1.1 城市污水废热回收利用及污垢

2019年统计数据显示，我国建筑能耗占全国能源消费总量的33%，建筑碳排放高达全国总碳排放的38%。全球建筑能耗占全球能耗总量的35%，超过工业和交通能耗。2020年，美国的住宅和商业建筑的能源消费占其全国能源消耗总量的40%。在建筑能源消耗中，约有36%用于供暖、空调及加热生活用水。根据Tomlinson的报告，每年大约有3500亿kW·h的能量以废水的形式损失掉，蕴含着巨大的热回收潜力。瑞士研究者的报告指出，在供给建筑的总能量中，约有超过15%的能量被污水系统直接排放。卢森堡的研究者指出，2013年住宅热水能耗占欧盟家庭供暖需求的16%，损失的能量可以通过建筑物内部的热回收系统进行回收。英国于2018年制定目标，在2050年之前减少80%的二氧化碳排放。随着城镇化和工业化的发展，人们的生产生活中会产生大量含有废热能的污水。使用热泵技术回收污水中的废热，将废热资源进行可持续化提取和品位提升，直接或间接地满足建筑及工业等领域的用热需求，是节能环保的重要体现，且具有显著的经济效益。近年来，城市污水、处理过的污水、生活污水、洗浴废水和工业废水的热回收引起了人们的广泛关注。

1.1.1 废热利用的可行性及潜力

能源短缺和环境污染已经成为全球、全人类密切关注的两大问题，可持续发展理念受到了社会各界的重视。面对庞大的资源需求和不确定的国际环境，为了确保能源结构的优化和我国能源供应安全，需要我们居安思危，未雨绸缪，呼吁更多研究人员寻找可再生和可持续的能源来替代化石燃料。另外，随着我国城市化进程的加快和人口的增长，除了能源短缺和环境污染问题外，水资源短缺问题也越来越严重，污水源热泵夏季运行时，节省了空调冷却水系统，有利于节约用水。

开发和利用新的冷热源应该满足节能、环保和健康发展的要求，而城市污水作为热泵的低位热源恰恰能够满足上述要求，在解决能源危机、提高能源利用效率方面发挥着重要作用。据资料统计，43%～70%的能源主要以废热的形式丢失，而排放污水中的废热占有很大比例。对这些废热回收利用，来满足城市供热、空调和热水供应的能源需求，具有巨大的应用潜力。污水源热泵系统除了具备热泵系统普遍具有的节能清洁等诸多优点外，更兼备了污水自身的优势。例如，城市污水水温适宜且波动小，水量充足且流量稳定，污水低位热能巨大，具有稳定性、可靠性、经济性、环保性等优点。

（1）水温适宜且波动小 城市污水水温受气候变化影响较小，从水温来看适宜作为城市供热热源。公共浴室的排水温度一般在30℃以上，夏季生活污水的排水温度一般在20℃左右，冬季的排水温度一般在11℃左右。就哈尔滨地区污水温度而言，最高为18℃，最低为10℃，全年的变化幅度仅为8℃，其中最高温度出现在7、8月份，最低温度出现在3月份。

（2）水量充足且流量稳定 生活污水在城市污水中占比大，水源分布广，资源充沛，将污水源热泵系统建设在合适的污水排水沟渠附近，能够保障足够的污水水源。另外，污水排放量与人们生活习惯有关，且一般呈规律性变化，保证了可利用污水水量的周期性稳定。

（3）污水低位热能巨大 冬季城市污水水温明显高于室外空气温度，储热丰富；夏季污水温度较室外温度偏低，可用来作为空调冷源。城市污水与热泵联合具有明显优势，是理想的热泵冷热源，能够为人们的生产生活提供可观的清洁能源，缓和人与自然的冲突。在减少煤炭、石油等不可再生能源使用的同时，可以减少污染物和CO2排放，环保效益显著。

对污水源热泵系统的开发与推广有助于促进城市污水的资源化利用，具有节能减排、生态环保和促进经济发展等意义。污水源热泵是一项具有发展前景的节能技术，但污水源热泵系统亟需关注的焦点是专用污水换热器。污水中含有各种各样的杂物、悬浮物，容易沉积，换热器表面容易结垢，造成换热器整体换热效率下降，影响管路的通畅性及系统的稳定性。污水废热回收的节能潜力巨大，但在推广中需要解决污水换热器的堵塞、腐蚀、结垢等一系列问题。

1.1.2 热泵回收污水废热项目介绍

利用热泵对污水废热进行回收，被称为污水源热泵系统，是最常见的污水废热回收方式。目前，污水源热泵系统根据污水是否进入蒸发器而被分为直接式和间接式；按热泵工质来分，有氟利昂、二氧化碳和氨等工质；按照热泵结构来分，有单级、多级、复叠式及辅助式等；按污水换热器的形式来分，有淋激式、浸泡式、壳管式和板式等。

1.国外城市污水废热回收项目

从20世纪80年代，就有了利用热泵回收污水废热用于供暖和热水供应的工程实例。应用较早的是瑞典、挪威等北欧国家：挪威奥斯陆1980年开始建设利用未处理城市原生污水作为热源的热泵站，于1983年投入使用。挪威ASKER污水处理厂建成了原生污水热泵，供厂外开发区28栋商业建筑空调使用，供热面积15.5万m2。瑞典以处理后污水为热源，选用螺杆式压缩机建立了3.3MW的热泵系统，于1981年投入使用，系统平均性能系数（coefficient of performance，COP）为2.6，成本回收期为6.5年。其中的换热管采用镀锌碳素钢，未见污水腐蚀现象。瑞典的RAY污水处理厂以二级处理后污水为热源，为5170栋建筑集中供热。瑞士苏黎世市政厅由Sulzer公司承建了大型污水源热泵系统。瑞典斯德哥尔摩、哥德堡、厄斯特松德等城市建成了十余处大型污水源热泵站。整个瑞典的建筑中，40%都采用热泵技术为其供热，而其中的10%是以污水处理厂处理后的污水作为热泵的热源。在俄罗斯的莫斯科，一所服务性建筑应用污水处理厂二级出水向室内游泳池供热，向人工滑冰场供冷，并为融雪装置供热。1981年萨拉应用二级出水建立了热泵站。污水源热泵系统在德国、芬兰和荷兰也有不同程度的应用。有关污水热能的研究与利用在日本发展较快，1986年东京落合污水处理厂建成了二级出水热泵，冬季COP为4.3，夏季COP为4.6。1987年东京汤岛泵站建立了原生污水热泵，换热面可自动清洗。英国南部于1988年应用的污水源热泵系统生产热水温度45℃，COP可达4.5，与其他供热方式相比节能效果显著。日本千叶县花则污水处理厂，先后于1991年和1998年以二级出水为冷/热源建成了集中供热/空调系统。日本东京大区污水管理局12个污水源热泵项目中4个采用原生污水，8个采用二三级出水。日本荏源公司对污水源热泵进行了经济性评价，与电制冷+燃油锅炉相比节省初投资25%，节省运行费用40%。2001年，美国杜塞特工业公司利用重力热管换热器，降低生产热水中所需的能量。这是一种简单有效的方法，可降低热水淋浴所需能量的30%～50%。韩国太阳能研究中心于2004年开展的一酒店污水源热泵项目，其年平均COP约为4.8。除冬季周末外，热泵可承担100%的热水负荷。芬兰图尔库地区2020年可再生能源利用水平超过50%，当地的Kakole污水处理厂于2009年初开始回收废热，为图尔库的公共建筑和家庭提供区域供暖和制冷所需能源。韩国镇川试验场2018—2020年期间能源供应（供暖和制冷）的运行数据显示，在制冷季节污水源热泵的COP为2.9。塞尔维亚拟在区域供热系统中引入污水源热泵，每年可节约5%的一次能源，减少6.5%的二氧化碳排放。

2.国内城市污水废热回收项目

我国污水源热泵技术在20世纪末才逐渐得到应用，技术发展与推广过程较快。最初的工作是尹军带领的团队对日本以及我国污水废热状况的理论分析。2000年，北京市排水集团在高碑店污水处理厂开发的污水源热泵实验工程，是我国应用较早且较为典型的项目，空调建筑面积达900m2。2001年，大庆富尔达环保节能科技有限责任公司安装了一套以城市原生污水作为热（冷）源的热泵机组，作为700m2建筑的空调系统。这是我国最早的城市原生污水热泵系统，其采用了浸泡式污水换热器，即将蒸发器（冷凝器）直接浸泡在污水池中。2002年，哈尔滨第二水泵厂有限公司、宣化桥马家沟西侧欧式别墅又投建了污水源热泵实验工程。2003年建设投运的有哈尔滨望江宾馆、大庆恒茂服饰家具商场。同年，秦皇岛第四污水处理厂采用二级出水作为污水源热泵的热源/热汇为厂内3038.78m2的办公环境供热/制冷。该污水源热泵机组二级出水直接进入冷凝器，属于直接式系统。2005年北京市宝盛里小区也应用了污水源热泵空调系统，该居民小区面积为80000m2，是北京市第一个使用污水热泵系统采暖制冷的小区。同年，北京的北小河、高碑店、卢沟桥、酒仙桥4座污水处理厂均使用污水热泵为厂内供冷，共节约电能25%以上。在2008年，390000m2的北京奥运村同样应用了污水源空调。2010年北京城区污水厂日产污水250万t，基本可供3亿m2的建筑采暖以及制冷。虽然我国污水源热泵技术起步较晚，但发展与推广过程迅速，目前已成为高效回收城市及工业废热的有效技术手段。2010年沈阳市沈水湾污水处理厂的污水源热泵改造工程竣工，系统可为厂区内综合楼、活动室、污泥脱水间、鼓风机房汽车库等十多个单体供热（冷）。冬季取暖时利用1万t污水为建筑供热4个月，可减少二氧化碳排放量5040t。2011年安阳市广厦新苑小区建成，小区从安阳市东区污水处理厂的污水中取热，利用污水源热泵为居民提供冬季供暖、夏季供冷和生活热水。2013年邯郸市西污水热泵能源站开工，项目利用西污水处理厂排放的二级污水作为空调系统的热源与热汇，结合热泵与水蓄能技术，为周边建筑供冷、供热。相对于燃煤锅炉房，该项目提高一次能源利用率63%，每年可节约标煤约1163.8t。青岛市于2014年启动实施了团岛污水处理厂蓝海新港城污水源热泵工程，利用蓝海新港城邻近团岛污水处理厂的地理优势，建设了污水源热泵系统，作为住宅区居民冬季供热系统和夏季制冷系统使用。2018年，在哈尔滨市拆并燃煤小锅炉的过程中，包括新发小区在内的周边五个小区冬季供暖开始采用污水源热泵，实现供热6600户，是目前国内最大的污水源热泵单体供热项目。2020年河北省清河县怡海花园利用污水源热泵技术从碧蓝污水处理厂收集中水，为21.3万m2的住宅建筑供热。

1.1.3 污水换热的污垢问题

城市污水常用来作为热泵的热源进行供热，在污水废热回收过程中，由于污水水质恶劣，污水换热器以及整个废热回收系统均面临更高的要求。污水换热器的结构、材质、除污装置、防堵防腐防垢技术，以及污水源热泵系统形式等都将决定污水废热回收的可行性与可靠性，这也是在推广和使用污水废热回收技术前需要解决的重点和难点。

换热器表面结垢现象是其使用过程中面临的普遍问题，是阻碍技术发展的关键因素之一。据不完全统计，工业中总燃料能源的1%～5%用于克服污垢造成的影响。污垢问题增加的二氧化碳排放量达到人类排放二氧化碳总量的2.5%，即污垢对环境的影响已经达到了污垢造成的额外成本对国民生产总值影响的10倍。由污垢问题造成的影响（包括降低换热器的效率、带来的相关运营问题），可能导致市场增长趋势会在某预计的时期内受阻。