污水源热泵技术在城市住宅供热中的应用研究

摘 要：随着人民生活水平的不断提升，城市污水的排放量逐年增加，为了满足当前社会对污水处理的需求，国家相关部门大力建设城市污水处理厂，污水处理厂二级出水的质量较好，可以视为一种优质的热能资源，来对城市居民住宅进行供热，为社会带来巨大的经济效益。本文从污水源热泵技术工作原理入手，阐述国内外污水源热泵技术发展现状，进一步提出污水源热泵技术在城市住宅供热中的应用建议。

关键词：污水源热泵技术；住宅供热；污水热能

城市污水作为一种低焓热能资源，可以为城市居民住宅提供热能，以此来进行住宅供热和供冷，水热源泵具有明显优势，经过水热源泵的污水具有热容量大和传热性好的特点[1]，因此可以充分利用污水源热泵系统的热能资源。目前我国正在大力推广污水源热泵技术，现已在北京、上海、西安、天津、石家庄、太原、呼和浩特、哈尔滨等城市建设多项污水源热泵系统工程。

一、污水源热泵技术工作原理及应用现状

（一）污水源热泵系统工作原理

污水的主要特征是与环境之间存在一定的温差，冬天，污水中的低焓热能释放到住宅之中，为居民供热；夏天，污水会吸收住宅内的多余热量，达到制冷的效果。这主要是由于冬天时，污水的温度比居民住宅温度要高，蒸发器的低温热源进水温度越高，系统能效比（COP）就越大[2]，供热效果也就随之提升；反之，夏天污水温度比住宅的温度较小，因此冷凝器低温热源的进水温度越低，系统能效比（COP）越大，污水源热泵系统的制冷效果更加明显。

（二）国外污水源热泵技术应用现状

污水源热泵技术产生于20世纪70年代，北欧一些国家率先研发利用城市污水来进行居民供热，经过一段时间的发展，瑞典、挪威等国家的污水源热泵系统先后投入运行，尤其是瑞典，在20世纪80年代初期，建立了多个大型热泵站，是当时污水源热泵技术的代表。

（三）国内污水源热泵技术应用现

我国的污水源热泵技术研究从21世纪初开始，北京市高碑店污水处理厂在2000年开始投入使用，随后北京市奥运村污水源热泵站、河北秦皇岛污水处理厂、北小河污水处理厂等污水源热泵相继建立，为了确保污水源热泵技术的不断发展，我国先后颁布了《城市污水回用设计规范》、《城市污水再生利用标准》、《城市污水再生利用工程设计规范》、《城市杂用水水质标准》等多项规范和标准，促使我国污水源热泵技术的研发速度有了明显提高。但是，污水源热泵技术研发成果利用率仍然较低，同时缺乏相应的技术标准规范的约束，在一定程度上制约了我国污水源热泵技术的发展。

二、城市污水热能资源潜力分析

污水源热泵技术主要依托于污水处理厂排出的城市废水，因此对污水处理厂的处理量有一定需求。近年来我国在大力进行城市基础设施建设，对着城市排放污水量逐年增加，所以国家也在不断建设污水处理厂，以满足城市生活的需要。国家住房和城乡建设部发布的调查报告中明确介绍，截止到2016年，全国共有3542座城镇污水处理厂，平均日处理污水量达到1.7亿吨，通过上述数据能够看出，城市污水热能资源潜力极大，可以满足城市居民住宅供热供冷需要。

另一方面，污水的温度对污水源熱泵系统的影响很大，因为污水源热泵系统中，主要是依靠污水自身的低焓热能来进行供热和供冷，经过城市污水处理厂的污水，温度变化程度较小，与空气相比，污水的温度变化明显偏小，因此可以作为城市居民住宅热能资源，在北方地区，冬季污水温度高于室温20以上，夏季污水温度低于室内环境温度15度左右。

三、污水源热泵技术在城市住宅供热中的应用建议

（一）利用污水与环境温差获取热能

污水源热泵技术是利用城市生活污水或二级出水来获取热能，充分利用了城市污水中的废热，采取污水源热泵技术来进行供热或制冷，能够有效保护和节约其他能源。污水源热泵系统中，仅仅是利用了污水本身带有的热量，对水质不会造成二次破坏，另外，污水源热泵系统与传统供热系统有所不同，在供热过程中不需要进行燃烧，所以不会造成环境污染，对生态环境的保护起到了积极影响，因此污水源热泵系统的市场前景良好。另一方面，污水源热泵机房占地面积较小，但是其工作效率很高，能够节省大量的机房土地，降低了污水源热泵技术机组的运行和投资费用。

（二）选择适宜的热源距离

污水源热泵系统的特点是“小温差，大流量”，污水源热泵系统输送管线的管径要比传统供热管线大，因此对输送管网的要求较高，如果热源与城市居民住宅较远，会导致污水输送管道较长、污水源热泵的功率消耗较大、热量流失较多，相应的费用较高，反之，如果热源与住宅距离较短，那么管道短、功率消耗小、热量流失少，能够有效降低工程建设费用，同时供热效果也较为明显。由此可见，适宜的热源距离是建造污水源热泵系统的关键，应在污水源热泵系统建设之前，分析和总结相应的数据，从而找到合适的热源距离，保证污水源热泵系统的效果。

以北京市高碑店污水处理厂为例，其污水源热泵系统的输送距离和热能消耗主要利用如下公式进行计算：

（其中，V是体积流量；G是质量流量；ρ是网管里水的密度；Qq是污水中的热量；Δt是污水输送温差；R是输送管网的阻力；a1是阻力百分比；as是污水源热泵余量系数；ΔH是换热设备阻力；ΔP是循环水系统阻力；Ns是水泵能耗；η是水泵效率）

通过上述三个公式，能够得出输送距离与输送能耗之间的关系，以此来确定更为科学、合理的输送距离，实现热能利用最大化。

（三）通过污水热能实现污水资源化

国际能源机构曾经预测，经济和社会发展离不开各种能源，当前世界人口和经济的增长速度，在2025年世界对能源的需求将会提高100%，因此世界各国都在积极研究节能减排项目，避免大范围内出现能源危机，进而影响经济和社会的发展。由此可以看出，可再生能源的研发和投入使用十分重要，同时为了防止生态环境的进一步恶化，绿色能源的重要性得以凸显。

现阶段我国已经意识到能源和生态环境的重要性，并制定了可持续发展战略目标，改变传统依靠煤炭、石油供热的局面，转变为更加环保的天然气、电能、太阳能供热策略，但由于清洁能源的研发程度较低，所以在利用上存在一定的弊端，而污水源热泵技术已经经过几十年的发展，已经能够投入到实际运行之中。因此应进一步调整能源消耗结构，污水热能作为一种绿色环保的可再生资源，利用污水源热泵技术将城市污水进行回收和利用，进而实现污水资源化。污水源热泵系统具有极高的系统能效比（COP），其供热供冷效果较为明显，同时节能效果较大，市场前景较好。所以，应推广污水热能的利用模式，将污水源热泵技术投入到城市建设中，从而实现社会经济可持续发展。

结束语：

综上所述，污水热能资源十分丰富，利用污水处理厂的二级出水能够为居民住宅提供热能，从而实现供热系统的节能和环保，因此应重视对污水源热泵技术的研发与应用，使污水热能被进一步开发，进而改善供热系统能源消耗结构，为我国的生态环境保护和节能减排做出贡献。

参考文献：

[1]孙春锦，吴荣华，孙源渊等.污水源热泵技术研究现状及分析[J].暖通空调，2015（9）：49-53.

[2]李国辉，邸望，刘宁等.污水源热泵技术的应用与发展前景[J].建筑工程技术与设计，2016（14）：179.

作者简介：

刘玲玲（1984-08），性别：女，籍贯：吉林吉林市，学历：硕士研究生，职称：工程师，研究方向：公用设备设计。

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