污水源熱泵技術(shù)大講堂（連載二）

城市污水熱能資源勘察技術(shù)與評估

哈爾濱工業(yè)大學(xué)   張承虎、孫德興、莊兆意、劉京

摘要：對城市污水熱能資源進(jìn)行勘察，并在勘察數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行熱能資源評估，是污水熱能資源化利用的基礎(chǔ)。本文從勘查參數(shù)體系、參數(shù)勘測方法、勘查實施方法、數(shù)據(jù)處理方法四個方面系統(tǒng)介紹了城市污水熱能資源的勘察技術(shù)，從技術(shù)利用溫差、環(huán)保利用溫差和評估流量三個方面介紹了污水熱能資源的評估方法。

關(guān)鍵詞：污水熱能，資源化，勘察，評估

    污水源熱泵項目成敗的關(guān)鍵在于污水所蘊(yùn)含的可被開采的熱能能否滿足工程要求。污水可被開采的熱能量與流量、水溫及二者的變化規(guī)律、取水方式等密切相關(guān)。污水源熱泵工程由于缺乏充分的勘察和評估，而導(dǎo)致問題頻出甚至失敗的例子不在少數(shù)。污水熱能資源勘察與評估應(yīng)該是污水源熱泵工程論證和審批的前提條件。

1 污水熱能資源勘察技術(shù)

    城市污水熱能勘察技術(shù)主要包括四個方面的內(nèi)容：勘查參數(shù)體系、參數(shù)勘測方法、勘查實施方法、數(shù)據(jù)處理方法。

1.1 勘查參數(shù)體系

    勘查參數(shù)體系按參數(shù)性質(zhì)可分為：熱工參數(shù)、水質(zhì)參數(shù)、管渠參數(shù)三大類；按參數(shù)的表達(dá)形式可分為：點參數(shù)和分布參數(shù)兩大類。如表1所示。

    所謂點參數(shù)，是指在某個具體時刻測出的污水熱能參數(shù)。點參數(shù)主要是物性參數(shù)、最大/最小值、平均值、特殊點值等，一般需要通過分布參數(shù)數(shù)據(jù)處理求得。分布參數(shù)主要是指某一參數(shù)在時間或空間上的分布規(guī)律。從分布參數(shù)中，可以清晰地了解各污參數(shù)的變化趨勢，可以形象地在曲線上看出各特征點參數(shù)及其出現(xiàn)的時間，比如，最大值、最小值等。

    主要的點參數(shù)有：小時最低流量、小時最高流量、小時平均流量、日最低流量、日最高流量、日平均流量、月最低流量和最不利日平均流量；小時最低溫度、小時最高溫度、小時平均溫度、日最低溫度、日最高溫度、日平均溫度、月最低溫度和最不利日平均溫度；管渠的尺寸、埋深、污水的水深、水面寬度、污水流向；PH值、BOD、COD、SS、TDS、固態(tài)成分等。

    分布參數(shù)一般用曲線圖或表格來表示，主要的分布參數(shù)有：特征日流量逐時分布圖（表）、特征日溫度逐時分布圖（表）、最冷（熱）月流量逐日分布圖（表）、最冷（熱）月溫度逐日分布圖（表）、特征日的逐時流量延續(xù)時間圖（表）、特征日的逐時水溫延續(xù)時間圖（表）、采暖季的逐日流量延續(xù)時間圖（表）、采暖季的逐日水溫延續(xù)時間圖（表）、懸浮污雜物的濃度分級分布圖（表）、土壤的垂直溫度分布圖（表）。

表1 污水熱能資源勘查參數(shù)體系

注：帶（*）號為必須勘查參數(shù)。

1.2 參數(shù)勘測方法

    勘測方法主要分為數(shù)據(jù)調(diào)研、現(xiàn)場直接測量、取樣實驗室測量、遠(yuǎn)傳實時監(jiān)控等幾大類方法，具體測定方法在許多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中均有明確說明，參考文獻(xiàn)[3-11]。

    一般而言，污水的生物化學(xué)水質(zhì)參數(shù)一般需要取樣實驗室測量，而有關(guān)懸浮物的污水水質(zhì)參數(shù)就需要現(xiàn)場測量。

    在還有充分時間和條件允許進(jìn)行工程論證時，可以采取遠(yuǎn)傳實時監(jiān)控。將數(shù)字溫度計的傳感器固定于流速儀支竿上，放入污水干渠測試點，測試污水流速的同時測量水溫和水深，高精度巡檢儀通過多路開關(guān)對所輸入的各測點(溫度、壓力、流量等)的信號值進(jìn)行切換，逐一巡回處理。這些信號以數(shù)字量的形式進(jìn)入巡檢儀的中央處理單元后經(jīng)過處理、轉(zhuǎn)換，最后以工程量的形式顯示輸出。計算機(jī)與巡檢儀之間采用標(biāo)準(zhǔn)通訊傳輸，實現(xiàn)實時通訊。并以MCGS 工程組態(tài)軟件(Monitor andControl Generated System)搭建實時監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理、流程控制、數(shù)據(jù)波動曲線顯示及工作系統(tǒng)動畫顯示等實時監(jiān)控的功能。

    污水處理廠的運行數(shù)據(jù)和大型干渠的數(shù)據(jù)一般可以通過協(xié)作調(diào)研得到。特征日的分時段現(xiàn)場直接測量是常用的方式，能得到許多有價值的點參數(shù)。流量的測量方法主要有堰式流量測量、槽式流量測量和斷面流速法。斷面流速法雖然精度較差，但是實施簡單，對于小型干渠可僅僅測量表面中心流速，如采用浮漂法；對于大型干渠，通常需要將流通斷面合理地劃分為多個部分，并在各部分的中心點分別測量流速和溫度，最后通過加權(quán)平均的方法得到污水的平均流速（流量）和溫度。

1.3 勘察實施方法

    實施方法主要包括設(shè)備儀器購置、時間安排，人員安排，測點安排，數(shù)據(jù)記錄，安全措施，協(xié)調(diào)措施，注意事項。

    設(shè)備與儀器：為了測量能夠順利有序地進(jìn)行，測量人員還得對測量中所需要的輔助設(shè)備進(jìn)行必要的準(zhǔn)備。（1）現(xiàn)場勘測的主要儀器有螺旋槳式流速儀、便攜式數(shù)字溫度計、秒表、標(biāo)桿、卷尺、浮標(biāo)、傳感器的數(shù)據(jù)加長線等。（2）打開井蓋所需的鐵錘、撬棍、梯子、安全帽、雨鞋、保護(hù)手套、照明工具、交通警示牌和交通反光背心等。（3）測試工作量較大，測點分布較廣，儀器和輔助設(shè)備較多時，建議準(zhǔn)備方便快捷的交通工具。（4）針對特殊情況的特殊設(shè)備的準(zhǔn)備。例如北方的冬季，檢查井蓋完全被凍住，因此需要額外準(zhǔn)備煤氣罐和烘烤槍用于井蓋化凍，如下圖1所示。

    時間安排：時間安排要充分考慮特殊日期（如最冷、熱天、節(jié)假日等）和特殊時段（如枯水時段和豐水時段）以及測量周期。應(yīng)該參考當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)，了解當(dāng)?shù)刈罾湓?、最熱月、極端高溫日和極端低溫日等信息，圍繞這些特征日對污水的熱工參數(shù)和水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行持續(xù)一定時間的測試。此外夏季工況需要包括最熱月全月數(shù)據(jù)，冬季工況需要包括最冷月全月數(shù)據(jù)。對非特征日，要求對測試點連續(xù)測試16-18個小時，至少得到16-18組參數(shù)數(shù)據(jù)，對特征日，要求對測試點進(jìn)行連續(xù)24小時的測試，至少得到24組參數(shù)數(shù)據(jù)。

    人員安排：對于人員的安排有兩個保證：首先是人員數(shù)量的保證，由于測試點的位置和測試項目本身特點，至少3人一組進(jìn)行協(xié)調(diào)測量，并且盡量安排多個小組同時進(jìn)行測試。；其次是人員素質(zhì)的的保證，必須對測試人員進(jìn)行遴選，并且在測試前對測試人員進(jìn)行必要的培訓(xùn)，在保護(hù)自身安全的前提下對污水的熱工參數(shù)實行正確有效地測試。

    測點安排：測點安排之前，建議跟當(dāng)?shù)亟o排水部門和水務(wù)部門溝通，以城市給排水管線現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ)，對該地區(qū)的地形地貌、污水管網(wǎng)分合走向、污水管渠的尺寸、污水匯入（出）點的位置等進(jìn)行詳細(xì)了解，測點布置的原則是：（1）用戶應(yīng)位于上、下游兩測點之間；（2）測點盡量選取易于打開、人員上下、交通較少的檢查井；（3）相鄰測試點的距離不應(yīng)該大于1km；（4）測點必須與管線現(xiàn)狀圖進(jìn)行比對，以確認(rèn)其尺寸、走向等是否相符；（5）根據(jù)目的不同測點可分為普通測點和特殊測點兩類。

    數(shù)據(jù)記錄：數(shù)據(jù)的記錄應(yīng)該符合以下原則：（1）制作專門的測試數(shù)據(jù)記錄本，標(biāo)上頁數(shù)，防止缺頁。（2）數(shù)據(jù)記錄表必須記錄以下內(nèi)容：日期、測試時刻、測試人員、測試儀器編號、天氣、測點編號與位置、管渠尺寸、埋深、污水水深、水面寬度、污水流向、污水流速、污水溫度、特殊情況記錄等。（3）記錄測試數(shù)據(jù)時，要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，要實事求是，切忌夾雜主觀因素，決不能隨意拼湊和偽造數(shù)據(jù)。（4）勘查過程中，可能碰到污水渠沒有水，或者污水渠完全封凍、或滿管流、或污水渠尺寸、測點位置與圖紙所示不一致、或測點找不到等情況，也都應(yīng)按實際情況記錄。（5）數(shù)據(jù)記錄應(yīng)有層次、順序，以便于查詢和電腦錄入。

    其他事項：（1）由于污水屬于城市的熱能資源，污水管網(wǎng)也屬于城市的市政設(shè)施，在進(jìn)行污水參數(shù)測試前，為了做好安全和協(xié)調(diào)措施，勘察應(yīng)當(dāng)取得交通部門和水務(wù)部門的支持并備案。（2）測試人員在工作時一定要布置警戒區(qū)，測量人員穿戴交通反光背心，下井工作人員戴好安全帽。（3）對測出的數(shù)據(jù)如果有明顯錯誤，或者對數(shù)據(jù)的正確性有懷疑時，應(yīng)該立即對該測試點的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新測試。（4）需要下井作業(yè)時，測試人員需在井蓋打開進(jìn)行一段時間換氣后再下井進(jìn)行測試。（5）測試完成后，一定要將測試現(xiàn)場還原到測試前的狀態(tài)，特別應(yīng)該注意的是要確認(rèn)井蓋蓋好后再離開測試現(xiàn)場。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

    數(shù)據(jù)處理除了遵循常規(guī)方法之外，平均值均采取加權(quán)平均方法，例如計算平均流速以流通斷面為權(quán)重，計算平均流量以時間為權(quán)重，計算平均溫度以流量為權(quán)重等。

    對于分布參數(shù)的處理，（1）應(yīng)當(dāng)去除粗大誤差；（2）對數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢擬合，得到逐時趨勢圖（或函數(shù)）；（3）得到最大或最小值；（4）計算流量、溫度的日波動幅度比例和季波動幅度比例；（5）以逐時趨勢圖（函數(shù)）繪制延續(xù)時間圖（或函數(shù)）；（6）得到其它特殊點值，如環(huán)保達(dá)標(biāo)溫度、環(huán)保不保證天數(shù)等。

    逐時趨勢圖的橫坐標(biāo)為逐時時間（按小時或天），縱坐標(biāo)為流量或水溫，即將流量或溫度按照時間的先后順序在圖中標(biāo)示出來。如水溫日逐時變化趨勢圖。由變化趨勢圖可以較方便地看出最大流量、最小流量、最高水溫、最低水溫，以及流量、水溫的波動幅度。逐時趨勢圖一般呈波浪形曲線。

    延續(xù)時間圖的橫坐標(biāo)也是時間（按小時或天），縱坐標(biāo)為流量或水溫，但是與變化趨勢圖不一樣，橫坐標(biāo)的時間沒有先后順序的意義，而是表示流量或水溫低于某一數(shù)值（縱坐標(biāo)數(shù)值）的累計時間。因此，最大流量（或水溫）對應(yīng)的時間就是總時間，而最小流量（或水溫）對應(yīng)的時間就是0。如采暖季逐日延續(xù)時間水溫圖。由延續(xù)時間圖可以方便地了解污水熱能資源化的不保證時間，了解極端（流量或水溫最大、最小）時段的延續(xù)時間，以便作出適當(dāng)?shù)膽?yīng)對。延續(xù)時間圖必然是單調(diào)爬坡形曲線。

2 污水熱能資源評估

    污水熱能資源勘察完成之后，就應(yīng)當(dāng)在實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行熱能資源評估。污水熱能資源評估的基本目的是確定可利用的污水熱能究竟有多少或可滿足多少采暖空調(diào)的建筑面積^[12-13]，其基本公式是：

2.1 技術(shù)可利用溫差

    在式（1）中較難確定的是評估計算流量和技術(shù)可利用溫差，因為流量和溫度是逐時變化的，取任一數(shù)值均需要充足的理由。技術(shù)可利用溫差是相對于環(huán)?？衫脺夭疃缘?，主要是由于熱泵系統(tǒng)技術(shù)方面原因所限制的可利用最大溫差。通過研究發(fā)現(xiàn)，對于間接式系統(tǒng)，技術(shù)可利用溫差是污水換熱器傳熱單元數(shù)和污水-中介水進(jìn)口溫度差的函數(shù)，如下式：

-換熱器中介水進(jìn)口溫度，℃，由于熱泵機(jī)組的低溫保護(hù)和效率，一般為3℃或4℃（熱泵機(jī)組的低溫保護(hù)溫度）。對于直接式系統(tǒng)，取消了中介換熱，式（2）中的NTU相當(dāng)于無窮大。

    總之，污水的可利用溫差可認(rèn)為是污水進(jìn)口溫度的單一函數(shù)。間接式系統(tǒng)和直接式系統(tǒng)的污水可利用溫差如下表所示。可見間接式系統(tǒng)由于要為中介換熱循環(huán)保留傳熱溫差，導(dǎo)致間接式污水源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)可利用溫差要比直接式系統(tǒng)小許多。

表2 污水的技術(shù)可利用溫差（℃）

2.2 評估計算流量與供應(yīng)面積

    關(guān)于評估計算流量，其取值直接與是否設(shè)置污水調(diào)節(jié)池及調(diào)節(jié)池的大小有關(guān)。

臨界調(diào)節(jié)池容積按下式計算：

    即臨界調(diào)節(jié)池體積為振幅流量乘以半周期再乘以63.66%。

    雖然調(diào)節(jié)池具有”移峰填谷”和增加可供面積的作用，但調(diào)節(jié)池也不是越大越好，池建得越大的話，建造費用就會越高，但利用率相對來說就會越低。一般而言調(diào)節(jié)池體積是臨界調(diào)

2.3 熱能資源評估其他相關(guān)問題

    （1）污水資源的種類：生活污水、工業(yè)污水、處理排放水、中水、雨污合流等等，污水種類不同，針對性地采用不同的勘查手段，采用不同的系統(tǒng)形式和評估方法。

    （2）污水資源未來發(fā)展趨勢與可靠性：必須考慮取水點附近污水管線和建筑功能在未來的規(guī)劃，例如是否有新的污水干渠匯合進(jìn)來，是否存在分流，管渠是否改道，是否會斷流，該區(qū)域是否會拆遷，區(qū)域功能與經(jīng)濟(jì)是否會設(shè)計或倒退等等，這些問題都涉及到污水資源的可靠性。

    （3）取水點與供應(yīng)建筑的位置關(guān)系與距離：污水取水的施工難度也直接關(guān)系到工程的成敗，取水點與建筑之間的距離、地形、地貌、地質(zhì)、是否相隔建筑、交通要道或河道、是否直線布管取水，是否有廢舊的管渠管道可用等等。

備注：公式（1）、（3）、（4）（5）中V&應(yīng)為V’，表示變化率。

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