1、文章编号： CAR243 城市污水处理厂新资源能源综合利用系统 田磊1史琳1吴静2施汉昌2( 1、热科学与动力工程教育部重点实验室，清华大学，北京 100084 2、环境模拟与污染控制国家重点实验室，清华大学，北京， 100084 ) 摘 要 城市污水处理厂是污水资源、污泥资源的集中地，将污水热能回用与污泥资源化利用在污水厂内就地结合是实现资源综合利用的有效途径。通过将再生水源热泵技术同时应用到污水厂污泥厌氧消化流程及厂内建筑的制冷供暖，提出了污水处理厂新资源、能源综合利用系统。再生水源热泵回收污水处理厂外排再生水所含低温余热，将其提升后满足污泥高温厌氧消化及冬季建筑物供暖要求，同时厌氧消化工
2、艺产出沼气，可用作污水处理过程动力；被吸取热量后温度降低的再生水（循环水）可用于厂内建筑夏季制冷。能流分析表明，本系统可有效降低城市污水厂建筑物的制冷供暖及污泥厌氧消化处理的能耗，再生水源热泵冷热联供系统夏季和冬季工况节能率分别可达 30%、 40%。 关键词 再生水源热泵 污水热资源化 污泥高温厌氧消化 冷热联供 “/ 2 State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract Municip
3、al wastewater treatment plant assembles sewage and sludge together, both of which should be considered available resources. Considering the plant as a whole, combining the municipal reclaimed water source heat-pump system (MRWSHP) and sludge thermophilic anaerobic digestion process, a new energy eff
4、icient joint treatment system suitable for municipal wastewater treatment plant which can achieve reutilization of sewage and sludge simultaneously is presented in the paper. In the joint treatment system, the reclaimed water source heat pump is introduced into the process of sludge digestion, which
5、 reuses the municipal reclaimed sewage as the heat source to meet the heating need in the thermophilic anaerobic digestion process. Meanwhile, the biogas generated from the sludge digestion in wastewater treatment plants is a potential clean energy source, which can be recycled to drive blowers coup
6、led with a biogas driven engine, and the blowers are the most energy consuming equipment in the wastewater treatment process. Furthermore, the water source heat-pump system using municipal reclaimed water as heat source and sink is introduced into the plant buildings to satisfy the heating and cooli
7、ng demand with the aim of reducing energy consumption and greenhouse gas emissions. The analysis results show the combined heating and cooling systems based on MRWSHP has the features of low energy consumption, rationality of energy utilization and environment-friendliness compared with the universa
8、l process of plant, can save 40%, 30% energy consumption in heating and cooling period. Keywords Reclaimed water source heat pump Sludge disposal Thermophilic anaerobic digestion process Combined heating and cooling 0 前言 城镇污水是一种可再生利用的资源1。迄今为止，城镇污水的资源化利用还只是将城镇污水按一定要求进行处理后，作为中水或工业用水等回用。而实际上城镇污水中蕴含着大量的
9、低位热能可以利用。资料显示2，我国各大城市污水含热量约占城市排热量的 1016%，随着居民生活水平提高，城市污水排水量和含热量均呈现逐年增加的趋势。已有学者提出 21 世纪理想的、 成熟的城镇污水资源化技术应是污水回用、污泥利用与污水热能回用三位一体构成的成套体系3。城市污水处理厂是污水处理过程的载体，也是污水热能资源、污泥资源的集中地，将污水热能回用与污泥资源化利用在城市污水厂内就地结合是实现资源优化配置、高效综合利用的有效途径。 作者在文中4提出了污水处理厂为中心的节能减污技术路线，主要是用再生水源热泵回收污水处理厂外排再生水所含低温余热，将其提升后满足污泥高温厌氧消化供热要求，同时消化产
10、出沼气可供给用做污水处理曝气流程的风机动力源。本文进一步将技术路线扩展到厂内建筑物的制冷和供暖，在分析冷、热需求基础上依据热泵系统能量搬运作用特性提出再生水源热泵冷热联供系统，形成了一套适用于现阶段我国污水处理厂的新资源能源综合利用系统，文中重点对再生水源热泵冷热联供系统特性进行分析。 1 污水厂新资源、能源综合利用系统 1.1 利用再生水源热泵实现污水热资源化 热泵技术应用的关键是要有合适的低品位热源，而污水处理厂排出的再生水即是一种优良的热泵热源5。再生水水温适宜、水量波动小，有利于热泵系统的高效、稳定运行；再生水水量巨大且流量稳定， 便于更高能效比的大规模热泵系统的应用；同时在污水厂内就
11、地利用，充分发挥了再生水空间集中的区位优势。 1.2 利用高温厌氧消化实现污泥资源化 污泥是污水处理的伴生产物，其中含有大量有机物质，容易腐败成为新的环境污染源，因此污泥处理处置是污水处理得以最终实施的保障6。对污泥进行厌氧消化是目前国际上最为常用的污泥资源化、稳定化方法7，实现污泥处置的同时产出沼气，其中高温消化卫生条件好、消化时间短、消化池的容积小、产气量多，但高温消化耗能多，目前所需热能大部分是利用沼气、煤或天然气等燃烧供给。污泥厌氧消化处理的高能耗成为厌氧消化系统推广普及应用的制约因素。 基金项目：国家十一五科技支撑项目（ 2006BAC02A18） 作者简介：田磊，男， 1986.4
12、，博士生 图 1 污水处理厂节能减污资源综合利用系统 1.3 综合利用系统 在污水厂内就地采用再生水源热泵，热泵从再生水中提取低温热量，所产高温热水用于加热进行高温厌氧消化反应的污泥和厂内建筑物的冬季供暖，而被吸取热量后温度降低的再生水可用于厂内建筑夏季制冷，实现再生水余热综合回收利用；污泥进行高温厌氧消化灭菌、减量的同时产出沼气，实现污泥资源化；同时所产沼气可用作污水曝气处理环节中的风机动力源，替代原有外部输入的电能等，实现污水处理工艺节能降耗，技术框架如图 1所示。 凭借再生水源热泵技术和污泥厌氧消化技术的有机结合，实现水、热、能的综合优化利用，预期可明显降低污水处理厂的能耗和运行成本。再
13、生水源热泵是综合利用系统核心部分， 满足两方面需求：污泥厌氧消化系统一年内稳定存在的热需求和建筑物的夏季制冷、冬季供暖负荷。根据冷、热负荷需求特点，并借助热泵系统能量搬运作用的特性，提出再生水源热泵系统的冷热联供系统。 2 再生水源热泵冷热联供系统 冬季工况下， 再生水源热泵可稳定提供 55 -70的热水满足厌氧消化反应和建筑供暖的热需求；夏季工况下，热泵同时对外制冷、供热，利用低温的中间换热循环水作为冷源为建筑制冷，与为厌氧反应供热一起形成联合制冷供热循环。在间接式热泵系统中，因传热温差的存在，中间传热循环清水温度低于再生水，且水质好可以直接进入房间制冷末端，因此循环水更适宜作为冷源；且通过
14、调节热泵蒸发温度可使循环水温度满足设定的制冷工况。冷、热需求的同时存在是热泵系统冷热联供方案提出的根本， 也使热泵系统能量搬运作用的特性在冷、热两端均得到了体现。 2.1 系统最优冷负荷 夏季工况下热泵吸热端实际上形成了空气源热泵与水源热泵的联合工作，热泵蒸发器需热量一部分来自再生水、另一部分则来自建筑内空气，而与一般水环热泵的区别在于利用单台热泵即可同时实现制冷供热。在基本技术已成熟情况下两者比例分配问题成为使整个系统运行效率优化的关键因素。以下从能量平衡角度，以广义的 COP 为指标来评价系统运行的热力经济性，并计算在保证供热负荷下系统可提供的最优冷负荷。 定义整个系统的评价指标为联合负荷
15、收益性能系数 COPunite： PQQCOPairhunite+=代价收益（1） waterreairEvaporatorQQQ+=（2）EvaporatorairQQ=（3）其中 Qh为系统提供热负荷， Qair为制冷末端从房间内吸热量即系统可同时对外提供的冷负荷，代价 P主要包括压缩机电耗、换热相关能耗（主要指水泵、风机电耗）等。 Qair与从再生水内取热量 Qre-water之和为热泵蒸发器吸热量 QEvaporator。取 Qair与 QEvaporator之比为 ，0 1。若系统完全从再生水吸热， =0；系统完全从房间内吸热，即 =1 时，不计传热损失下 QEvaporator为系
16、统可提供的最大冷负荷。不同取热方式的能耗不同，对再生水取热方式其耗能集中在再生水泵、循环水泵的电耗，对以风机盘管为制冷末端的空气取热方式除循环泵耗外还包括风机电耗。 pumpcycwatercycwaterrewaterrewaterrepumpwatercyewaterrewaterreeTcQTcQemmP)()(+=+=（4）pumpcycwaterairfpairairairpumpaircyefpairaireTcQeTcQememP+=+=（5）下标 re-water、 air、cyc 分别表示再生水、空气和传热循环水， epump、 eair表示单位流量下的水泵和风机能耗， 取单
17、位为 kW/m3。 再由热泵循环制热系数 定义： compressorhPQ=（6） 可获得联合负荷收益性能系数 COPunite表达式为： )()1(1)1(1BAACPPPQQCOPairwatercompressorhhunite+=+=（7） waterwaterpumpTceA=其中，cycwaterpumpTceB=，airairfpTceC=。由此可知影响系统 COPunite因素主要包括：热泵自身性能，直接反应在热泵循环制热系数 ；取热方式的能耗。对一台确定的热泵机组，一定工况下 为定值， A、 B、 C决定于工程实际，系统形式确定后也可视为定值。则 COPunite随冷负荷比
18、例 的变化趋势如下式： 22)()1(1)()1()(1(1BAACBAACddCOPunite+=（8）可看出联合负荷收益性能系数随冷负荷比例呈现单调变化。实际运行中一般 efp1，则0ddCOPunite，即承担冷负荷的收益量增速快于对应耗功量的增速，所以随着冷负荷比例 的增加，整个系统收益率增加。 =1 时，系统完全从房间内吸热，此时系统可对外提供最大冷负荷，也即对应系统整体收益率最优的冷负荷， COPunite 表达式可简化为 )1)(1121+=+=BCeQPQQCOPairaircompressorhhunite（9） 2.2 制冷工况分析 在最优冷负荷下，冷热联供系统完全从房间内
19、吸热，联合负荷收益性能系数如式（ 9）所示。忽略其他因素，热泵循环制热系数 可表示为蒸发温度Te及冷凝温度 Tc的函数。在固定热需求，即热泵冷凝温度一定情况下，循环理论制热系数 与蒸发温度 Te关系密切。同时蒸发温度决定循环水的供水水温，即 Tcyc、 Tair也决定于热泵蒸发温度。)(),(eaircycuniteTfTTfCOP = （ 10）图 2 不同蒸发温度下、 COPh、 COPunite 图 3 联供系统制冷量随制冷温度变化 以蒸发温度 Te 为变量，绘制热泵循环制热系数 、联合负荷收益性能系数 COPunite、热泵单独制热性能系数 COPh 变化曲线如图 2 所示，可以看出随
20、着 Te 的提高三者均呈现上升趋势。 图中 只反映热泵机组循环效率，计算中未考虑取热的功耗；COPh 为只供热、即完全从再生水中取热时系统收益系数， 相同蒸发温度下 COPunite 高于 COPh 说明了联合制冷、供暖系统的收益高效性。但联供系统和原供热系统额定工况不同。制冷额定工况要求冷水供回水温度为 7 /12，图中对应 Te 为 5的COPunite 为 5.3，即图中 COPunite-st 线；原供热系统在夏季典型工况下，再生水温 29，间接传热模式下蒸发温度仍可达 22，对应 COPh 值为 4.1，即图中 COPh-st 线。两值对比说明了联合系统由于能同时提供冷热负荷，能量利
21、用效率也优于原供热系统。 随着蒸发温度的提高，热泵可提供的最大冷量逐渐增大，如图 3 所示。主要因为 的增加使蒸发器需热量增大，高蒸发温度下的冷负荷比较高。但同时需要指出的是虽然冷负荷量在逐渐增大，可获得的最低制冷温度也在上升，可视具体制冷要求进行调节。 对比热泵冷热联供系统和采用再生水源热泵提供热负荷和普通空冷空调提供冷负荷的分立方式。 100kW 供热的热泵联供系统在冷水供回水温度为 7 /12时，联合收益系数可达 5.3，即可同时提供冷负荷 68kW，对应能耗 32kW；取一般空冷空调能效比 3.0，再生水水温 29时热泵系统只供热情况下 COPh 为 4.1，则计算可得在相同供热和制冷
22、量下，分立系统能耗 47kW。可见热泵联供系统可节能 32%。 以上分析可看出，再生水源热泵系统在稳定供热的同时可以提供一定的冷负荷，以联合负荷收益性能系数为评价指标时冷负荷比例越大，整个系统的收益越高，最大冷负荷为热泵蒸发器的需热量；同时联合负荷收益性能系数随热泵蒸发温度的提高而增加，在制冷要求不高的场合可适当提高蒸发温度提升系统收益率。 当然，本系统分析仅考虑了热力学的能量交换，未考虑空冷和水冷对换热的影响，以及在较高温度制冷时所需要末端系统的增加。在实际系统设计时，应根据用户的冷热负荷的具体需求设计系统。 2. 3 建筑物供暖分析 冬季工况下，再生水源热泵系统产出的高温热水可直接通入建筑
23、物供暖系统，且热泵出水温度可在较大范围内可调，较好地满足不同地区的供暖需求。在文章4中已比较再生水热泵系统与传统的燃煤、 燃气供热系统， 冬季热泵系统 COPh 值取 4 时，再生水源热泵方式能源利用率相比其他方式高出40。同时再生水源热泵系统火用效率高、污染物排放少，具有良好的环保特性。 3 结论 1.通过将再生水源热泵同时应用于污水处理厂污泥厌氧消化流程和厂内建筑物供暖制冷，提出了以污水处理厂为中心的再生水源热泵冷热联供新资源能源综合利用系统。再生水源热泵冷热联供系统在稳定满足污泥厌氧消化热负荷的同时，可承担厂内建筑的夏季制冷及冬季供暖负荷。 2.以收益与代价之比的广义 COP 为评价指标
24、，再生水源热泵冷热联供系统最优冷负荷即系统可提供的最大冷负荷；在保证污泥消化系统热需求下，随着热泵蒸发温度的提高，冷热联供系统可提供的冷负荷增大，可获得的最低制冷温度随之上升。 3.再生水源热泵冷热联供系统相对于分立方式，夏季工况下节能超过 30%，冬季工况能源利用率高出 40，同时可减少污染物排放，对污水厂优化能源结构、实现节能减排有积极意义。 参考文献 1 金兆丰，徐竟成 .城市污水回用技术手册 .北京 :化学工业出版社， 2004. 2 尹军， 韦新东 .我国主要城市污水中可利用热能状况初探J.中国给水排水 , 2001， 17(4)： 27-30. 3 尹军，陈雷，王鹤立 .城市污水的资源再生及热能回收利用 .北京：化学工业出版社， 2003：前言 . 4 田磊，史琳，吴静，等 .再生水源热泵应用于污泥厌氧处理的能流分析 J.华北电力大学学报 (已收录 ) . 5 昝成，史琳，程邺，等 .再生水二级出水水温特点与热利用 J.华北电力大学学报， 2007， 34(2)： 31-34. 6 杭世珺，陈吉宁，郑兴灿，等 .污泥处理处置的认识误区与控制对策 J.中国环保产业， 2005， (03) ： 11-14. 7 何品晶，顾国维，李笃中，等 .城市污泥处理与利用 . 北京 :科学出版社， 2003.
