197污水源热泵技术在某钢厂的应用研究全文

污水源热泵技术在某钢厂的应用研究 北京建筑工程学院 陈红兵 李德英 邵宗义 摘要：阐述了污水源热泵系统的特点，分析了污水源热泵采暖与生活热水系统在某钢厂的应用，包括方案设计、技术参数分析、经济性分析。结果表明，污水源热泵系统投资略高，但运行费用低，回收期短。

关键词：污水源热泵 采暖系统 生活热水系统 应用研究 1 前言 随着经济的不断发展，人们对居住和工作环境的要求越来越高。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%。采暖带来的环境污染，不仅严重地危害着市民的身体健康及城市形象，也给地球生态带来影响。为了实现可持续发展的战略目标，对资源并不富裕，环境尚差的中国来说，考虑到自然资源的有限性，污水源热泵技术是一个不错的选择。 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”。通过热泵技术可以为适宜的区域提供供暖、制冷和生活热水。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，它的水源来源主要有：地下水、埋管换热循环水、河水、湖水、海水、城市污水、再生水等水源。建设水源热泵系统，开发水中的能源，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[1]。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，2004 年初，中国内地首例利用污水作为能源供热制冷的项目在北京市密云污水处理厂开始试运行[2]。 2 污水源热泵的特点[3,4] 污水源热泵技术的特点包括： 1) 污水处理量大，水源稳定，主要来源为生活污水，集中排放。 2) 污水冬暖夏凉。长期测量的数据表明，城市污水中具有较大的热量。北京地区冬天温度在13℃至17℃，高出日常气温20℃；夏天，污水水温为22℃至25℃，又比日常气温低了10℃。 3) 全年的水温变化幅度较小。对北京地区而言，1月份和8月份的大气温差在40℃，河水的温差均在25℃，而城市污水的温差只有12℃，温度变换幅度较小，因而可在全年获得比较稳定的水温，可作为稳定的冷热源。 4) 受气候影响小。比如对于太阳能的利用，在夜间不能加以利用，而且还受阴天下雨等气候因素的影响，可以说是一种不稳定的热源。对于空气源热泵系统，因为室外气温在一天当中波动较大，所以也是一种不稳定的冷热源。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。 5) 节约能源。污水源热泵系统70%以上的能量是来自于大自然或废弃物，是无须“付费”的，只有30%以下的能量，由电能驱动转化而来，产出能量与输入电量的比值（COP）在4-5 之间，与以电、油和气为热源的供热系统相比，污水水源热泵具有明显的优势。 3 应用研究 3.1 背景介绍 北京某钢厂在生产过程中产生大量工业污水，污水温度35℃，水量3200吨/天。因工艺要求，需用冷却塔将污水降温后循环使用，造成大量能量浪费。鉴于此，采用污水源热泵系统回收污水中的热量，用于采暖和生活热水供应。 3.2 方案设计 本系统利用生产污水中的热量，采用污水源热泵系统进行采暖和生活热水供应。水源热泵具有水温波动小、热量输出稳定、COP 值高、换热效果好、机组结构紧凑等优点。与空气、地下水、土壤等低品位热源相比，本系统的生产污水是很好的中品位热源，且流量大，有着非常大的热能利用潜力。 因采暖系统和生活热水系统功能的差异及对水质要求不同，本方案把采暖系统和生活热水系统分开，采用两套污水源热泵机组。95％（3040吨/天）的生产污水用于采暖，5％（160吨/天）的生产污水用于生活热水，生产污水的出水温度控制在20℃（满足循环使用要求）。 生活热水系统的供水温度为65℃，自来水温度10℃。为稳定水压和调节供水量，特设置贮热水罐。另外，通过循环水泵保证20％的循环水量，以维持管中一定的热水温度。用水泵进行补水或给水，补水箱可和采暖系统共用。采暖系统的供水温度65℃，回水温度50℃。用补水泵进行补水，补水需经过软化和除氧处理后方可进入系统。

图1 污水源热泵采暖、生活热水供应系统图 3.3 技术参数和指标 表1 采暖系统技术参数与指标 供水温度 65.0 ℃ 回水温度 50.0 ℃ 热泵机组供给热量 171,547,200.0 kJ 供给热负荷 1,985,500.0 W 采暖热指标 60.0 W/m2 采暖面积 33,091.7 m2 循环水量 113,891.0 kg/h 补水量 5,694.6 kg/h 由表1可以看出，该污水源热泵采暖系统可以满足约3.3万平米面积的冬季采暖，以每户100平米计算，可以供应330户家庭的采暖。 表2 生活热水系统技术参数与指标 自来水温度 10.0 ℃ 生活热水温度 65.0 ℃ 热泵机组供给热量 9,028,800.0 kJ 生活热水量（每天） 39,250.5 kg/d 生活热水量（每小时） 1,635.4 kg/h 生活给水量（补水量） 1,308.4 kg/h 生活热水循环水量 327.1 kg/h 由表2可知，污水源热泵生活热水系统每天产生约40吨生活热水，每天每户生活热水用量以80公斤计算，该系统可供应500个用户的生活热水。 3.4 经济性分析 3.4.1 计算基本条件 表3 燃料价格 煤价 18.2 元/GJ 400 元/吨 气价 50 元/GJ 1.8 元/Nm3 油价 82.8 元/GJ 3328 元/吨 电价 133.3 元/GJ 0.48 元/KWh 表4 锅炉房效率 热源类型 燃煤 燃气 燃油 电

锅炉房效率 0.6 0.8 0.75 0.95 3.4.2 经济参数和指标 1）污水源热泵采暖系统 表5 不同热源采暖系统初投资与运行费用比较 热源类型 热泵 燃煤 燃气 燃油 电 初投资 （万元） 387 165 496 529 364

运行费用 （万元/年） 13 79 107 149 211

运行费用 （元/平米.年） 4 24 32.3 45 63.9

表5为不同热源型式的采暖系统初投资与运行费用对比表。由表中可知，燃煤锅炉采暖系统的初投资最低，燃油锅炉采暖系统的初投资最高，污水源热泵系统的初投资比燃煤锅炉高，是它的2.35倍，和电锅炉相当，比燃气和燃油锅炉低。一般情况下，地下水源热泵系统的初投资是燃煤锅炉系统的4倍，因本系统的污水源可直接获得，不需打井抽水，所以可节约一定的初投资和运行费用。从运行费用来看，热泵系统最低，仅为13万元/年，相当于4元/平米.年。电锅炉采暖的运行费用最高，为211万元/年，是热泵采暖系统的16倍。

3.92.81.91.3

0.00.51.01.52.0

2.53.03.54.0

回收期（年）

燃煤锅炉燃气锅炉燃油锅炉电锅炉

3.8

1.60.90.7

0.00.51.01.5

2.02.53.03.54.0回收期（年）

燃煤锅炉燃气锅炉燃油锅炉电锅炉 图2 与不同热源采暖系统比较之回收期 图3 与不同热源生活热水系统比较之回收期 图2所示为污水源热泵采暖系统与其它不同热源采暖系统相比较的回收期。总的来看，回收期均在4年之内，与常用的燃煤、燃气锅炉采暖系统，回收期只有2～4年。 2）污水源热泵生活热水系统 表6 不同热源生活热水系统初投资与运行费用比较 热源类型 热泵 燃煤 燃气 燃油 电 初投资 （万元） 28.7 18.4 55.2 58.8 40.4

运行费用 （元/吨） 1.6 7 14.4 25.4 32.3

运行费用 （万元/年） 2.3 9.9 20.3 35.9 45.6

表6为不同热源型式的生活热水系统初投资与运行费用。由表中可知，燃煤锅炉采暖系统的初投资最低，为18.4万元，燃油锅炉采暖系统的初投资最高，58.8万元，污水源热泵系统的初投资比燃煤锅炉高，是它的1.6倍，比燃气、燃油和电锅炉低。从运行费用来看，热泵系统最低，仅为2.3万元/年，电锅炉热水系统的运行费用最高，为45.6万元/年，是热泵采暖系统的20倍。 图3所示为污水源热泵生活热水系统与其它不同热源生活热水系统比较的回收期。总的来看，回收期均在4年之内。除燃煤锅炉生活热水系统外，与其它热源型式生活热水系统比较，回收期都在2年以内。 4 结论 1) 污水源热泵系统可以循环利用城市废热，提高能源利用率，代替一部分高位能源的使用，降低对不可再生能源的依赖。 2) 污水源热泵系统可以减少煤炭等的消耗，降低CO2、NOx、SOx和粉尘的排放量，减小环境污染。 3) 污水源热泵采暖系统比燃煤锅炉采暖系统的初投资高，是它的2.35倍，比燃气、燃油和电锅炉系统低。污水源热泵采暖系统的运行费用比其它热源型式的采暖系统运行费用低很多，是燃煤锅炉系统的1/6，电锅炉系统的1/16。回收期在4年以内。 4) 污水源热泵生活热水系统的初投资是燃煤锅炉系统的1.6倍，比燃气、燃油和电锅炉系统低。污水源热泵系统的运行费用比其它热源型式系统运行费用低很多，是燃煤锅炉系统的1/4，电锅炉系统的1/20。除燃煤锅炉生活热水系统外，与其它热源型式的生活热水系统比较，污水源热泵生活热水系统2年以内就可以回收投资。

参考文献 [1] 马最良，姚杨，赵丽莹．污水源热泵系统的应用前景．中国给水排水．2003（7）：41－43 [2] 黄国琦．城市污水源热泵的开发和应用．流体机械．2005（16）：76－78 [3] 周文忠，李建兴，涂光备．污水源热泵系统和污水冷热能利用前景分析．暖通空调．2004（8）：25－29 [4] 周文忠．污水源热泵空调系统在污水处理厂的应用．暖通空调．2005（1）：83－86