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摘要：随着我国经济的不断发展，人民生活水平的不断提高，城市居民所产生的生活污水也在呈现上升趋势。所以我国这几年大力发展筹建城市污水处理厂，预计到2016年初，我国城市的污水处理率将达到85%，比2010年末的77.5％提高了7.5%；每天对应的新增污水处理能力大概为4569万立方米。到那个时候全国每天污水处理能力将会达到20805万立方米。污水源热泵空调的应用发展正是由于污水厂出水量大，水资源集中，水质较好等优越条件造就的。全力开发建设城市污水处理厂二级出水、污水源热泵空调系统不仅能够集中高效地利用污水中宝贵的冷热资源，而且还可以给企业以及社会带来巨大的经济收益和环保效益。本篇文章结合柳州市某一污水处理厂建设污水源热泵系统项目，全面分析了建立污水源热泵系统向周边地区供暖供冷的可行性。通过DeST建筑环境及HVAC系统模拟软件平台模拟了三种类型建筑的逐时动态负荷变化。通过实验，结合模拟结果与污水的温度、流量等测量数据，结合数据具体探讨了污水的供热供冷能力；还讨论了这两个重要问题：第一，如何设立蓄水池的问题。第二是输送系统的能耗和输送距离的问题。研究分析过程中，我们确定了冬季的最不利日，这天的系统负荷较大且污水流量较小，所以分两种情况进行研究讨论，不设蓄水池和设立蓄水池这两种情况。结合相关数据分析后得出结论：唯有设立蓄水池，热泵系统从污水中提取得到的热量才能随时随刻满足系统的负荷需求。设立蓄水池后，可以充分利用污水资源，蓄水池设计容量就是最不利时段的连续缺水量总和。对于污水源热泵系统的小温差、大流量的特点，我们又具体讨论了输送距离对传送能耗的影响，而且建立了相关的数学模型；通过系统经济比摩阻给出了污水源热泵最大经济输送距离的函数计算公式，为污水源热泵系统实际工程方案的经济可行性提供了理论依据。3污水源热泵的可行性分析初期的雨水以及来自日常生活和工业生产的被废弃水通常被我们称作受到一定污染的水源。关于城市污水热能回收和利用的研究在国内外受到了广泛的关注。尽管在国内外学者的辛勤研究下，己经有了初步系统、科学的研究成果，但是这种研究结果还不太成熟，由于存在的种种问题，到现在还没有形成评价、应用体系。3.1污水源热泵存在的问题生活污水是指城市机关、学校和居民等人民在日常生活中排放的废水，包括普通居民的洗衣洗刷水、厨房排水、冲刷厕所粪尿水，以及各种商业活动产生的排水等，也就是说生活污水指的是居民在日常生活中使用过的不能被循环使用的，并被生活垃圾污染的水。虽然生活污水的成分中不存在毒性的化学物质，但是在生活污水中含有大量的可以令人致病的微生物，这些病原体可以在这种污水中大量繁殖，所以这一类污水也存在着一定程度的危害性。生活中产生的污水还存在着粪便、泥沙、剩菜剩饭的残渔、头发丝、以及各色各样的包装袋等固体污染物。工业生产活动中产生的废水叫做工业废水，工业废水分为两大类。第一类为生产污水，另一类则为生产废水。生产过程中被生产原材料污染的水称为生产污水；生产废水则是没有直接参与生产过程、也没有被生产材料污染仅仅是温度有一点点上升的水。污染的雨水被叫做初期雨水，因为雨水刚落到地面上冲刷了各种污染物，所以污染程度相对较高。从这几种污水的定义来看，不同污水的利用是不同的。由于初期雨水不连续性的特点，所以在污水热能回收和利用方面，初期雨水就基本上不再考虑的范围内。但是工业废水的利用性是最好的，因为工业废水有着温度高、水量大的特点。可是由于工业区远离城市居民生活区，所以就有一个很现实的问题─远距离的运输增加了运行费用而且对能量的消耗很大，所以工业废水的热能回收和利用方面的应用只能局限在工业区内，暂时还没法达到更广泛的应用。每时每刻都会产生大量的城市生活污水，随着城市的发展以及人民生活水平的提高，污水的排放量每年都呈上升趋势，预计到2016年城市生活污水的年处理量将会达到365亿吨，到2020年将最高达到480亿吨。由于城市特殊的环境温度，城市污水具有春夏季节温度偏高，秋冬季节温度偏低的特点。这种温差出现的原因是因为在产生城市污水的过程中，城市污水吸收了在城市的日常生中排放大量不易散失的热量而造成的。举个简单的例子，北京市高碑店污水处理厂二级出水，它的水质完全符合并且达到国家城市污水的二级排放标准，作为城市重要的第二水源，它具有很大的热能储蓄潜力。另外，北京市高碑店污水处理厂夏季水温约为23℃，低与外界气温十几度，而冬季出水水温基本为14℃，要高于周围环境温度20℃左右。由于城市地理位置、人文环境、经济构成、气压以及城市上空空气流动的差异，所以不同的城市有不同的污水处理结构，因此在城市污水的组成成分、及状态各成分比例也是不尽相同。因此针对不同的成分的城市污水，我们在利用污水源热泵系统的时候，怎样到达污水源热泵系统的能量利用标准也是不同的，坚持做到具体问题具体分析。污水水量是污水源热泵系统是否能够运行的重要的前提条件。水的总出水量，以及每个时刻污水的出水量都会影响污水源热泵系统的规模大小。所以我们必须要保证首先有足够的污水量，不仅这样还要保证污水源热泵在运行的每一个时刻都要有足够的污水来使整个系统正常的运行。污水换热工程的重要设计参数就是污水水温，污水源热泵系统的值它将会间接影响到，进而影响到整个污水源热泵系统。不尽人意的是在不同季节，甚至每一个时刻污水的水温都不是一个恒定不变的数值。所以我们应该尽可能多地掌握有关污水源的水温、水量、水质这些方面的资料以便更好地确定污水源热泵运行的可行性。为了讨论并解决这些问题，我们结合山东省某公司利用经过污水处理厂处理后的再生水，通过应用污水源热泵系统的项目，经过长期的实时检测，我们到这四种实验指标。污水水量日变化情况，污水处理后的水质情况，污水温度日变化情况以及日平均温度对污水源热泵系统应用的影响情况。3.2.2污水源热泵技术可行性研究（1）污水源热泵技术污水再生水源热泵技术是一项成熟、先进的供热制冷技术。污水源热泵是利用污水处理厂水质稳定，出水量大，常年温度一般都在在14到25摄氏度等特点，用污水作为热源进行制冷、制热循环的一种空调装置。这种空调装置具有热量输出稳定、换热效果好、机组结构紧凑、COP值高等优点，这也是实现污水资源化的一种很有效的途径。污水源热泵相比与传统燃煤锅炉而言更加环保而且能量利用率也大幅度提高，污染物的排放比空气源热泵减少40％以上，比电供热减少70％以上。污水源热泵还更加节省能源，比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃煤锅炉节省1/2以上的燃料。由于污水源热泵的热源温度全年较为稳定，它的制冷、制热系数比传统的空气源热泵高出40％左右，它的运行费用也仅仅为普通中央空调的50％~60％，由此看来，污水源热泵有着广阔的应用和市场前景。（2）污水源热泵系统的优点。1）高效节能由于冬季污水的温度要明显高于环境温度，所以污水源热泵系统的蒸发温度，制热效率明显提高；夏季污水温度低与环境温度，冷凝温度低于风冷式或者冷却塔的冷凝温度，因此机组的制冷效率也会得到提高。合理利用污水中的热能，可节省一部分一次能源例如电能、石油、煤等的使用，因此城市的能源消耗将得到合理的配置，还能节约一次性能源，既满足了需求又节约了能源可以说是两全其美。水源热泵系统相对于中央空调系统来说，若以处理过的污水作为热源时，其运行费用可节省40%~44%；对于利用未经过处理的原生污水作为热源时，其运行费用可节省30%~32%。2）环保效果显著水源热泵系统在变废热为宝的同时，利用城市污水的环保效果也不言而喻。同时制冷剂夏季直接与污水换热装置进行换热，有效的避免了对城市空气的直接加热，进一步避免了产生城市典型的热岛效应。经过污水源热泵系统换热的污水会直接返回污水干渠，不会污染环境和其他水利系统。污水源热泵技术是现在污水被广泛利用的最佳手段。大多数常规系统冬季供热给城市居民时，通常采用煤炭、天然气、原油等化石燃料燃烧产生热量供给，但是不管采用哪种燃料供能在燃烧过程中均会产生二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物等有害气体，众所周知化石燃料的燃烧是环境污染的第一把手。根据数据统计，如果按照我国每年464亿立方米污水排放量，若能够充分利用污水能量，每年可减少0.33亿吨标煤，同时还可以减少72吨污染物的排放。此外，污水源热泵系统利用能量的过程中省去了冷却塔，从而减少减少了霉菌和噪音污染。3）运行稳定污水温度随四季温度变化幅度不大，污水温度波动范围远小于空气的温度波动变化。污水源热泵受环境温度的波动比空气源热泵和太阳能热泵小；并且水的比热能大于空气，因此换热效率较高。而且冬季水温要高于环境，避免了空气源热泵冬季除霜的问题。污水的温度较稳定又使得污水源热泵系统运行时更加稳定、更加可靠。4）一机多用一般传统供冷、供热系统中采用冷水机组和锅炉两套设备，设备庞大并且机房占地面积大远不及污水源热泵系统小巧。污水源热泵系统可实现供冷、供热两种需求可以说是一举两得。冬季提取污水中的热量供热，夏季向污水中释放热量实现制冷的目的，这是传统的供冷，供热系统力不能及的。（3）与其他热泵系统相比的优点1）与空气源热泵相比空气源热泵在外界环境较低时比如说在寒冷的季节会产生结霜问题，十分影响效率；如果在结霜严重的情况下机组可能无法正常运作。因此空气源热泵在北方地区使用受到外界环境因素的限制。2）与土壤源热泵相比土壤源热泵可分别垂直埋管和水平埋管。水平埋管埋地较浅施工方面，但它的占地面积相对较大，在土地资源紧张和地皮昂贵的城市中则难以推广实行。垂直地埋管，施工难度较大且对地质的要求较高。3）与水源热泵相比可分为地表水系统、地下水系统。地表水系统在河流、湖泊、海洋等水资源缺少城市的确会受到限制，而且地表水质污染比较严重。地下水系统一方面是水的回灌问题，另一方面因为回灌水的水质受到污染从而影响了地下水的水质造成了水体热污染，这一客观因素也限制了水源热泵系统的推广。（4）污水源热泵的缺点1）也不是说污水源热泵系统是完美无缺的。污水源热泵系统的应用也有区域限制，一般使用于有大量污水排放的地方，比如说电厂、钢厂或污水处理厂等。2）若利用的污水还有强腐蚀性、或是难以去除的固体和胶体污杂物，就会增大污水处理的费用，还有的甚至无法利用，因此使用污水源热泵系统对污水的水质是有一定要求的。3）排放的污水要保证流量稳定，如果流量不能满足也会严重影响污水源热泵的吸能。4）因为污水源热泵的初期投资较高，国内技术相对来说还不太成熟而且国内研制的污水换热器换热系数相对比较低，影响了污水源热泵系统的性能；但是应用国外的设备，运行维护，技术指导不便，而且投资费用较高。7蓄水池的设计通过前一章的分析研究可知，在不设立蓄水池时，污水源热泵系统的供热供冷能力是由能否满足最不利日的最不利时段来确定，而通过对本项目的具体数据分析可得到，最不利日当天的最不利时段的流量可给建筑供的最大热量为42.43MW，要小于最不利时段建筑所需热负荷，所以为了最大程度地满足供热供冷面积的需求，我们需要设立蓄水池。通过设立蓄水池可以平衡污水流量，达到“平峰移谷”的效果，还能够充分地利用污水资源。污水蓄水池容的确定需要通过对工程具体情况和污水资源的分析。7.1污水蓄水池设计条件已知污水处理厂的二级处理污水排放量大小在一天内不断波动，它的排放量的大小取决于建筑物的需水量，晚上一般是流量的低峰期。此项目中民用建筑面积占总面积的大多数，因此我们通过建筑物逐时冷热负荷模拟结果可以看出，系统的负荷高峰期是在晚上，尤其是冬天供暖季，而这个时刻恰恰又是污水排放量的低峰期，这就导致污水排放量中的热量污水源热泵系统汲取无法满足这个时刻的系统热负荷。因此，我们设立的蓄水池就派上用处了，以便在相对高负荷低流量时段能够及时补充水量，来满足系统负荷高峰期的需求。蓄水池的设立区域首先要考虑污水厂地理位置是否有足够大的面积来容纳，是否会对周围环境造成影响，还有每天的多余水量要足够满足最不利时刻的需水量。本项目中，冬季供暖期和夏季供冷期分别采用4℃和6℃的温度差，即可满足建筑所需冷热负荷。为了让污水源热泵系统能够时时刻刻满足污水源热泵系统的需要，就要利用蓄水池进行污水流量的调