城市污水热能利用系统对减轻大气污染的作用

尹 军，韦新东
（吉林建筑工程学院 环境工程系，吉林长春130021）

　　摘　要：以北京、上海等47座有代表性的城市为例，对利用其污水中所赋存的热能来减轻大气污染的可能性进行了分析和探讨，分别计算出了各城市在采用污水热能利用系统时对CO₂、NOx、SOx、粉尘等的削减量，并根据CO₂的削减密度和城市环境指数将上述47座城市进行了分类。
　　关键词：城市污水；热能；大气污染
　　中图分类号：X505
　　文献标识码：B
　　文章编号：1000-4602(2002)10-0036-03

　　随着现代科学技术的不断发展，人们已逐渐认识到城市污水中所赋存的热能是一种可以收集和利用的清洁能源，特别是水源热泵技术的日趋成熟和发展，为在实际工程中推广和应 用城市污水热能利用系统提供了可靠的技术保证。
　　所谓城市污水热能利用系统，就是以城市污水作为提取和储存能量的基本源体，通过水源热泵来实现对建筑物的冬季供热和夏季制冷的双重要求的供热制冷系统。该系统一般由水源系统、热泵系统及末端系统构成，三部分之间由水源水管路和冷(热)水循环管网相连接。采用这种系统可省去锅炉房、冷却水塔等附属设备，且具有占地面积小、没有燃烧污染和噪音、易于运行管理和维护、工程投资和运行维护量少等优点。
　　城市污水热能利用系统虽在国外已有应用，但在国内尚无应用实例，有关这方面的研究报道也很少。笔者选择了北京、上海等47座有代表性的城市，就利用其城市污水中所赋存的热能对减轻大气污染的作用进行了分析和探讨。

1 分析方法

　　为合理评价城市污水热能利用系统对减轻大气污染的作用，以3种目前在国内外通常采用的供热制冷系统作为比较对象(见图1)进行了分析。

　　另外，为了比较城市污水热能利用系统与其他两种系统对CO₂、NOx、SOx及粉尘的削减效果，需相应确定有关系统的机器效率和各污染物的排出定额。应当说明的是，热泵的制冷(热)系数随温度变化而变化，CO₂、NOx、SOx及粉尘的排出量也随煤种、锅炉效率、净化效果等不同而异，加上是从全国范围内讨论对有关污染物的削减效果，故在确定相应参数时没有考虑这些因素的影响，所采用的机器效率和污染物的排放定额如表1、2所示。

表1 机器效率 锅炉效率(%) 68 热交换器效率(%) 100 输电损失(%) 5 电力输出端效率(%) 28 空气源热泵制冷系数 4 水源热泵制冷系数 4.6 空气源热泵制热系数 3.5 水源热泵制热系数 4.3

表2 污染物排放定额 SOx 8.1 CO₂ 1 148 NOx 0.4 粉尘 0.5

　　① 与B系统相比，城市污水热能利用系统的污染物削减量可用下式计算：
　　　　　Z=ab/［c(1-d)］　　(1)
　　式中?Z——与B系统相比，城市污水热能利?用系统对有害物的削减量
?　　　　a——污染物的排放定额
　　　　　b——削减的投入能量
　　　　　c——电力输出端效率
　　　　　d——输出损失
　　② 与A系统相比，城市污水热能利用系统的污染物削减量可用下式计算：
　　　　　Y=ae　　　(2)?
　　式中?Y——与A系统相比，城市污水热能利用系统对污染物的削减量
　　　　　e——节约的能量
　　③ CO₂削减密度可用下式计算：
?　　　　X=Z₃/m?　(3)
　　式中?X——ＣＯ₂削减密度
　　　　　Z₃——CO₂削减量
　　　　　m——市区面积

2 结果与讨论

　　根据国家统计部门1996年公布的有关数据，计算了上述47座城市若采用城市污水热能利用系统时对CO₂、NOx、SOx及粉尘的削减量，其结果如表3所示(由于篇幅所限，只列出前21个削减量较大的城市相关数据)。

表3 采用城市污水热能利用系统对污染物的削减量 表2 污染物排放定额 地 区 供热时SOx削减量(kg/d) 供热时CO₂削减量(t/d) 供热时NOx削减量(kg/d) 供热时粉尘削减量(kg/d) 制冷时SOx削减量(kg/d) 制冷时CO₂削减量(t/d) 制冷时NOx削减量(kg/d) 制冷时粉尘削减量(kg/d) 锅炉供热SOx削减量(kg/d) 锅炉供热CO₂削减量(t/d) 锅炉供热NOx削减量(kg/d) 锅炉供热粉尘削减量(kg/d) 上海 215.0 30.5 11.4 13.9 114.4 14.4 6.1 　7.4 668.0 97.5 36.4 44.5 北京 118.3 16.8 6.3 7.7 62.9 7.9 3.3 　4.1 378.5 53.7 20.0 24.5 武汉 101.3 14.4 5.4 6.6 53.9 6.8 2.9 　3.5 324.2 46.0 17.2 21.0 南京 89.1 12.6 4.7 5.8 47.4 6.0 2.5 　3.1 285.1 40.4 15.1 18.5 天津 82.9 11.8 4.4 5.4 44.1 5.6 2.3 　2.9 265.3 37.6 14.0 17.2 广州 68.2 9.7 3.6 4.4 36.3 4.6 1.9 　2.3 218.2 30.9 11.5 14.1 沈阳 63.3 9.0 3.3 4.1 33.7 4.2 1.8 　2.2 202.5 28.7 10.7 13.1 重庆 59.4 8.4 3.1 3.8 31.6 4.0 1.7 　2.0 190.2 27.0 10.1 12.3 大连 47.8 6.8 2.5 3.1 25.4 3.2 1.3 　1.6 152.9 21.7 8.1 9.9 成都 46.9 6.6 2.5 3.0 24.9 3.1 1.3 1.6 150.0 21.3 7.9 9.7 哈尔滨 42.0 6.0 2.2 2.7 22.4 2.8 1.2 1.4 134.5 19.1 7.1 8.7 杭州 39.8 5.6 2.1 2.6 21.2 2.7 1.1 1.4 127.3 18.0 6.7 8.2 西安 39.9 5.7 2.1 2.6 21.2 2.7 1.1 1.4 127.7 18.1 6.8 8.3 苏州 38.6 5.5 2.0 2.5 20.5 2.6 1.1 1.3 123.4 17.5 6.5 8.0 兰州 33.3 4.7 1.8 2.2 17.7 2.2 0.9 1.1 106.6 15.1 5.6 6.9 济南 33.3 4.7 1.8 2.2 17.7 2.2 0.9 1.1 106.6 15.1 5.6 6.9 石家庄 33.0 4.7 1.7 2.1 17.5 2.2 0.9 1.1 105.5 15.0 5.6 6.8 太原 31.3 4.4 1.7 2.0 16.7 2.1 0.9 1.1 100.3 14.2 5.3 6.5 长春 31.5 4.5 1.7 2.0 16.8 2.1 0.9 1.1 100.8 14.3 5.3 6.5 青岛 31.4 4.5 1.7 2.0 16.7 2.1 0.9 1.1 100.5 14.2 5.3 6.5 郑州 28.1 4.0 1.5 1.8 14.9 1.9 0.9 1.0 89.8 12.7 4.8 5.8 注：与B系统相比，城市污水热能利用系统对4类污染物的削减量分列在供热、制冷栏下，而与A系统相比对污染物的削减量列在锅炉供热栏下。

　　从总体来看，系统城市污水热能对削减CO₂、NOx、SOx、粉尘量，减少大气污染的效果是较为明显的，特别是与我国普遍采用的A系统相比，这一效果更加突出。
　　在上述4种污染物中，由于削减量最大的是CO₂(从减少大气污染的作用而言是有代表性的污染物)，且CO₂的削减量与其他3种污染物呈正相关关系，因此通过对CO₂削减密度的分 析可反映对其他3种污染物的削减密度。根据式(3)计算出各城市对CO₂的削减密度为0.5～48.7kg/(d·km²)，平均值为13.2kg/(d·km²)。
　　一般说，CO₂削减密度和城市环境指数越高，则利用城市污水热能的可能性也就越大。为了从CO₂的削减角度进一步分析和探讨各城市利用城市污水热能的可能性，根据各城市的CO₂削减密度与城市环境指数，通过矩阵分析对各城市进行了分类，其结果如表4所示。

表4 城市分类 类型 城市名称 结果 1类 石家庄、南京、苏州、上海、南通、杭州、汕头、合肥 CO₂削减密度较高，环境指数较低。 2类 北京、郑州、青岛、沈阳、兰州、哈尔滨、西宁、太原、乌鲁木齐、重 庆 CO_２削减密度几乎等于平均值，环境指数高。 3类 天津、秦皇岛、呼和浩特、长春、昆明、银川、南昌、成都、长沙、西安 、广州 CO₂削减密度大小不等，环境指数介于1、2类之间。 4类 大连、济南、连云港、宁波、厦门、武汉、海口、珠海、贵阳、北海、 三 亚、温州、湛江、烟台、福州、深圳、桂林、南宁 CO₂削减密度及环境指数均较低。

　　由表4可见，国内47座城市分属4种不同类型，各类的相应特征也不同，这种分类从城市的CO₂削减密度和环境指数角度表明了各城市优先采用城市污水热能利用系统所处的位置。其中，第4种类型的城市所处的位置最差，但是由于城市面积决定了CO₂削减密度的大小，因此即使是第4类城市，也有可能在该城市的某一集中区域存在着CO₂削减密度较大的区域，使之也可优先采用城市污水热能利用系统。

3 结语

　　从减少大气污染和保护环境的角度分析和探讨了城市污水热能利用系统的作用，表明该系统即使未采用高效净化设施，对CO₂、NOx、SOx、粉尘等污染物的削减效果仍然较显著。这对能源日趋紧缺，城市大气污染控制十分严峻的我国来说，有着十分广阔的应用前景和较大的环境效益。

参考文献：

［1］尹军.城市污水中的热能回收与利用［J］.中国给水排水，1998，14(2)：53-54.
［2］国家统计局城市调查总队.城市统计年鉴［M］.北京：中国统计出版社，1996.
［3］国家统计局城市调查总队.环境统计年鉴［M］.北京：中国统计出版社，1996.
［4］尹军，韦新东.我国回收污水热能的可行性分析［J］.中国给水排水，2000，16(3)：28-30.

　　电　　话：(0431)5935055
　　收稿日期：2002-04-04