3.1　一次能源利用率PER比較

      一次能源利用率PER為原動機能源轉化效率指標, 比較沼氣機熱泵與其他供熱方式的能源利用效率, 可以反映其節能效果的優劣. BEHP系統的一次能源利用率可用下式表示: PERBEHP = (Qc +Qr ) /QBG , 式中: Qc ─冷凝器熱負荷( kW) ; Qr ─被加熱流體從沼氣機排出的余熱中回收的熱負荷
( kW) ; QBG ─沼氣燃燒產生的熱負荷( kW).引入余熱回收率α的概念, 即α為所回收的余熱負荷與總余熱負荷之比[5 ] , 則Qr =α ×(1 - ηg ) ×QBG , PERBEHP =ηg ×COP +α ×(1 - ηg ) . 式中: ηg ─沼氣機熱效率; COP─沼氣機熱泵性能系數.為比較沼氣機熱泵與其他3種供熱方式的PER, 取沼氣機熱效率33 % , 余熱回收率65 % , 沼氣機熱泵及電動熱泵的性能系數均為315, 電力生產及輸配電的總效率33 % , 燃煤鍋爐熱效率75 % ,燃氣鍋爐熱效率88 %[ 4 ] . 分別計算不同供熱方式的PER, 結果見表1.從以上能源利用率的比較分析可見: BEHP系統的總供熱量是所消耗燃料能量的11624倍, 與電動熱泵、燃氣鍋爐及燃煤鍋爐相比, BEHP的一次能源利用率PER分別提高了4016 %、8415 %和11615 %. 因此, BEHP系統具有顯著的節能效果, 是一種高效率的熱泵運行方式.

      3.2　經濟性分析

      供熱裝置的經濟性主要受到系統初投資、能源轉換效率、設備使用年限、系統維護費用等因素影響. 一般情況下, 系統效率越高, 初投資也就越大, 兩者對經濟性的影響正好相反. 在外界條件方面, 主要影響因素是能源價格、供需狀況等.從PER計算結果看, 燃氣或燃煤鍋爐的能耗高, 系統效率較低, 但其系統初投資也相對較低.因此, 如果供熱時間短, 則其經濟性較高; 反之, 如果供熱時間較長, 則BEHP系統就會顯示出運行成本低的優勢, 尤其是在能源價格上漲的情況下, 更為明顯. 雖然BEHP系統的初投資相對較大, 但其一次能源利用率高, 而且又是將來源于污水處理過程中原本廢棄的沼氣作為能源驅動熱泵運行, 把同樣棄之不用的污水廠出水中的余熱以及沼氣機排出的廢熱等低位熱能回收利用, 從而節省了大量的燃料運行成本, 又實現了各種資源的綜合利用, 因此, 具有很高的經濟性.以一座中等規模的城市污水處理廠為例, 沼氣日產量5 000 m3 , 設計選用輸入功率為500 kW的污水源沼氣機熱泵系統, 如取該系統性能系數為315, 沼氣機熱效率33 % , 余熱回收率65 % , 每天按運行10 h計算. 則冷凝器可輸出熱量2108 ×104 MJ , 同時系統還可以從沼氣機排出的廢熱中回收7184 ×103 MJ的熱量, 兩者合計系統可輸出總熱量21864 ×104 MJ. 作為比較:

      1) 若用燃煤鍋爐供熱, 提供21864 ×104 MJ的熱量, 需要消耗折合發熱量為31819 ×104 MJ的標準煤(燃煤鍋爐熱效率按75 %計算).

      2) 若用燃氣鍋爐(以天然氣為燃料) 供熱, 提供21864 ×104 MJ的熱量, 需要消耗折合發熱量為31255 ×104 MJ的天然氣(燃氣鍋爐熱效率取88 %計算).

      3) 若用電動熱泵提供等量熱量, 需要消耗折合發熱量為81183 ×103 MJ的電力(取電動熱泵性能系數為315).

      每年按300 d計算, 則節約標準煤415 ×105 kg (煤的熱值25 435 kJ /kg) ; 節約天然氣2177 ×105 m3(天然氣熱值35 200 kJ /m3 ) ; 節約電力6182 ×105 kW·h (1 kW·h熱值為3 600 kJ ). 而沼氣機熱泵的運行成本約占總收益的10 %左右(不考慮熱回收) , 若再考慮從污水廠出水中回收利用余熱的節能效果, 則沼氣機熱泵產生的經濟效益更為顯著.

      根據以上計算數據, 若以燃氣鍋爐(天然氣) 為參照, 按節約的天然氣總量2177 ×105 m3 及天然氣價(2元/m3 ) 折算總收益, 可節約運行成本2177 ×105 ×2 ×88 % = 487 520元, 如果沼氣機熱泵初投資按1 500元/kW取值, 則其投資回收期僅為1 500 ×500 /487 520 = 115 (年).

      3.3　環保效益

      沼氣利用對減輕大氣污染的作用明顯, 沼氣燃燒排放的SO2 只是燃煤的1 /10, NOx 約為燃煤的1 /5, CO2 是燃煤的2 /5 (見表2) [ 4 ] . 因此, 以沼氣機為原動機的BEHP系統對于SO2、NOx、CO2 和可吸入顆粒物的排放, 均可控制在較理想的狀態, 在環境保護方面具有明顯優勢. 而且, 污水廠產出的沼氣在進入BEHP系統之前, 需經過一定的脫硫凈化等預處理過程, 其工藝復雜程度小于燃煤, 治理費用也較少.

      水源熱泵供熱不需要燃煤、燃油等鍋爐燃燒系統, 直接降低了污染物的排放. 據美國環保署EPA估計, 采用水源熱泵供熱平均可以減少相當于30 %以上的電力消耗, 還間接降低了發電過程中一次能源消耗所產生的污染物和溫室氣體排放. 因此, 在城市污水處理廠開發應用BEHP系統, 是減少城市環境污染可行的手段之一, 具有明顯的環保效益.

      4　結論

      1) 在相同熱輸出的情況下, 與燃煤(燃氣) 鍋爐、電動熱泵以及其他供熱方式相比, 污水廠BEHP系統可分別節約數量可觀的標準煤、天然氣以及電量等寶貴的一級能源, 是一種城市污水資源綜合有效利用的節能方式, 具有很高的一次能源利用效率; 2) 污水廠BEHP系統的初投資相對較大,但它實現了資源的綜合利用, 將污水處理過程中產出的沼氣作為能源驅動熱泵運行, 同時充分回收利用了污水廠出水以及沼氣機排氣中的余熱, 從而節省了大量的燃料運行成本, 投資回收期較短, 具有良好的運行經濟性; 3) 污水廠BEHP系統替代傳統的電動熱泵或其他供熱方式, 可減少SO2、NOx、CO2 等污染物的排放, 在節能減排方面效益顯著. 因此, 推廣應用具有沼氣資源有效利用、污水余熱資源及沼氣機廢熱回收利用等多種優勢的BEHP系統, 前景十分廣闊.

      [ 參考文獻]

      [ 1 ] 關天勝. 廈門市城市污水廠的污泥處理公案及關鍵技術研究[D ]. 上海: 同濟大學環境工程學院, 2004.

      [ 2 ] 李維, 楊向平, 李建軍, 等. 高碑店污水處理廠沼氣熱電聯供情況介紹[ J ]. 給水排水, 2003, 29 (12) : 17220.

      [ 3 ] 劉喬明, 湯東, 窄長學, 等. 沼氣發動機概述[ J ]. 江蘇大學學報: 自然科學版, 2003, 24 (4) : 37240.

      [ 4 ] 吳集迎. 沼氣熱泵的系統設計及其經濟性分析[ J ]. 農業機械學報, 2006, 37 (12) : 1142117.

      [ 5 ] 楊昭, 趙義, 李麗新, 等. 五種供熱空調系統的技術經濟分析及建議[ J ]. 制冷學報, 2000 (4) : 43248.