環(huán)的工作由4個(gè)過(guò)程組成(見(jiàn)圖1):1→2等可用作生活雜用水、景觀(guān)用水、工業(yè)用水等多種用途。熵(絕熱)壓縮過(guò)程:2- +3等溫放熱過(guò)程:3-→+4等熵(絕1.2 水溫熱)膨脹過(guò)程;4→+1等溫吸熱過(guò)程。逆卡諾循環(huán)是一一個(gè)城鎮污水的夏季溫度低于室外環(huán)境溫度,冬季溫度理想循環(huán),而在實(shí)際循環(huán)中,不僅壓縮和膨脹過(guò)程不可高于室外環(huán)境溫度,污水的水溫波動(dòng)幅度較室外氣溫小能是絕熱的，也無(wú)法實(shí)現沒(méi)有溫差的等溫傳熱過(guò)程。得多。我國城鎮污水的夏季水溫基本為22~26 C,2.2中國煤化工冬季水溫基本為10~ -20 C,其水溫與室外氣溫的溫CHCNMHG類(lèi)比:水泵是消耗少差在10C以上。量的電能或燃料能，將水從低位處泉送到所需的高位收稿日期: 2009-03-25:修回日期: 2009-04-23處;熱泵是消耗少量的電能或燃料能，將環(huán)境中蘊含68于熱泵設備的節能環(huán)保性及可再生能源在建筑中應用工作的推進(jìn),空氣源熱泵、地源熱泵、水源熱泵技術(shù)近幾年得到了較快發(fā)展,尤其是空氣源熱泵,已較廣泛地應用于生活熱水制備等場(chǎng)合。3污水源熱泵的特點(diǎn)3.1 水源熱泵介紹水源熱泵可包括地熱水、地下水地表水(海水1淡圖1逆卡諾循環(huán)水/污水)水源熱泵，通常又被納入地源熱泵范疇,它利的熱能或生產(chǎn)過(guò)程中的低溫廢熱變?yōu)闈M(mǎn)足用戶(hù)要求用水體中吸收的太陽(yáng)能和地熱能形成的低溫低位熱能，的高溫熱能,即如同泵送“熱能”的“泵”一樣。按熱泵利用熱泵原理,通過(guò)少量的高位電能輸入,實(shí)現低位熱的工作原理,可分為蒸汽壓縮式熱泵(也稱(chēng)為機械壓能向高位熱能轉移,或者說(shuō)是實(shí)現熱能置換的裝置?？s式熱泵)、吸收式熱泵、化學(xué)熱泵、蒸汽噴射式熱泵、3.2 污水源熱泵的特點(diǎn)熱電熱泵等。按制熱溫度可分為常溫.中溫、高溫熱3.2.1屬可 再生能源利用技術(shù)泵,中溫熱泵的大致范圍為40~100 C.按載熱介質(zhì)熱泵技術(shù)主要利用環(huán)境中的各種熱(冷)源物質(zhì)中(水、空氣、土壤等)的不同組合,可分為空氣- -水 熱蘊含的熱(冷)能，通過(guò)熱能的置換來(lái)滿(mǎn)足人們生產(chǎn).生泵、水-水熱泵、土壤- -水熱泵 等等。常用的蒸汽壓縮活中的各種熱能需求,僅需要消耗少量的高位能源(一式熱泵工作示意見(jiàn)圖2。般為電能),而污水源熱泵技術(shù)是以污水作為熱(冷)源的熱泵技術(shù)，因此,屬可冉生能源利用技術(shù)之一。L高溫熱i:」3.2.2專(zhuān) 用設備(與水質(zhì)相應的特點(diǎn))商溫載熱介匱熱鬟工質(zhì)城鎮污水含有較多的有札物及各種懸浮物質(zhì)，具有一定酸堿性 ,與清水源熱泵相比，污水源熱泵系統對換熱設備、水泵及管道等有較高的耐腐蝕要求或須有相應-(耗功)的處理措施。二級處理水及深度處理水水質(zhì)較好，以其臧壓閥壓編機.作為熱源比原生污水為熱源應用于熱泵系統較為有利。熱泵低溫載熱介質(zhì)3.2.3高效節能(與水溫相應的特點(diǎn))城鎮污水的全年水溫一般在10~26 C，其溫度「低溢熱源}波動(dòng)幅度不大，而室外氣溫的波動(dòng)幅度較大,尤其在圍2熱泵工作示意(蒸汽壓縮式)北方地區。就空氣源熱泵機組而言,冬季較低的氣溫2.3熱泵的優(yōu)點(diǎn)根據熱力學(xué)第二定律,熱能不會(huì )自發(fā)、不付代價(jià)令其能效比降低，同時(shí)可能出現結霜結冰的現象,從地從低溫物體傳遞到高溫物體,故熱泵工作需要消耗而影響熱泵機組的運行。而水的比熱容比空氣高,其少量的高品位能源,但熱泵制取的有用熱能，總是大熱交換效率也高,因此以水為熱源比以空氣為熱源的于所消耗的電能或燃料能:而用燃燒加熱、電加熱等熱泵制熱系數(COP)高,設計運行良好的污水源熱泵裝置加熱時(shí),所獲得的熱能一般小于所消耗的電能或的COP可達4.0以上。3.2.4來(lái)源穩定、 含熱量大(與水量相應的特點(diǎn))燃料燃燒能;這是熱泵與普通加熱裝置的區別,也是城鎮污水量一般與其人口成正比，污水量因城鎮其制熱最突出的優(yōu)點(diǎn)。熱泵最主要的性能指標是制熱人口的穩定而相對穩定。城鎮污水處理廠(chǎng)的處理規模系數,即獲得的熱能與消耗的能量之比,一般以COP以20萬(wàn)m/d計,若按平均時(shí)流量考慮,當污水利用表示，熱泵的COP>1.熱泵在向高溫需熱處供熱的溫差為10 C時(shí)，完全利用時(shí)制熱(冷)功率達97 MW;同時(shí),也在從低溫熱源吸熱(制冷),因此,熱泵兼有制當污水利用溫差為7 C時(shí),完全利用時(shí)制熱(冷)功率熱制冷的雙重功能。達67.9 MW;而消耗的電能為制熱(冷)功率的1/4。與2.4熱泵的發(fā)展地下水作為熱(冷)源比較,-般而言地下水的取得較同為逆卡諾循環(huán)理論的應用,制冷技術(shù)和設備于為不易且需回灌,而污水的來(lái)源更為穩定且量大。1870年代就得到了迅速發(fā)展;而“加熱”由于有各種4污水源熱泵的應用簡(jiǎn)單的方法可以實(shí)現，熱泵的開(kāi)發(fā)直到20世紀初才4.1污水源熱泵展開(kāi)。1927年霍爾丹(Haldane)在蘇格蘭安裝和試驗根據熱泵工作原理,熱泵實(shí)際可理解為熱能置換的家用熱泵,用熱泵吸收環(huán)境中的熱量來(lái)為室內采暖裝置"備、采暖，也可作為和提供熱水,這一-裝 置被認為是現代蒸汽壓縮式熱泵制冷i中國煤化工的低溫熱源(此處指的真正原型。1940 年代已出現許多有代表性的熱泵污水);YHCNMHG需求,即可考慮利設計，如1941年瑞士蘇黎士利用河水、廢水作為低溫用污水源熱泵用于制熱制冷,可廣泛地應用于民用及熱源用于游泳池加熱,制熱量為1500kW。在我國，由工農業(yè)需熱(冷)場(chǎng)合,即可一機多用、用途廣泛。L69.2 原生污水以城鎮污水處理廠(chǎng)二級水作為熱(冷)源,由于污以原生污水作為熱(冷)源可結合建筑物供熱供冷水處理廠(chǎng)往往位于城鎮邊緣,利用污水熱能進(jìn)行區域的需求就近利用,如寄宿制中學(xué)、大學(xué)等學(xué)校的學(xué)生宿供熱供冷牽涉面廣、投資大、建設期長(cháng)，而采用污水源舍,若人均綜合廢水量為160L(人●d),污水利用溫差為熱泵技術(shù)為污水處理廠(chǎng)內的辦公及宿舍等建筑提供10C時(shí)，利用熱泵技術(shù)提取的熱量基本可滿(mǎn)足其所需生活熱水、采暖及空調，易于實(shí)施,不失為二級處理水生活熱水量的制備;或者滿(mǎn)足學(xué)生食堂的夏季制冷與冬熱(冷)能最為直接便利的利用方式。季采暖(地板輻射)的冷熱負荷(以150 W/m2計)需求。4.5二級處理水 區城利用4.3中水 .由于城鎮污水處理廠(chǎng)的污水來(lái)源穩定、含熱量大，目前不少缺水城市都制定了中水設施建設的有更適宜建設區域供熱供冷系統，區域利用主要考慮其關(guān)規定,對于達到一定規模的建筑單體或建筑群要求技術(shù)經(jīng)濟性。區域供熱供冷系統主要針對各地既有的建設中水設施。中水設施(中水處理站)通常設在建筑污水處理廠(chǎng)及近、遠期建設的污水處理廠(chǎng)處理規模,與物內,以中水作為熱(冷)源可結合建筑物的熱負荷需既有的用熱大戶(hù)及城市化進(jìn)程中不斷開(kāi)發(fā)建設的新城求就地利用,中水設施所設置的建構筑物也同時(shí)可為區、生態(tài)園區等潛在熱用戶(hù)相互結合的可行性。污水源熱泵系統所用。利用熱泵技術(shù)提取中水的熱5污水源熱泵 系統簡(jiǎn)介量,如酒店可用于游泳池水加溫、生活熱水的加熱等污水源熱泵系統一般 由污水泵、污水管道、過(guò)濾場(chǎng)合,而因熱能置換所致的溫升與溫降基本不會(huì )對中器(除污機)、熱泵、熱交換器、蓄熱裝置組成。污水處理水的回用造成影響。廠(chǎng)二級處理水區域供熱供冷系統(見(jiàn)圖3)。4.4二級處理水就地利 用5.1污水泵污水處理廠(chǎng)(貯:水池)過(guò)能器-其他俱熱站一排入水體阿水梨循環(huán)泵$比筑用戶(hù)戴熱裝置7曰熱水(采暖)(空調)供熱站-圍3二級處理水為熱源的熱泵區域供熱(冷)系統簡(jiǎn)圖選擇污水專(zhuān)用水泵，其啟停由熱泵發(fā)出的信號控制。助供熱(冷)設備結合,以滿(mǎn)足高負荷需求。一般采用水.2 污水管道蓄熱或冰蓄熱裝置。選擇耐腐蝕管材，并根據管線(xiàn)長(cháng)度、環(huán)境狀況和6結語(yǔ)經(jīng)濟性確定敷設方式。.隨著(zhù)全社會(huì )對節約能源、保護環(huán)境的日益重視和5.3 過(guò)濾器熱泵技術(shù)的發(fā)展，熱泵高效制熱的突出優(yōu)勢正得以充為防止污水中的雜質(zhì)堵塞熱交換器或熱泵的熱分發(fā)揮,其應用領(lǐng)域也在不斷拓展。城鎮污水蘊含大量交換部分，在其前應設置過(guò)濾(除污)器。的可利用熱能，污水源熱泵技術(shù)的應用可提高建筑能5.4熱泵效、保護生態(tài)環(huán)境、節約化石能源，推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)一般選用電能驅動(dòng)機械壓縮式熱泵,根據熱泵規模展;而以建筑中水、污水處理廠(chǎng)二級處理水及再生水為選擇往復式、螺桿式、離心式等形式的壓縮機。熱源的熱泵應用技術(shù)更是“減排”與“節能”結合的可再5.5 熱交換器生能源技術(shù)。城鎮污水與熱泵技術(shù)結合的推廣應用須原生污水一般采用管式熱交換器,并有自動(dòng)清洗因地制宜，科學(xué)合理地進(jìn)行就地利用或區域利用。(如內附移動(dòng)刷)裝置;二級處理水一般采用板式熱交參考文獻:換器,材質(zhì)采用不銹鋼或鈦板,并根據水質(zhì)對導熱板[1]GB50282-98城市給水工程規劃規范1S.北京:中國計劃出版社,1998.的腐蝕結垢情況定期進(jìn)行拆洗。[2]GB0014-2006 室外排水設計規范[S].北京:中國計劃出版社2006.5.6 蓄熱裝置[3]陳東熱泵技術(shù)及其應用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.應設置蓄熱裝置調峰，以充分利用污水熱能:在[4]王榮中國煤化工京機械工業(yè)出版社，2004.建筑物熱(冷)負荷低的時(shí)間段,熱泵運行所置換的熱能貯存在蓄熱(冷)裝置中,當負荷高時(shí)放出，對熱量進(jìn)MYHCNMH G,工程師，給水排水專(zhuān)業(yè).行調節,并減小熱泵的設計容量,或者同時(shí)與其他輔(w88888@21cn.com)o70|