污水源热泵在重庆的应用潜力

   城市污水水温与季节和地域有关。重庆地区的城市生活污水温度, 冬季一般为15 ℃, 最低不低于13 ℃, 夏季一般为25 ～ 28 ℃, 最高不高于30 ℃。

 

  在气候处于冷热极限情况下, 冬季比气温高10 ℃,夏季比气温低10 ℃, 平时则相差5 ～ 7 ℃, 全年多数时间稳定在平均温度23 ～ 24 ℃, 具有明显的冬暖夏凉的特点, 满足水源热泵中央空调系统在制热工况水温12 ～ 22 ℃、在制冷工况水温18 ～ 30 ℃的要求[ 3] , 适合于冬季作为热源使用, 而在夏季则可以用作冷源(以上重庆地区生活污水温度数据来源于笔者2005 ～ 2006 年在重庆主城区的自测)。文献[ 4] 探讨了我国主要城市利用污水中可利用热能的状况, 此文根据国家统计部门公布的1996年的有关数据, 选择了北京、上海、重庆等47 个主要城市, 分别计算了这些城市污水中所储存的冷(热)量、投入能量的削减量, 以及节能量和可节省的运行费用。计算结果表明, 在重庆城市污水中储存的可利用热量密度和城市需热密度均较高, 说明重庆利用城市污水热能的可能性很大。根据文献[ 4] 对热力供需类型的划分, 重庆与北京同属于污水中储存的热需要量密度高、可利用密度较高的第二类城市。

 

  而北京自2003 年起, 先后在几个污水处理厂建立了污水源热泵供制冷系统:密云县檀州污水处理厂(供热制冷面积10 000 m2 )、高碑店污水处理厂(供热制冷面积900 m2 )、北小河污水处理厂(供热制冷面积6 000 m2 )、卢沟桥污水处理厂(供热制冷面积4 500 m2), 运行效果良好, 为重庆应用污水源热泵技术提供了很好的可借鉴经验。

 

  文献[ 4] 主要源自于对1996 年国家统计数据的分析, 距今已10 年, 本文根据《重庆统计年鉴2006》公布的数据, 进一步详细分析重庆城市生活污水中可利用的热能。在计算分析中, 制冷系数及制热系数采用日本东京城市污水处理厂污水热能利用系统的实际运行结果[ 4] 和经验公式[ 5] , 其制冷系数为4. 6 , 制热系数为4. 3 , 北京几个污水处理厂的数据也与此接近。

 

  重庆市2005 年全年污水流量64 462 万m3 , 其中市区合计56 825 万m3 。考虑到污水源热泵主要适用于城区, 以下按市区合计排放量计算。

 

  A =B ΔtCρ=(56 825 /365)×104 ×Δt ×4. 187 ×1 000=3. 26 ×1010 (冷量)或2. 15 ×1010 (热量)(kJ /d)=3. 26 ×104 (冷量)或2. 15 ×104 (热量)(GJ /d)(1)式中A ———城市污水中储存的冷(热)量,G J /d ;B ———污水流量,m3 /d ;Δt ———污水进、出口温差, 制冷时取5 ℃, 制热时取3. 3 ℃(温差为日本东京城市污水处理厂实际运行数据, 重庆冬夏两季污水、大气温度相差5 ～ 7 ℃, 温差取值基本符合重庆实际);C ———水的比热, 取C =4. 184 kJ /(kg ℃);ρ———水的密度, 取ρ=1 000 kg /m3 。

 

  D =AF /(F +1)=3. 26 ×104 (冷量)×4. 6 /5. 6=2. 68 ×104 (GJ /d) (2)式中D ———城市污水中储存的可利用冷量,GJ /d ;F ———制冷系数, 取4. 6 。

 

  G=AH /(H - 1)=2. 15 ×104 (热量)×4. 3 /3. 3=2. 80 ×104 (GJ /d) (3)式中G———城市污水中储存的可利用热量,GJ /d ;H ———制热系数, 取4. 3 。

 

  R =G/S =2. 80 ×104 ×103 /582. 51=4. 81 ×104 [ MJ /(km2 d)] (4)式中R ———城市污水储存的可利用热量密度, MJ /(km2 d);S ———地区面积, 按2005 年重庆市区合计建成区面积582. 51 km2 计算。

 

  T =S′(18 - t)=272. 36 ×(18 - 8)=2. 72 ×103(km2 ℃) (5)式中T ———城市热需要指标, km2 ℃;

 

  S′———城市建筑面积, 2005 年重庆市区合计建筑面积272. 36 km2 ;t ———城市1 月份平均气温, 取8 ℃;

 

  18 ———满足人们生产、生活所需的室内温度。

 

  由上述计算过程和结果可见, 重庆市区热需要量密度高、污水中储存的可利用热量密度也很高。

 

  充分利用这部分热(冷)量, 可以节省大量能源, 具有很高的环境保护价值, 这对于实现重庆及三峡库区的环境保护与可持续发展, 意义十分重大。