尹 軍， 韋新東?

（吉林建筑工程學(xué)院 城市建設(shè)系， 吉林 長(zhǎng)春 130021）

　
　　摘　 要： 在分析了日本回收污水熱能系統(tǒng)運(yùn)行狀況的基礎(chǔ)上，建立了污水當(dāng)量供熱(制冷)量、當(dāng)量耗電量、供熱系數(shù)、制冷系數(shù)與污水進(jìn)出口溫差之間的關(guān)系及 熱泵成立條件，并對(duì)我國(guó)回收污水熱能的若干問(wèn)題進(jìn)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(hào)：X703
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B
　　文章編號(hào)： 1000-4602(2000)03-0028-03

　　近年來(lái)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(guò)現(xiàn)有的城市污水管道進(jìn)行收集，且可在低溫區(qū)利用，因而被公認(rèn)為是可開發(fā)利用的清潔能源，在國(guó)外目前已有若干有關(guān)回收城市污水熱能的研究報(bào)道和工程應(yīng)用實(shí)例。?

1 日本回收污水熱能系統(tǒng)的運(yùn)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(jí)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(yīng)。?
　　通過(guò)實(shí)際測(cè)定和調(diào)查，將有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，若將該系統(tǒng)用于廠區(qū)供暖時(shí)，1m³處理 后污水的當(dāng)量供熱量、當(dāng)量使用電量與污水進(jìn)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(dāng)量供熱量，kJ/m³?
　　　　　　X₁——處理后污水的進(jìn)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(dāng)量使用電量，kW·h/m³?
　　　　　　X₂——處理后污水的進(jìn)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(jì)算：?
　　

　　式(3)表明供熱系數(shù)ε₂₁與處理后污水的進(jìn)出口溫差密切相關(guān)。當(dāng)進(jìn)出口平均溫差為3.8 ℃時(shí),由式(3)可ε₂₁＝4.49，而其最大值ε₂₁max＝6.46。?
　　當(dāng)該系統(tǒng)用于空調(diào)制冷時(shí)，1m³處理后污水的當(dāng)量制冷量、當(dāng)量使用電量與污水進(jìn)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(dāng)量制冷量，kJ/m³
　　　　　　X₃——處理后污水的進(jìn)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(shí)處理后污水的當(dāng)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(jì)算。?
　　

　　 式(6)表明制冷系數(shù)ε₁₁與處理后污水的進(jìn)出口溫差之間關(guān)系密切。當(dāng)進(jìn)出口平均溫差為5℃時(shí)，由式(6)可得ε₁₁＝4.62，而此時(shí)的最大值ε₁₁max＝5.66。
　　② 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(diǎn)是使用的熱源來(lái)自未處理污水中。為此，該系統(tǒng)在熱泵之前設(shè)置了自動(dòng)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(dòng)清洗裝置，目的在于防止懸浮性物質(zhì)對(duì)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(yīng)。?
　　通過(guò)實(shí)際測(cè)定和調(diào)查，對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，若將該系統(tǒng)用于供暖系統(tǒng)時(shí)，1m³未處理污水的當(dāng)量供熱量、當(dāng)量使用電量與未經(jīng)處理污水進(jìn)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(dāng)量供熱量，kJ/m³?
　　　　　X₅——未處理污水的進(jìn)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(dāng)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(jì)算：?
　　

　　式(9)表明供熱系數(shù)ε₂₂與污水進(jìn)出口溫差相關(guān)，當(dāng)進(jìn)出口平均 溫差為1.9℃時(shí)，由式(9)可得ε₂₂＝3.26，其最大值則為ε₂₂max＝3.97。?
　　當(dāng)將該系統(tǒng)用于空調(diào)制冷時(shí)，1m³未處理污水的當(dāng)量制冷量、當(dāng)量使用電量與污水進(jìn)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(dāng)量制冷量，kJ/m³?
　　　　　X₇——未處理污水的進(jìn)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(dāng)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(jì)算。
　　

　　(12)表明制冷系數(shù)ε₁₂與污水進(jìn)出口溫差相關(guān)，當(dāng)進(jìn)出口平均溫差為3℃時(shí)，由式(12)可得ε₁₂＝3.76，其最大值則為無(wú)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(shí)可以發(fā)現(xiàn)，加大污水進(jìn)出口溫差，雖然可以提高制冷量、供熱量，但也會(huì)造成熱泵系統(tǒng)加大，使供熱系數(shù)、制冷系數(shù)相對(duì)降低，經(jīng)濟(jì)性不一定很高。

2 我國(guó)回收污水熱能的估測(cè)

　　國(guó)內(nèi)某企業(yè)現(xiàn)有一廠區(qū)、二廠區(qū)兩個(gè)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(méi)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(yùn)行、管理均達(dá)到其相應(yīng)的水平，假定處理后污水進(jìn)出口平均溫差為3.8℃，則污水的當(dāng)量供熱量為18040kJ/m³，供熱時(shí)的污水當(dāng)量用電量為1.113kW·h/m³。假定處理后污水進(jìn)出口平均溫差為5℃，則污水的當(dāng)量制冷量為17748 kJ/m³，制冷時(shí)污水當(dāng)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(yùn)行、管理均達(dá)到其相應(yīng)的水平，假定未處理污水進(jìn)出口平均溫差為1.9 ℃，則該污水的當(dāng)量供熱量為11477kJ/m³，供熱時(shí)的污水當(dāng)量使用電量為0.9758kW·h/m³。假定未處理污水進(jìn)出口平均溫差為3℃，則未處理污水的當(dāng)量制冷量為9931kJ/m³，制冷時(shí)污水當(dāng)量使用電量為0.7323kW·h/m³。 ?
　　根據(jù)日本的經(jīng)驗(yàn)，污水的未利用能量可用下式計(jì)算：?
　　利用能量(kJ)＝4.19×處理污水量×污水進(jìn)出口溫度差 (13)?
　　采用熱泵回收污水可能供熱(制冷)量時(shí)可用下式計(jì)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(jì)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(shí)測(cè)，假定空氣熱源供熱系數(shù)為3.5，制冷系數(shù)為4.0，同時(shí)設(shè)污水進(jìn)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。?

表1 一廠區(qū)節(jié)能效果表 運(yùn)行狀態(tài) 污水量
（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(shí) 250000 523750 430223 14029 3 供熱時(shí) 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(dòng)機(jī)效率為35%，則根據(jù)鍋爐效率和電動(dòng)機(jī)效率的概念可得：

　　85%=供熱量／燃料能量　　　　　　　　(17)
　　35%=功(當(dāng)量使用電量)/耗電量　　　 　(18)
　　當(dāng)燃料能量與耗電量相同時(shí)，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(jì)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(fèi)單價(jià)為Y元/kJ，燃料單價(jià)為Z元/kJ，供熱系數(shù)ε₂＝Y(jié)/Z×0.85，若Y/Z＝4時(shí)，ε₂＝3.4。?
　　利用污水熱能使用熱泵供熱時(shí)與鍋爐供熱相比費(fèi)用節(jié)省率為：

　　費(fèi)用節(jié)省率=(1-3.4/ε₂)×100%　　　　　(20)
　　由上式計(jì)算得出一廠區(qū)可降低費(fèi)用24%，二廠區(qū)可降低費(fèi)用4%，因此二廠區(qū)需提高污水進(jìn)出口溫差。?
　　由上可見(jiàn)，一廠區(qū)由于是以處理后的污水作為熱源，且污水進(jìn)出口溫差較二廠區(qū)大，因此其節(jié)能效率和費(fèi)用節(jié)省率均較為明顯。

3 結(jié)論 ?

　　①經(jīng)對(duì)日本回收污水熱能系統(tǒng)的運(yùn)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(shí)的情況。?
　　②加大污水進(jìn)出口溫差，雖可以提高制冷量、供熱量，但亦會(huì)造成整個(gè)熱泵系統(tǒng)加大，使供熱系數(shù)、制冷系數(shù)相對(duì)降低，經(jīng)濟(jì)性不一定很高。?
　　③經(jīng)對(duì)國(guó)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(yùn)行費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)：
　　［1］尹軍.城市污水中的熱能回收與利用［J］.中國(guó)給水排水，1998，(2).
　　［2］徐邦裕等.熱泵［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

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收稿日期：1999-10-16