第2章 城市污水废热利用研究

2.1 污水源热泵的研究现状

过多的能源消耗会导致诸如能源短缺、环境污染等一系列严重的问题，开发可替代能源或提高能源利用效率迫在眉睫。污水源热泵技术可以有效提高能源利用效率，在发达国家已经使用了多年，广泛用于公寓、商店、医院和办公楼等地方。全球污水源热泵技术应用普遍超前于技术研究，2000年以后，人们对污水源热泵技术的研究才逐渐开展起来。通过调查分析和对比研究，定量地给出了污水源热泵的优势：污水源热泵热水系统与其他加热器（如电锅炉，燃气、燃油和燃煤锅炉）相比，具有更高的能源效率。与空气源热泵（COP =2.8～3.4）和地源热泵（COP = 3.3～3.8）相比，污水源热泵具有更高的性能系数（COP = 4.0～4.6）。而且污水源热泵是一种环境友好型技术，不会增加空气污染物的排放。

本章将对国内外污水源热泵技术的研究现状进行总结和回顾。通过整理污水源热泵技术相关研究内容，包括污水中污染物对流动传热的影响、沉积在传热表面上的污垢生长过程等，阐明污水源热泵技术的研究热点。通过对污水源热泵专用设备和换热器的发展以及经济效益的综述，讨论该技术未来的发展机遇。

2.1.1 中国的污水源热泵研究报道

我国的污水源热泵技术在20世纪末才开始研究并报道。人们首先研究了污水源热泵在日本的应用情况，从理论上分析了我国污水的现状，并证明了使用污水源热泵的可行性，之后开始重视起来。表2-1中列出了我国的污水源热泵项目的分布情况。

由表2-1可知，污水源热泵项目主要分布在北京、黑龙江、辽宁、河北、山东和天津等省（市），在北方应用较多。由于天气寒冷，这些地区的建筑物在冬季有超过4个月的供暖需求。传统的采暖热源以燃煤锅炉为主，造成严重的大气污染和温室效应。另外，北方的污水温度高于冬季的环境温度，且低于夏季的环境温度，因此可以作为热泵系统的良好热源（汇）。

图2-1所示为我国报道的污水源热泵项目数量随年份变化统计。最早的污水源热泵项目建于2000年，2007年的污水源热泵数量达到最大值。污水源热泵技术在实际中的应用推动了其理论研究，包括：污水的流动和传热；换热面上结垢特点；专用污水取水装置；专用污水换热器。2007年之后，有关污水源热泵项目的报道逐渐减少。但随着污水源热泵新技术的开发以及国家碳中和目标的制定，我国报道的污水源热泵项目数又开始增多。

2.1.2 国外的污水源热泵研究报道

自20世纪80年代以来，污水源热泵陆续在德国、瑞士、瑞典和挪威等国家得到应用并被报道。这些国家以城市污水和污水处理厂的污水作为热源（汇），通过热泵系统向建筑持续供暖（制冷）。据估计，全世界有超过500个大型污水源热泵项目投入运行，其热值分布在10～20000kW范围内。国外出版物中报道的典型污水源热泵项目见表2-2。这些污水源热泵项目的应用经验总结如下：作为热泵的热源，处理后的污水优于原生污水；污水源热泵的供暖和制冷功能均具有较高的COP；增大污水入口和出口之间的温差可提高加热或冷却能力；直接式污水源热泵系统比间接式系统可节省约7%的能源。

表2-2中概述了国外典型的污水源热泵工程项目，而有关污水源热泵的研究却远超出了实际报告的工程项目数量。我国对污水源热泵的研究是从2000年左右开始的，因此从2000年开始统计了每年发表的关于污水源热泵的论文数量，并将中文论文与英文论文进行对比，结果如图2-2所示。可见污水源热泵得到了人们的持续关注，相关理论和技术在不断发展。

2.1.3 污水源热泵在其他特殊领域的应用研究

除了市政系统的污水（原生污水，二、三级处理后污水）以及江河湖海水，很多特殊场合排放的污水均含有大量废热，可以对其进行回收利用。例如，洗浴中心或家庭淋浴间、洗衣房、纺织厂、油田、药厂、啤酒厂、牛奶厂等的污水余热皆可因地制宜进行回收，以满足自身的工艺热能或厂区供热/制冷的需要。这类场所用热量较大，同时又产生大量废热，非常适合回收热量使其在场地内循环利用。研究表明，利用带蓄热器的热泵回收并存储家庭生活污水，如淋浴水、洗碗水和洗衣机排水等中的废热，来制备50℃的热水，可以作为用户热水供应和采暖辅助热源，该方案可为十口之家节约50%以上的能耗。

2.1.4 污水源热泵的经济效益

为了量化节能效率，刘兰斌等人将公共淋浴设施中用于废热回收的污水源热泵与几种常规的热水设备（电锅炉、燃煤锅炉、燃气锅炉和燃油锅炉）在初始成本、运营成本和环境保护等方面进行对比。不同系统的初始成本和年度运营成本的结果如图2-3和图2-4所示。在生产相同数量热水的情况下，初始成本的排名为：燃煤锅炉＜燃气或燃油锅炉＜电锅炉＜热回收系统＜太阳能系统。运行成本的排名为：热回收系统＜太阳能系统＜燃煤锅炉＜燃气锅炉＜电锅炉＜燃油锅炉。服务年限在20年内的项目总运行成本的比较如图2-5所示。尽管热回收系统的初始投资比其他设施要高一些，但两年后热回收系统的总成本（初始成本+运行成本）最低。假设所有系统均具有15年的使用寿命，那么采用热回收系统至少可节省95.34万元，而相比于最高成本的燃油锅炉，可节省438.44万元，具有十分可观的经济效益。

以排放烟尘（SOx、NOx、CO2）的量作为所有热水系统的年度污染物总排放量，表2-3中数据表明，污水源热泵系统与其他热水系统相比，在保护环境方面具有很大潜力。

另一个对比研究结果也证明了其经济性优势。污水源热泵的总运行成本[（初始成本+年运行成本）×15]为176.99万元，仅占燃油锅炉的30.7%（可节省399.53万元），占燃煤锅炉的83.9%（可节省33.49万元）。其次成本较低的是燃煤锅炉，其运行成本为210.48万元，但会造成环境污染。利用投资回收期法，以燃气锅炉初始成本为基准，通过污水源热泵所得的年净收益，来计算偿还超过原始投资所需要的年限，以支出除以年收益计算得到投资回收期。经过计算，针对污水热泵和燃气锅炉两种典型的热水系统，污水源热泵投资回收期不到一年（见表2-4）。可见使用污水源热泵热水系统的总运行成本低、投资回收期短，与其他热水方法相比具有明显的经济优势。

以华北地区为例，将污水源热泵系统与“常规锅炉+中央空调”系统进行经济性比较，结果见表2-5。污水源热泵的年运营成本最低（仅为12万元），可为面积为10000m2的建筑物供热（冬季）和制冷（夏季）。

与其他锅炉系统（油、电或煤）相比，污水源热泵系统在技术上是可行的，在运营成本方面具有明显优势，并且对环境保护发挥了重要作用。该技术可以在我国实际工程中作为一种有效的热水供应系统或建筑空调系统进行推广。