呂鑑 ，馮彥剛
（北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)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?；厥盏哪茉纯捎糜谥茻峄蛑评?。通過將污水水源熱泵與地下水水源熱泵系統(tǒng)和燃?xì)馐照{(diào)供冷相結(jié)合的供能方式進(jìn)行比較得出結(jié)論，綜合各項(xiàng)費(fèi)用污水水源熱泵最省，地下水水源熱泵次之，燃?xì)馐绽淇照{(diào)系統(tǒng)的費(fèi)用最高。
　　關(guān)鍵詞：城市污水；熱泵；熱能回收；節(jié)能
　　中圖分類號：TU992.3，TU833
　　文獻(xiàn)標(biāo)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(yù)計(jì)到2015年城市污水年處理量將達(dá)到360.95×108m³。城市污水處理廠的出水水量穩(wěn)定，水溫比較恒定，常年保持在一定的范圍內(nèi)，具有冬暖夏涼的特點(diǎn)。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(dá)13.5－16.5℃，平均高出周圍環(huán)境溫度20℃左右，夏季出水水溫為22－25℃，要低于外界環(huán)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(dāng)?shù)耐緩?，加以利用，可以?jié)約大量能源，降低部分污水處理費(fèi)用，還可以為節(jié)約能源與新能源的開發(fā)利用尋找一個有效的途徑。
　　采用污水水源熱泵技術(shù)可實(shí)現(xiàn)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(chǎn)性試驗(yàn)，充分證實(shí)了本方案的技術(shù)可行性。

1 污水水源熱泵的概念

　　所謂“水源熱泵系統(tǒng)”，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(jī)系統(tǒng)，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(nèi)的熱量“提取”出來，釋放到水中，從而降低室溫，達(dá)到制冷的效果。其能量流動是利用熱泵機(jī)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?zé)嵩?，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(tài)，從而達(dá)到吸收低溫?zé)嵩粗袩崮艿淖饔谩?br> 　　“污水水源熱泵系統(tǒng)”即以污水作為提取和儲存能量的冷、熱源的水源熱泵系統(tǒng)。

2 試驗(yàn)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(wěn)定（日處理水量80×104m³)。經(jīng)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(jù)污水廠出水的這一特點(diǎn)，擬采用水源熱泵系統(tǒng)在夏季為部分生產(chǎn)車間提供制冷，冬季進(jìn)行供熱。
　　試驗(yàn)的工作系統(tǒng)如圖1所示：

　　工作系統(tǒng)說明：
　　如上圖所示，冬季循環(huán)中換熱器二作為冷凝器，工作系統(tǒng)中的循環(huán)工質(zhì)經(jīng)壓縮機(jī)壓縮以后，變成高溫高壓的熱蒸汽，流經(jīng)換熱器1（冷凝器），與循環(huán)水進(jìn)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(shí)，熱蒸汽冷凝成為液態(tài)工
質(zhì)，經(jīng)膨脹閥的降壓節(jié)流轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊簯B(tài)工質(zhì)（其溫度要低于污水的溫度L經(jīng)換熱器2（蒸發(fā)器）在出水井中與污水進(jìn)行熱交換，吸收污水中的熱量后溫度升高，蒸發(fā)為低溫低壓的氣態(tài)工質(zhì)后被吸人壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，依此，工質(zhì)進(jìn)行下一個工作循環(huán)過程。通過這樣的一個循環(huán)過程后，工作系統(tǒng)可以將污水中的低位熱能轉(zhuǎn)化為可以直接利用的高品位熱能。
　　夏季循環(huán)中，通過四通閥和單向閥的換向作用，循環(huán)工質(zhì)在工作系統(tǒng)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(fā)器。工質(zhì)經(jīng)過類似冬季的循環(huán)過程后，吸收室內(nèi)的熱量，然后釋放到污水中，從而達(dá)到制冷的目的。

3 試驗(yàn)過程與結(jié)果

　　夏季系統(tǒng)制冷試驗(yàn)從2000年7月25日開始進(jìn)行，到2000年9月19日結(jié)束。期間最長連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為35d，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為49d。試驗(yàn)過程中，由于試驗(yàn)測試設(shè)備故障問題，從2000年8月8日到15日，系統(tǒng)停止運(yùn)行8d。系統(tǒng)在制冷過程中的平均性能系數(shù)為3.34。
　　冬季系統(tǒng)供熱試驗(yàn)從2000年12月19日開始，到2001年3月1日停止，試驗(yàn)系統(tǒng)累計(jì)運(yùn)行50d左右，其中在試驗(yàn)過程中由于試驗(yàn)測試系統(tǒng)故障或其它原因，共停機(jī)5次，試驗(yàn)中系統(tǒng)最長連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為12d。系統(tǒng)的平均供熱性能系數(shù)3.96。
　　本試驗(yàn)系統(tǒng)在運(yùn)行期間，性能穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著，較好的滿足了300m²左右的生產(chǎn)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(tǒng)（以下簡稱污水熱泵）與地下水水源熱泵系統(tǒng)（以下簡稱地下水熱泵）和燃?xì)忮仩t供熱與普通空冷空調(diào)供冷相結(jié)合的供能方式進(jìn)行了比較J較的內(nèi)容包括耗能量、設(shè)備投資、單位負(fù)荷年運(yùn)行成本。各方案的經(jīng)濟(jì)計(jì)算，取北京市暑期為90d，供熱期為120d。地下水水源熱泵系統(tǒng)采用國內(nèi)某知名廠家生產(chǎn)的QY－6型水源熱泵機(jī)組，其制冷性能系數(shù)為3.15，供熱性能系數(shù)為4.04。燃?xì)夂涂绽涫娇照{(diào)系統(tǒng)中的空冷空調(diào)采用某廠生產(chǎn)的HSWR－8型空調(diào)機(jī)，該機(jī)制冷性能系數(shù)為2.73。
4.1 耗能比較
　　耗能是指系統(tǒng)為提供設(shè)計(jì)負(fù)荷的能量時(shí)所消耗的外界能量，如電能、天然氣等J較結(jié)果見表1。計(jì)算公式如下式：

　　　　　　項(xiàng)目耗能量=[夏季制冷耗能量+冬季供熱耗能量/年累計(jì)工作負(fù)荷量] kW/kW

表1 耗能情況比較 項(xiàng)目 污水熱泵 地下水熱 燃?xì)?空冷空調(diào)協(xié) 深井水泵 62.20 電功率×10³ 熱泵機(jī)組 248.88 244.61 173.11 循環(huán)水泵 60.15 29.02 29.02 小計(jì) 309.03 335.83 202.13 天然氣耗量/（m3.h-1) 0.127

4.2 設(shè)備的初投資比較
　　設(shè)備的初投資主要包括：土建費(fèi)、設(shè)備購置費(fèi)。安裝費(fèi)及其它費(fèi)用等。系統(tǒng)主要設(shè)備的初次投資以單位負(fù)荷能力的投資量計(jì)算，比較結(jié)果見表2。計(jì)算公式如下式：

　　　　單位負(fù)荷設(shè)備投資量=設(shè)備項(xiàng)目投資費(fèi)用/工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作負(fù)荷能力（元/kW)

表2 設(shè)備的初投資比較 元/kW 設(shè)備費(fèi)用項(xiàng)目 污水熱泵 地下水熱泵 燃?xì)?空冷空調(diào) 深井水泵 　 43.00 　 熱泵系統(tǒng) 822.00 724.82 359.41 深井 　 450.45 　 換熱器 231.14 80.26 98.28 循環(huán)水泵 12.29 12.29 12.29 電力增容費(fèi) 233.42 233.42 　 天然氣增容費(fèi) 　 　 1214.99 合計(jì)（計(jì)增容費(fèi)） 1298.85 1544.24 1684.97 （不計(jì)增容費(fèi)） 1065.43 1310.82 469.98

4.3 單位負(fù)荷年運(yùn)行成本
　　年運(yùn)行成本是指系統(tǒng)中各部分的運(yùn)行費(fèi)，如水費(fèi)、電費(fèi)、燃料費(fèi)用污費(fèi)、管理人員工資、管理費(fèi)、設(shè)備維修、大修費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)等，比較結(jié)果見表3。單 位負(fù)荷年運(yùn)行成本的計(jì)算公式見下式：
　　單位負(fù)荷年運(yùn)行成本=[夏季制冷總運(yùn)行成本+冬季供熱總運(yùn)行成本/年工作總負(fù)荷量]×年總運(yùn)行時(shí)間

表3 單位工作負(fù)荷年運(yùn)行成本比較 元/（kW.a) 運(yùn)行費(fèi)用 污水熱泵 地下水熱泵 燃?xì)?空冷空調(diào)協(xié) 熱泵/鍋爐 21.08 20.69 0.69 深井水泵 　 21.44 　 循環(huán)水泵 9.42 9.42 3.15 天然氣 　 　 172.33 折舊費(fèi) 53.25 65.54 23.50 維修費(fèi) 10.65 13.11 4.70 合計(jì) 94.40 130.20 204.37 　 　 　 　

　　其中，對于污水水源制冷性能系數(shù)以其試驗(yàn)期間的平均值為3.34，供熱性能系數(shù)為3.84。計(jì)算中取電費(fèi)為0.36元/（kw·h），天然氣費(fèi)用為1.40元／m³；折舊費(fèi)取系統(tǒng)總設(shè)備費(fèi)的5％（設(shè)備費(fèi)用以20a計(jì)算)；維修費(fèi)按設(shè)備費(fèi)的1％計(jì)算。
4.4 單位負(fù)荷年運(yùn)行費(fèi)用
　　單位負(fù)荷年度運(yùn)行費(fèi)用AC的計(jì)算公式為：
　　AC＝I（A／P，i，n）+C（F／A,i，n）／20
　　式中：Ⅰ——工作系統(tǒng)單位負(fù)荷設(shè)備投資量，元/kW；
　　(A／P,i,n)——等額支付系列資金恢復(fù)系數(shù)，當(dāng)
　　利率i＝6％、資金恢復(fù)期n＝20a時(shí)，（A／P，i，n)= 0.0872
　　C——單位負(fù)荷年運(yùn)行成本中扣除設(shè)備折舊費(fèi)后的剩余值，元/kW；
　?。‵／A,i，n——等額支付系列復(fù)利系數(shù)，當(dāng)利率i＝6%、資金支付期n＝20a時(shí)，（F／A, i，n）=36.7856，結(jié)果見表4。

表4 單位工作負(fù)荷年運(yùn)行費(fèi)用比較 元／kw 年運(yùn)行費(fèi)用 污水熱泵 地下水熱泵 燃?xì)猓绽淇照{(diào) 計(jì)增容費(fèi) 168.59 253.59 480.43 不計(jì)增容費(fèi) 188.95 233.23 374.48

　　由上面的各方案經(jīng)濟(jì)計(jì)算可以看出：從投資上說污水水源熱泵系統(tǒng)的投資約為地下水水源熱泵系 統(tǒng)投資的80％左右。燃?xì)?空冷空調(diào)系統(tǒng)的投資最??；從年運(yùn)行費(fèi)用上看，燃?xì)?空冷空調(diào)系統(tǒng)的費(fèi)用最高，地下水水源熱泵系統(tǒng)的次之，污水水源熱泵系統(tǒng)的最低。在投資有效期（取20a)內(nèi)，綜合比較3種方案的費(fèi)用，污水水源熱泵系統(tǒng)的總運(yùn)行費(fèi)用大約是地下水水源熱泵系統(tǒng)的70％左右，是燃?xì)?空冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的45％左右。由此可見，污水水源熱泵系統(tǒng)比其它兩方案更具經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

　　污水水源熱泵的應(yīng)用在我國尚處在起步的階段，但由于其良好的運(yùn)行性能和突出的經(jīng)濟(jì)效果，以后必將會廣泛應(yīng)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(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，副教授。