當(dāng)前，污水源熱泵項(xiàng)目日漸增多，吸引了政府部門(mén)、開(kāi)發(fā)商、設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、安裝領(lǐng)域的專業(yè)目光。由于該技術(shù)涉及諸多新工藝、新設(shè)備，設(shè)計(jì)人員和用戶對(duì)污水源熱泵的相關(guān)概念和應(yīng)用尚不熟悉，為此本刊特開(kāi)辟專欄，對(duì)污水源熱泵的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行較全面的介紹。
  

 本文闡述原生污水源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵與重要技術(shù)，并簡(jiǎn)要評(píng)述了目前這些技術(shù)的現(xiàn)狀。

   1. 前言

    熱泵可用的冷、熱源可被概括為空氣源、土壤源與水源三種，作者將之統(tǒng)稱為“環(huán)境熱源”。

     水源水有：地面水（江、河、湖水），海水，淺表地下水（井水），工業(yè)廢水（包括石油廢水，各類(lèi)工業(yè)企業(yè)的工藝廢水，電廠冷卻水等），城市污水等。

     城市污水全國(guó)每年排放將近700億噸。不僅水量巨大，而且與環(huán)境溫度相比它冬暖夏涼，作為熱泵的冷、熱源，冬天有大量廢熱可供采暖，夏天又是建筑余熱的理想排放處。不僅可作為煤、油、氣等化石能源的替代能源，而且可避免傳統(tǒng)空調(diào)冷卻塔或冷凝器向街區(qū)排熱造成的城市熱污染。因此，用城市污水作為熱泵的冷熱源目前已得到極大的重視。

     從熱泵應(yīng)用的角度看，城市污水又可被分為已處理污水與原生污水兩種，它們的性質(zhì)與應(yīng)用方法有很大的差別。已處理污水包括中水與二級(jí)出水（達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的污水）等。它們的水質(zhì)雖不及自來(lái)水，但只要在設(shè)備方面采取一點(diǎn)清污措施，應(yīng)用起來(lái)并不困難。然而，由于輸送能耗問(wèn)題，它們只能被污水處理廠附近的建筑所利用，而污水處理廠往往位于建筑物比較稀疏的郊區(qū)。這就大大地限制了對(duì)它的大規(guī)模開(kāi)發(fā)。

     而城市排水渠中的原生污水遍布城市街區(qū)，凡有建筑之處往往有污水渠，凡有污水渠之處又往往有建筑，地理位置的協(xié)調(diào)使它作為熱泵的冷熱源具有更大的開(kāi)發(fā)前景。

     應(yīng)用原生污水作為熱泵冷、熱源的最大問(wèn)題來(lái)自于它的惡劣水質(zhì)。沒(méi)有專門(mén)、特殊的措施，原生污水會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)把任何傳統(tǒng)的換熱設(shè)備堵死。

     先進(jìn)行水處理再取熱是人們最容易想到的辦法。但水處理的投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于所獲取熱量的價(jià)值；在市區(qū)，水處理的場(chǎng)地也是問(wèn)題。這就決定了此路不通。

      原生污水是熱泵所面臨的前所未有的全新工質(zhì)。要想使用它，從設(shè)備到設(shè)計(jì)都需有全新的方法。本文下面就對(duì)這些“全新”之處做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。

     2. 技術(shù)要點(diǎn)

    2.1 城市污水水資源勘察與評(píng)估

     污水資源勘查與評(píng)估是污水源熱泵立項(xiàng)和審批的前提條件。這一工作應(yīng)從污水熱能及熱工的角度出發(fā)而開(kāi)展，目前該領(lǐng)域尚處于混沌狀態(tài)，急需規(guī)范化。

     水資源勘查技術(shù)主要包括勘查參數(shù)體系、參數(shù)測(cè)定方法、勘查實(shí)施方法、數(shù)據(jù)處理方法等幾個(gè)方面的內(nèi)容。

     就勘查參數(shù)而言，按表達(dá)形式可分為點(diǎn)參數(shù)系和分布參數(shù)系，按用途可分為水質(zhì)參數(shù)系、熱工參數(shù)系、管渠參數(shù)系三大類(lèi)。勘查實(shí)施方法主要分為數(shù)據(jù)調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)勘查、取樣測(cè)定等幾類(lèi)。數(shù)據(jù)處理可分為點(diǎn)參數(shù)計(jì)算、分布參數(shù)分析、數(shù)據(jù)深度處理、熱能資源評(píng)估等幾個(gè)步驟。

    2.2 安全連續(xù)換熱問(wèn)題

     對(duì)污水源熱泵系統(tǒng)而言，堵塞問(wèn)題是首當(dāng)其沖的。因?yàn)橐坏┌l(fā)生此問(wèn)題，換熱設(shè)備將完全失去功能。污水源熱泵防堵塞技術(shù)必須滿足兩個(gè)條件：（1）濾面連續(xù)再生；（2）污物污水還原。作者的課題組于2003-2004年間發(fā)明了濾面水力連續(xù)自清方法與設(shè)備。獲得了發(fā)明專利：城市污水冷熱源的應(yīng)用方法與裝置（ZL03132553.X）和設(shè)置有滾筒格柵的城市污水水力自清方法及其裝置（ZL200410043654.9）。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，即使水質(zhì)較好的江、河、湖、海水，為防止污雜物在換熱設(shè)備中的積累，防堵塞也是開(kāi)式地表水源熱泵的關(guān)鍵技術(shù)。

    腐蝕問(wèn)題

     關(guān)于腐蝕問(wèn)題，城市污水對(duì)換熱設(shè)備腐蝕的嚴(yán)重性在一些方案論證的場(chǎng)合往往被夸大了。通常解決腐蝕問(wèn)題的方法無(wú)非兩個(gè)，第一就是采用新材質(zhì)；第二就是采用新涂料。兩種方法均提高成本，加工與施工難度增加，質(zhì)量難以掌控。實(shí)際上，城市的生活污水雖然水質(zhì)極差，但其PH值卻近似為7，這就決定了在系統(tǒng)密閉而不暴露于大氣的運(yùn)行情況下，污水對(duì)碳鋼的不會(huì)嚴(yán)重腐蝕。因此通過(guò)系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)大部分管道和換熱設(shè)備在運(yùn)行期間處于充滿狀態(tài)，則可保證碳鋼系統(tǒng)的防腐性能。我們建議換熱設(shè)備采用通常的碳鋼材質(zhì)即可。完全不腐蝕是不可能的。輕度的腐蝕僅會(huì)些許降低換熱系數(shù)，假定運(yùn)行一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的周期后換熱器腐蝕到了即將泄漏的程度，換一臺(tái)換熱器也比當(dāng)初采用合金鋼材要經(jīng)濟(jì)節(jié)省。

     關(guān)于軟垢問(wèn)題，不論是污水處理廠二級(jí)出水還是城市原生污水，在流經(jīng)換熱器時(shí)都會(huì)在換熱表面形成嚴(yán)重的軟垢，抑制軟垢的方法主要有兩種：一是增加流速，二是采用低能表面，如氟塑料或納米涂層。這兩種方法都有其缺點(diǎn)。清除軟垢的方法目前較多，但是針對(duì)城市污水的開(kāi)式循環(huán)、結(jié)垢迅速特點(diǎn)而言都有不足之處。

    2.3 污水換熱器的特殊設(shè)計(jì)

    作為全新的換熱工質(zhì)，污水的流動(dòng)、換熱特性與清水有很大不同。在進(jìn)行污水換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，沿用清水（手冊(cè)中的數(shù)據(jù)是蒸餾水的）的數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的，嚴(yán)重時(shí)會(huì)帶來(lái)成倍的誤差。關(guān)于污水在流動(dòng)與換熱時(shí)的本構(gòu)特性和宏觀表現(xiàn)，關(guān)于原生污水的污垢特性和對(duì)策，課題組導(dǎo)師所帶出的博士論文：《城市污水強(qiáng)迫流動(dòng)及換熱特性研究》，徐瑩，2009；《城市污水冷熱源系統(tǒng)污垢對(duì)流動(dòng)換熱的影響》，吳學(xué)慧，2008；《在線自除污換熱裝置研發(fā)與實(shí)驗(yàn)研究》，肖紅俠，2009；《城市污水熱能采集套管輸送換熱法》，李桂濤，2007。已有了比較系統(tǒng)的研究與總結(jié)，感興趣的讀者可以查閱。

     間接式系統(tǒng)的二次換熱安排決定了污水換熱器中的溫升、溫降以及換熱溫差都很小，加之由于污垢的影響傳熱系數(shù)也很小。為了避免換熱面積過(guò)大，對(duì)參與換熱兩種流體在換熱器內(nèi)部做出全逆流的安排是非常重要的，而這一安排與流體在換熱器中的流道很長(zhǎng)是互相矛盾的。關(guān)于此類(lèi)換熱器特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法請(qǐng)參閱暖通空調(diào)雜志，文獻(xiàn)[30]。

     2.4 污水源熱泵規(guī)范化設(shè)計(jì)

     目前所經(jīng)常采用的間接換熱系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中涉及污水的進(jìn)出口溫度與流量，中介水的進(jìn)出口溫度與流量，蒸發(fā)溫度與冷凝溫度，末端水的進(jìn)出口溫度等十來(lái)個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。哪一個(gè)或哪一組參數(shù)選擇不當(dāng)，都或大大地影響系統(tǒng)的投資、效果和運(yùn)行費(fèi)用。這實(shí)質(zhì)上是個(gè)多變量參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題。如果沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)精確的優(yōu)化計(jì)算，至少需依據(jù)豐富的經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇參數(shù)。

     設(shè)計(jì)工作還包括取、排污水的方式，緩沖池的設(shè)置與大小，管材、閥門(mén)、三通等選型，污水泵種類(lèi)、臺(tái)數(shù)、流量、揚(yáng)程的確定，排氣、泄水設(shè)置，機(jī)房的標(biāo)高與平面布置，大系統(tǒng)機(jī)器的分組，部分負(fù)荷時(shí)的控制調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的清污方法，系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控，等等，都是十分重要的。哪個(gè)環(huán)節(jié)搞不好，都可能成為瓶頸，影響整個(gè)系統(tǒng)的效果。

    2.5 污水源熱泵的環(huán)評(píng)與規(guī)劃

     城市污水蘊(yùn)含有大量熱能。城市污水熱能資源化，可節(jié)約大量燃煤，并削減大氣污染物排放。但是污水熱能的無(wú)節(jié)制利用，在冬天會(huì)導(dǎo)致污水溫度過(guò)低，在夏季導(dǎo)致污水溫度過(guò)高，最終導(dǎo)致污水處理效果難以達(dá)標(biāo)，尤其當(dāng)污水熱能大規(guī)模利用時(shí)，這種影響是絕對(duì)不能忽視的。對(duì)城市污水熱能資源化的規(guī)模和方式必須進(jìn)行合理優(yōu)化的規(guī)劃，統(tǒng)籌兼顧熱能資源與環(huán)境保護(hù)。

     但由于沒(méi)有相關(guān)的法律、法規(guī)約束，也沒(méi)有相關(guān)的規(guī)劃依據(jù)可循，加上相關(guān)監(jiān)管部門(mén)監(jiān)督不力，城市污水熱能利用并不規(guī)范。污水熱能化的環(huán)境評(píng)估與規(guī)劃的工作程序，為工程建設(shè)者和政府的工作提供依據(jù)，在鼓勵(lì)污水熱能資源合理利用的同時(shí)，推動(dòng)污水熱能資源化的規(guī)范化健康發(fā)展。城市污水熱能資源化整體規(guī)劃主要包括：污水熱能分散式利用規(guī)劃與評(píng)估；集中式利用規(guī)劃與評(píng)估；新城區(qū)污水系統(tǒng)及利用規(guī)劃；完善污水熱能資源化項(xiàng)目的審批、管理與運(yùn)作模式，統(tǒng)籌兼顧，完善城市污水利用的收費(fèi)制度，促進(jìn)城市污水熱能利用向產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)節(jié)約燃煤、大氣減排、經(jīng)濟(jì)創(chuàng)收、污水處理達(dá)標(biāo)的多重目的。

     3. 目前狀況和應(yīng)注意的問(wèn)題

    3.1 形勢(shì)很好，發(fā)展迅猛，眾多參與

     在其他形式的熱泵系統(tǒng)受到冷熱源條件和造價(jià)等諸多因素限制的情況下，許多學(xué)者和商家將目光投向了污水源熱泵，同時(shí)得到了國(guó)家的重視和科研基金資助。在大量人力和資金投入的推動(dòng)下，我國(guó)的污水源熱泵發(fā)展形式很好，許多技術(shù)難題都已經(jīng)開(kāi)始了理論研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，例如直接式污水源熱泵機(jī)組。目前國(guó)內(nèi)已有多家高校和科研機(jī)構(gòu)在從事污水源熱泵的研發(fā)工作，并有多家企業(yè)在推廣應(yīng)用污水源熱泵技術(shù)。作者的課題組近幾年來(lái)在污水源熱泵技術(shù)研發(fā)推廣方面，取得發(fā)明專利11項(xiàng)，培養(yǎng)研究生22名，推廣工程20項(xiàng)，累計(jì)推廣面積200余萬(wàn)m2，發(fā)表學(xué)術(shù)論文近100篇，EI檢索近40篇，目前正致力于污水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)的集成和標(biāo)準(zhǔn)化研究。最近5到10年將是我國(guó)污水源熱泵技術(shù)與市場(chǎng)發(fā)展日趨成熟的黃金時(shí)期，也是面臨各種問(wèn)題最多的時(shí)期。

     3.2 缺乏統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

     目前我國(guó)的污水源熱泵發(fā)展尚處于初級(jí)階段，各科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)沒(méi)有統(tǒng)一的發(fā)展規(guī)劃與調(diào)度，全國(guó)沒(méi)有統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，基本上是“各自為政，閉門(mén)造車(chē)，自吹自擂”。而且各地方政府重視和扶持力度也大不一樣，這導(dǎo)致目前許多已經(jīng)完成的示范工程良莠不齊，有的甚至以失敗告終。而對(duì)于已經(jīng)完成的工程，也往往缺乏準(zhǔn)確翔實(shí)的運(yùn)行能耗測(cè)定，能耗指標(biāo)與節(jié)能效果缺乏令人信服的測(cè)試數(shù)據(jù)予以佐證。

     這一混亂時(shí)期的出現(xiàn)在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下是不可避免的，但是通過(guò)政府的政策和同行的努力是可以“撥亂反正”的。

     3.3 商業(yè)炒作行為的干擾

    商業(yè)炒作行為也在干擾污水源熱泵技術(shù)的正常發(fā)展。一些企業(yè)為了盡快占有市場(chǎng)和排擠競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，普遍存在不顧科學(xué)道理而捏造數(shù)據(jù)、虛構(gòu)事實(shí)、夸大效果，甚至不惜侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)或盜用其它科研單位或?qū)＜业拿x。在研發(fā)方面極少投入，卻宣傳碩果累累。產(chǎn)學(xué)研三結(jié)合是一條好路子，但在我國(guó)目前的狀況下，建設(shè)一個(gè)目光遠(yuǎn)大，重視科研，不唯利是圖，能夠健康發(fā)展的中小企業(yè)也不是一件容易的事情。

     面對(duì)如此大的污水源熱泵市場(chǎng)，虛假和惡性的商業(yè)炒作是沒(méi)有商業(yè)前途的，只有依靠實(shí)事求是的商業(yè)道德和雄厚扎實(shí)的技術(shù)力量才能占有越來(lái)越大的市場(chǎng)份額。

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