污水源熱泵技術(shù)大講堂（連載一）

污水源熱泵技術(shù)要點與發(fā)展現(xiàn)狀

哈爾濱工業(yè)大學  張承虎，孫德興，吳榮華，莊兆意，劉京

擇要：闡述原生污水源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵與重要技術(shù)，并簡要評述目前這些技術(shù)的現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：污水，熱泵，關(guān)鍵技術(shù)，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)與應用方法有很大的差別。已處理污水包括中水與二級出水（達到排放標準的污水）等。它們的水質(zhì)雖不及自來水，但只要在設(shè)備方面采取一點清污措施，應用起來并不困難。然而，由于輸送能耗問題，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它的大規(guī)模開發(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發(fā)前景。

    應用原生污水作為熱泵冷、熱源的最大問題來自于它的惡劣水質(zhì)。沒有專門、特殊的措施，原生污水會在極短的時間內(nèi)把任何傳統(tǒng)的換熱設(shè)備堵死。

    先進行水處理再取熱是人們最容易想到的辦法。但水處理的投入遠遠的高于所獲取熱量的價值；在市區(qū)，水處理的場地也是問題。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)計都需有全新的方法。本文下面就對這些“全新”之處做一個簡要的介紹。

2. 技術(shù)要點

2.1 城市污水水資源勘察與評估

    污水資源勘查與評估是污水源熱泵立項和審批的前提條件。這一工作應從污水熱能及熱工的角度出發(fā)而開展，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)測定方法、勘查實施方法、數(shù)據(jù)處理方法等幾個方面的內(nèi)容。

    就勘查參數(shù)而言，按表達形式可分為點參數(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。勘查實施方法主要分為數(shù)據(jù)調(diào)研、現(xiàn)場勘查、取樣測定等幾類。數(shù)據(jù)處理可分為點參數(shù)計算、分布參數(shù)分析、數(shù)據(jù)深度處理、熱能資源評估等幾個步驟。

2.2 安全連續(xù)換熱問題

    對污水源熱泵系統(tǒng)而言，堵塞問題是首當其沖的。因為一旦發(fā)生此問題，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）。應該強調(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，防堵塞也是開式地表水源熱泵的關(guān)鍵技術(shù)。

    腐蝕問題

    關(guān)于腐蝕問題，城市污水對換熱設(shè)備腐蝕的嚴重性在一些方案論證的場合往往被夸大了。通常解決腐蝕問題的方法無非兩個，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行情況下，污水對碳鋼的不會嚴重腐蝕。因此通過系統(tǒng)方面的設(shè)計，保證系統(tǒng)大部分管道和換熱設(shè)備在運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。輕度的腐蝕僅會些許降低換熱系數(shù)，假定運行一個相當長的周期后換熱器腐蝕到了即將泄漏的程度，換一臺換熱器也比當初采用合金鋼材要經(jīng)濟節(jié)省。

    關(guān)于軟垢問題，不論是污水處理廠二級出水還是城市原生污水，在流經(jīng)換熱器時都會在換熱表面形成嚴重的軟垢，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。清除軟垢的方法目前較多，但是針對城市污水的開式循環(huán)、結(jié)垢迅速特點而言都有不足之處。

2.3 污水換熱器的特殊設(shè)計

    作為全新的換熱工質(zhì)，污水的流動、換熱特性與清水有很大不同。在進行污水換熱器的設(shè)計計算時，沿用清水（手冊中的數(shù)據(jù)是蒸餾水的）的數(shù)據(jù)是不準確的，嚴重時會帶來成倍的誤差。關(guān)于污水在流動與換熱時的本構(gòu)特性和宏觀表現(xiàn)，關(guān)于原生污水的污垢特性和對策，課題組導師所帶出的博士論文：《城市污水強迫流動及換熱特性研究》，徐瑩，2009；《城市污水冷熱源系統(tǒng)污垢對流動換熱的影響》，吳學慧，2008；《在線自除污換熱裝置研發(fā)與實驗研究》，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大，對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是互相矛盾的。關(guān)于此類換熱器特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法請參閱暖通空調(diào)雜志，文獻[30]。

2.4 污水源熱泵規(guī)范化設(shè)計

    目前所經(jīng)常采用的間接換熱系統(tǒng)在設(shè)計中涉及污水的進出口溫度與流量，中介水的進出口溫度與流量，蒸發(fā)溫度與冷凝溫度，末端水的進出口溫度等十來個關(guān)鍵參數(shù)。哪一個或哪一組參數(shù)選擇不當，都或大大地影響系統(tǒng)的投資、效果和運行費用。這實質(zhì)上是個多變量參數(shù)的優(yōu)化問題。如果沒有進行系統(tǒng)精確的優(yōu)化計算，至少需依據(jù)豐富的經(jīng)驗來選擇參數(shù)。

    設(shè)計工作還包括取、排污水的方式，緩沖池的設(shè)置與大小，管材、閥門、三通等選型，污水泵種類、臺數(shù)、流量、揚程的確定，排氣、泄水設(shè)置，機房的標高與平面布置，大系統(tǒng)機器的分組，部分負荷時的控制調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的清污方法，系統(tǒng)運行的監(jiān)控，等等，都是十分重要的。哪個環(huán)節(jié)搞不好，都可能成為瓶頸，影響整個系統(tǒng)的效果。

2.5 污水源熱泵的環(huán)評與規(guī)劃

    城市污水蘊含有大量熱能。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。但是污水熱能的無節(jié)制利用，在冬天會導致污水溫度過低，在夏季導致污水溫度過高，最終導致污水處理效果難以達標，尤其當污水熱能大規(guī)模利用時，這種影響是絕對不能忽視的。對城市污水熱能資源化的規(guī)模和方式必須進行合理優(yōu)化的規(guī)劃，統(tǒng)籌兼顧熱能資源與環(huán)境保護。

    但由于沒有相關(guān)的法律、法規(guī)約束，也沒有相關(guān)的規(guī)劃依據(jù)可循，加上相關(guān)監(jiān)管部門監(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)，在鼓勵污水熱能資源合理利用的同時，推動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)劃與評估；集中式利用規(guī)劃與評估；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目的審批、管理與運作模式，統(tǒng)籌兼顧，完善城市污水利用的收費制度，促進城市污水熱能利用向產(chǎn)業(yè)化、市場化發(fā)展，實現(xiàn)節(jié)約燃煤、大氣減排、經(jīng)濟創(chuàng)收、污水處理達標的多重目的。

3. 目前狀況和應注意的問題

3.1 形勢很好，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等諸多因素限制的情況下，許多學者和商家將目光投向了污水源熱泵，同時得到了國家的重視和科研基金資助。在大量人力和資金投入的推動下，我國的污水源熱泵發(fā)展形式很好，許多技術(shù)難題都已經(jīng)開始了理論研究和實驗測試，例如直接式污水源熱泵機組。目前國內(nèi)已有多家高校和科研機構(gòu)在從事污水源熱泵的研發(fā)工作，并有多家企業(yè)在推廣應用污水源熱泵技術(shù)。作者的課題組近幾年來在污水源熱泵技術(shù)研發(fā)推廣方面，取得發(fā)明專利11項，培養(yǎng)研究生22名，推廣工程20項，累計推廣面積200余萬m²，發(fā)表學術(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)的集成和標準化研究。最近5到10年將是我國污水源熱泵技術(shù)與市場發(fā)展日趨成熟的黃金時期，也是面臨各種問題最多的時期。

3.2 缺乏統(tǒng)一的規(guī)范標準

    目前我國的污水源熱泵發(fā)展尚處于初級階段，各科研機構(gòu)和企業(yè)沒有統(tǒng)一的發(fā)展規(guī)劃與調(diào)度，全國沒有統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范標準，基本上是“各自為政，閉門造車，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。而對于已經(jīng)完成的工程，也往往缺乏準確翔實的運行能耗測定，能耗指標與節(jié)能效果缺乏令人信服的測試數(shù)據(jù)予以佐證。

    這一混亂時期的出現(xiàn)在市場經(jīng)濟條件下是不可避免的，但是通過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)為了盡快占有市場和排擠競爭對手，普遍存在不顧科學道理而捏造數(shù)據(jù)、虛構(gòu)事實、夸大效果，甚至不惜侵犯知識產(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)學研三結(jié)合是一條好路子，但在我國目前的狀況下，建設(shè)一個目光遠大，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。

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

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