浅谈城市污水供热制冷技术的几点认识

摘要；随着当今世界人口和现代化经济的迅速扩张，能源使用的速度和规模都极具增长，这就加剧了矿物能源的消耗并导致了环境日益污染。我国能源消费总量位居世界第二，其中建筑耗能约占到能源消费的27.45%，建筑耗能是西方国家的三倍以上，其中在建筑耗能中有将近55%是采暖和空调的能耗。尤其我国北方地区以燃煤供暖为主，燃油、燃气供暖为辅。据统计，供暖能耗约占全年总能耗的13%。由此产生的二氧化硫及二氧化碳严重污染了我们周边的环境，严重地危害着人民的身体健康及城市形象。为贯彻国家“十一五”规划提倡的节能减排、倡导使用可再生能源，符合经济建设循环经济和节约型社会的要求，因此开发能够保护环境并且是可再生能源的新途径日益受到关注，成为我国可持续发展的战略性问题。

关键词：污水；可持续发展；供热制冷技术

中图分类号： U664.9+2 文献标识码： A

污水源热泵技术有机地将污水排放与城市能源结合起来，实现了“变废为宝”。污水源热泵系统是集成供暖、制冷和生活热水功能的高效率空调系统，具体的说就是把赋存在城市污水中的热量进行提取，利用温差进行热量交换后，用清水为室内热泵空调机组提供冷、热源。它的水源主要是城市污水及处理后的污水等水源。由于城市污水具有水量大、水温稳定、冬暖夏凉、随季节变化波动较小的特点，因此利用污水源热泵技术大规模开发利用污水中的能源已成为“节能降耗”的新模式，同时能够有效地改善我国能源的结构和发展可再生的清洁能源。污水源热泵技术在美国、北欧及日本等国家已经有了广泛的应用，在我国实际应用比较少。

城市污水作为新能源的特点及优势

水量的优势

城市污水量巨大，2002年环境公报显示，2002年我国废水排放量达到439.5亿立方米。根据“十一五”计划纲要，预计2010年我国污水排放量达到464亿立方米，若将全部污水进行热能回收转换，按照4℃温将计算，则污水源热泵系统可供暖空调建筑面积约4.8亿平方米。

城市污水水温的特点

由于我国地域广阔，气候差异较大，北方地区城市污水水温全年在10℃～27℃范围之间，随季节变化波动较小，冬季污水水温13℃～17℃，高出同期平均气温的20℃左右，夏季水温为22℃～27℃，比同期平均气温低的10℃左右，具有冬暖夏凉的特点，冬季污水水温是热泵理想的、丰富的热源；夏季水温空调废热理想的排放处，同时城市污水受气候影响非常小，在设备配置和系统运行上都非常安全可靠。

城市污水赋存大量的能量

城市污水作为载体，与空气源、土壤源比较，热量大，污水源热泵系统换热设备传热性能好，热泵系统运行稳定、效率高，制热系数在4.5甚至更高，而空气源、土壤源热泵系数在3.5以下。城市污水排放是城市排放废热途径之一，城市污水占城市区域废热排放的百分比很高，我国各城市所占比例在10%～16%之间，随着我国工业化进程的加快和生活水平的提高，城市污水的废热回收潜力仍会逐渐加大。

开发利用城市污水作为新能源的意义

节能环保

与太阳能、风能、潮汐能、地热等可替代能源同等重要，自然界的水与空气中还蕴藏有极大量的环境低位能源，全国每年排放城市生活污水500亿吨左右，其温度适宜稳定，冬季在严寒地区也有10℃以上，是丰富的热源；夏季20几摄氏度是空调废热理想的排放处。按温度升高或降低5℃计算，若全部开发所贡献出的热或冷，则提取能量为10亿GJ。这个热量可供20亿平方米建筑采暖。城市原生污水遍布城区，凡在建筑需要采暖空调之处，均有污水的排放。建筑物排放污水中所含的热能足以供应1/7左右相应建筑面积采暖空调的能耗。

利用空气做冷、热源的机组叫做空气源热泵，利用环境中的水体做冷、热源的叫做水源热泵。与水源热泵相比，空气源热泵机组的投资大，能源利用效率低，而且在我国北方地区由于冬季室外空气温度太低，空气源热泵已经失去了应用的可行性。

水源热泵能够使用少量电能从污水中摄取大量冷、热能量去满足建筑物对冷、热的需求。燃煤供热的效率为0.6左右，按热泵供热的能源利用效率为4计算，虽然火力发电时的效率仅为1/3左右，电驱动热泵的综合能源利用效率可达4/3，与0.6相比节煤55%。每使用一吨环境水作热泵的冷、热源，可节省燃煤1-3kg。大量开发天然水体和城市污水中的冷、热源，全国有望每年节省燃煤上亿吨。

热泵运行对环境是零污染。每公斤煤的燃烧会向大气排放CO2三公斤，此外还有大量粉尘、SO2等各种有害物质。大力推广水源热泵对环境保护的贡献也是不可估量的。

另一个巨大的环保价值体现在避免对城市空气的热污染方面。传统的水冷机组空调，或者分体空调都是将废热向大气中排放。所谓空调越开城市越热，形象地描述了空气热污染的危害。而污水源热泵无论是使用城市污水，还是使用江河湖海等地面水，夏季空调时房间中的废热都是被排放到了这些水体中。这对北京、上海、广州等建筑物密集的大城市尤为重要。

节能环保

投资：污水热泵空一机两用，夏季空调，冬季供暖，而且夏季是使用空调废热无能耗地制备热水。与冬季接热网或自备锅炉房，夏季中央空调的传统方法相比，热泵空调主机投资相同，本方案多投入污水处理设备，但省下了空调冷却塔和热网入网费或锅炉房费用，以及大量的占地空调。总体估算节约初投资30%左右。与地源热泵或地下水源热泵系统相比，净节省耗资很大的打井费用。

运行费：夏季空调时由于污水对机组的冷却效果要好于冷却塔，故机组的COP值高于传统系统，夏季约可节电10%。冬季采暖的成本主要是燃料费。燃煤、燃油、燃气、燃电诸方式无论采用哪一种，即使将初投资分年度折旧计入，燃料成本均还要占80%～90%。各种采暖能源成本比较见表：

名称 燃料热值

Q 转化总效率

η 燃料单价

c 燃料成本

（元/GJ）

煤 5000kcal/kg 0.6 400元/吨 32

油 0.85 4000元/吨 95

天然气 0.88 2.2元/m3 67

人工煤气 8000kcal/kg 1 1.0元/m3 77

电锅炉 3500kcal/kg 0.47元kwh 130

水源热泵 3600kJ/kg 4 0.47元kwh 32

由表中数据可见，燃料成本最低的仍然是燃煤供热，水源热泵在采用民用电价时是可以与之相媲美的。燃油与燃气的燃料成本均要高出1-2倍。直接燃电要高出3倍。

冬季采暖的运行费用大都略高于燃料成本，但燃煤采暖除外。城市热网包括管理费在内的实际收费约为其燃料成本的1.8倍。由此可见，水源热泵的运行费用是其它热源无法比拟的。

污水源热泵在天津的应用

利用污水源热泵技术在我市的一些工程项目中还在试验起步阶段，如纪庄子再生水厂供暖改造工程，及河西区天津公馆空调工程，纪庄子再生水厂供暖改造工程已于2005年底投入运行，天津公馆空调工程还在进行建设中。

纪庄子再生水厂供暖改造工程利用二级处理后的污水实现了再生水厂的供暖，投入使用后，系统运行稳定，供暖效果达到了设计要求，该工程是我市首次成功将城市污水厂二级出水应用污水源热泵技术进行供暖。经过两个供暖期验证，得到了大量的有效的数据结果，经分析表明直接利用污水热能方式是目前提供污水热能利用率，节能效果较好的方式，它比间接利用高出7%左右，同时减少了投资和使用备用热源的可能性；污水源热泵系统选择了高温型水源人泵机组，出水能达到60℃～65℃左右，且能满足普通铸铁散热器的供暖方式，实现了污水低温热能的应用，该工程已同过了市建委专家地技术鉴定。该工程证明了污水热源泵在我市应用的可行性，为污水热源泵供热在我市供热工程起到了示范及借鉴作用。

结论

随着天津市全面推进节能减排。强化节能减排目标责任，确保实现“十二五”节能减排约束性目标，一次能源消费中煤炭比例降至50%以下，在利用清洁能源，大气环境、水环境和废弃物处理上应再上一个新台阶。因此利用污水能进行供热与制冷的潜力巨大，与传统的冬季锅炉或热网供暖、夏季中央空调系统相比，污水热能采集装置的初投资与运行费用约可节省25％，该技术将城市污水科学高效使用后，没对周边环境造成丝毫的污染，基本实现了零污染，从而贯彻了国务院提出的“节能减排”号召，综上所述推广使用污水能供热制冷，是一件利国利民的好事，发挥其社会效益、环境效益和经济效益，从而进一步将我市建设成资源节约型、环境友好型社会。

参考文献：

吴荣华， 张承虎， 孙德兴， 任南琪 .严寒地区城市污水冷热源对污水生化处理影响研究 。《全国暖通空调制冷2006年学术年会论文集》2006年