細解污水源熱泵的前世今生

——訪哈爾濱工業(yè)大學市政與環(huán)境工程學院教授孫德興

編前：儒雅而謙和，這是記者第一次拜訪我國污水源熱泵第一人——孫德興教授時的感受。或許是因為長期以來一直活躍在三尺講臺之上，他循循善誘、深入淺出，整個采訪過程于記者而言仿佛是在聽一堂美妙的課程，如沐春風。而就在這樣輕松的狀態(tài)下，孫德興教授已經(jīng)為記者呈現(xiàn)出了一幅中國污水源熱泵行業(yè)發(fā)展的全景圖。

    2005年夏，在由黑龍江省科技廳主持召開的“城市原生污水熱能資源化工藝與技術”項目鑒定會上，以中國工程院院士江億為代表的鑒定組成員一致認為，該項目成果為“世界首創(chuàng)，技術水平國際領先”。在所有的專家都在向項目的負責人孫德興教授表示祝賀時，只有孫德興自己知道，取得這樣的成果他和他的弟子們付出了怎樣的艱辛和努力。

    從“熱泵好，源難找”到關注污水

    業(yè)內人士早就知道，利用熱泵為建筑物供熱既節(jié)能又環(huán)保。幾十年來，業(yè)內專家們?yōu)榘l(fā)展熱泵兢兢業(yè)業(yè)，空氣源、水源、土壤源熱泵都在各自適合條件下發(fā)揮著積極的作用。

    但是，在孫德興的家鄉(xiāng)——寒冷的黑龍江省，當時卻是“熱泵好，源難找”。冬季空氣溫度太低，空氣源熱泵不僅效率達不到起碼的節(jié)能指標，而且應對結霜也是難題；地面水全部結冰，自然不能提供溫度適合的水給熱泵用；淺層地下水由于水文地質方面的種種問題又被環(huán)保部門嚴格地限制使用。對于這些問題，孫德興一直在思考和探索。

    恰逢此時，承擔哈爾濱望江賓館供熱、空調改造任務的有關負責人找到了孫德興，請教他是否可以將賓館附近污水渠的污水作為水源為賓館供熱和制冷。于是，使用污水渠中原生污水的污水源熱泵就這樣登上了熱泵的舞臺，開始了它曲折而華麗的征程。

   “明知不可為”而為之

    污水，并不是沒有人想過將其作為一種熱源。其實，使用污水作為熱源可謂好處多多：首先，其儲量相當大，在我國可達600~700億噸/年，而且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，地理位置也極具優(yōu)勢。其次，其水溫適宜，并不像地面水受氣候因素影響顯著，冬季也基本可維持在10攝氏度以上。當然，其節(jié)能環(huán)保效果也毋庸置疑。孫德興經(jīng)過測算，污水源熱泵每耗費一份電能，可吸取三份左右熱能，從而供給房間四份熱量，節(jié)能率達到50%以上。而且，每使用一噸水作熱泵的冷、熱源，可節(jié)省燃煤1-3kg，其運行對環(huán)境是零污染。加之污水源熱泵還可避免對城市空氣的熱污染，傳統(tǒng)的水冷機組空調或者分體空調都是將廢熱向大氣中排放，空調越開，城市越熱，而污水源熱泵在夏季使用空調時將廢熱都被排放到了水體中，避免了熱島效應。

    既然污水源熱泵的好處如此之多，為什么此前國內沒有這樣的應用案例，甚至在全世界也沒有先例？答案就在于污水太臟。當時制冷空調業(yè)界普遍的觀點是，污水水質太差根本無法應用。事實也的確如此。孫德興告訴記者，經(jīng)過測算，原生污水中固體污雜物含量為0.2~0.4%左右，主要成分為爛菜葉、泥沙、糞便，以及少量的塑料片、紗布條、頭發(fā)絲等。假設為某個1萬平方米的建筑提供冷、熱源，約需水量100立方米/小時，那就是說水的預處理設備必須承擔約300kg/小時的污雜物負荷，如此大的污雜物數(shù)量足以在幾分鐘內把任何傳統(tǒng)的過濾面堵死。而這也正是污水渠中的污水一直無法成為熱泵熱源的原因。但是，對孫德興而言，滿足社會需求是科研人員至高無上的理想，再大的困難也得想辦法克服。于是他開始了“明知不可為”而為之的研究之路。

    獨辟蹊徑成世界首創(chuàng)

    每一次技術的變革都源自于科學工作者們孜孜不倦的追求。正如歷史上任何一種發(fā)明創(chuàng)造一樣，污水源熱泵的發(fā)明應用之路也并非一帆風順。

    實際上，在當時國際上已經(jīng)開始了對污水做熱源的關注。在北歐和日本都有不少專業(yè)人士研究如何使用污水實現(xiàn)供熱和制冷。但是，他們的思路一直局限于先將污水進行水處理后再使用。這就需要在系統(tǒng)中設置水處理池，以及機械式的篩濾裝置。而事實上，進行水處理的成本非常高，已經(jīng)遠遠超過了系統(tǒng)所獲得熱能的價值。市場是敏感的，這樣的系統(tǒng)顯然不具備推廣價值，自然也就逐漸被行業(yè)淘汰。

    正當全世界的業(yè)界人士都在為如何降低水處理成本而困擾時，孫德興和他當時的弟子吳榮華發(fā)明的系統(tǒng)卻另辟蹊徑。他們發(fā)明的“濾面水力連續(xù)自清裝置”終于讓污水這個一直為業(yè)界所摒棄的熱源走上了熱泵的舞臺。

    其實發(fā)明的過程也是幾經(jīng)波折。對于污水的應用，孫德興很早就意識到，要解決這一問題，不適宜采用成本較高的水凈化處理方式，而應該通過過濾的形式，將污雜物的含量降低至機組能夠承受的范圍，過濾是一個低成本、效果好的手段。但是，由于污雜物堵塞濾面很快，甚至只需要短短的一兩分鐘，因此，問題的關鍵就變成了如何實現(xiàn)濾面過濾功能的再生。最初，他們考慮到運用反沖洗的方式，但是，間歇式的反沖洗仍然不能達到快速恢復濾面功能的效果。幾經(jīng)實現(xiàn)，連續(xù)反沖洗的思路逐漸在他們的腦海中形成。

    最終發(fā)明的濾面的水力連續(xù)自清裝置是濾面自身旋轉，在任意時刻都有部分濾面位于過濾的工作區(qū)，另一部分濾面位于水力反沖區(qū)。在濾面旋轉一周的幾秒到十幾秒時間內，每個濾孔都有部分時間在過濾的工作區(qū)行使過濾功能，另一部分時間在反沖區(qū)被反洗，以恢復過濾功能，這也就實現(xiàn)了濾面過濾功能的再生。污水經(jīng)由過濾后至換熱設備無堵塞換熱，換熱后的污水回到污水熱能處理機的反沖區(qū)對濾面實施反沖，并將反沖掉的污雜物全部帶走至排放處。該裝置可應對任何污雜物含量的污水，工作可靠，價格低廉，而且也無需人工清理污雜物。

    孫德興告訴記者，如果要使用污雜物含量很大的原生污水，那么采用該裝置幾乎是唯一的辦法。即使是對水質較好的江、河、湖、海水，為防止污雜物在換熱設備中的積累，也適宜使用該設備，可以一勞永逸的解決問題。

    2003年，這一裝置正式問世。2005年，城市污水冷熱源的應用方法和裝置通過了黑龍江省科技廳的鑒定，也就出現(xiàn)了文章開頭所述的那一幕。

    經(jīng)受住實踐的考驗

    應用污水源的靈感來自于黑龍江望江賓館項目，于是，望江賓館也就理所當然地成為了首個應用的項目。該賓館建筑面積1.5 萬平方米。系統(tǒng)運行后，冬季室溫可達22℃以上，夏季室溫可達24℃以下。該賓館表示，此前，賓館一年供熱需燒煤3000噸，按當時180元/噸的價格計算，一個冬天要花掉54萬元，制冷所需的電費需20多萬元，負責供熱的12名工作人員的工資等其他費用需12萬元，一年共花費86萬元。采用污水源熱泵后，全年只花費了50多萬元電費。雖然電價提高了，一年的電費需75萬元至80萬元，但按現(xiàn)在燃煤的銷售價格700元/噸計算，光供熱就得花210萬元。兩者一比較，經(jīng)濟效益非常明顯。如今，該系統(tǒng)已經(jīng)運行了7年，一直成功地擔負著賓館的采暖制冷任務，可以說經(jīng)受住了時間的考驗。而這也是有史以來，在世界范圍內第一個使用原生污水對萬米以上建筑供熱和制冷的成功案例。

    此后，孫德興帶領著他的團隊開始在全國范圍內推廣污水源熱泵。目前，使用該專利技術已經(jīng)推廣了污水源熱泵工程項目20余項。其中，石家莊締景城面積達到了56萬平方米，全部采用原生污水實現(xiàn)供熱。2009年冬起試運行，2010年冬成功經(jīng)受了三次大降溫的考驗，運行情況良好。這也是目前我國各類形式地源熱泵工程最大的項目。

    而技術也在這一項項工程的實施過程中一步步地走向成熟。從最初的專利發(fā)明至今，孫德興和他的弟子們先后擁有了共計11項發(fā)明專利，實現(xiàn)了系統(tǒng)的優(yōu)化和升級，孫德興也當之無愧為中國污水源熱泵的第一人。

    總的說來，經(jīng)過實踐檢驗證明，污水源熱泵系統(tǒng)在初期投資時其額度與傳統(tǒng)的只能供冷的集中空調系統(tǒng)持平或略高，但可節(jié)省下普通系統(tǒng)冬季必備的熱網(wǎng)入網(wǎng)或鍋爐房費用，以及大量的占地空間，還可省下普通空調系統(tǒng)所需的冷卻塔，總體估算節(jié)約初投資30%左右。在運行投資方面，由于污水對機組的冷卻效果要好于冷卻塔，使用空調機組的COP值高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，夏季約可節(jié)電10%。以使用民用電價計，冬季采暖的運行費用將比熱網(wǎng)或鍋爐房燃煤系統(tǒng)低20~40%。

    行業(yè)規(guī)范才能實現(xiàn)良性發(fā)展

    作為我國污水源熱泵的前輩，孫德興在行業(yè)內奮斗了多年，對行業(yè)自然也有不同于常人的理解和感受。談及目前行業(yè)的發(fā)展，孫德興表示，在其他形式的熱泵系統(tǒng)受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，同時也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。目前國內已有多家高校和科研機構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。最近5～10年將是我國污水源熱泵技術與市場發(fā)展日趨成熟的黃金時期。但是他也指出，現(xiàn)在也是面臨各種問題最多的時期。

    在目前已經(jīng)運行的諸多地源熱泵工程中，存在不少實際能效與理論值差距甚大的事例。其中一個重要的原因就在于沒有進行正確的設計。當設計者遇到了全新的問題，如果沒有研究基礎，又沒有規(guī)范、標準可以依靠，只能憑以往經(jīng)驗來完成設計工作，就難免會出現(xiàn)問題。

    因此，要促進行業(yè)良性發(fā)展，首先就是要抓緊研究完善系統(tǒng)中的各個技術環(huán)節(jié)，在此基礎上逐步形成科學的規(guī)范標準。目前我國的污水源熱泵發(fā)展尚處于初級階段，各科研機構和企業(yè)基本上是各自為政。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。

    其次就是一些商業(yè)炒作行為干擾了污水源熱泵技術的正常發(fā)展。一些企業(yè)為了盡快占有市場，有時不顧科學道理而夸大效果。在研發(fā)方面投入力量不足。“其實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力量才能占有越來越大的市場份額。也只有這樣才能促進整個行業(yè)的進步”，孫德興說。言語中充滿了對行業(yè)良性發(fā)展的殷殷期待。

    孫德興教授簡介

    孫德興，哈爾濱工業(yè)大學市政與環(huán)境工程學院教授、博士生導師。哈爾濱工業(yè)大學學位委員會委員、學科帶頭人。曾任全國高等院校土木工程學科專業(yè)指導委員會委員，全國高等院校建筑環(huán)境與設備工程學科專業(yè)指導委員會任副主任委員，全國高等院校建筑環(huán)境與設備工程學科專業(yè)評估委員會任副主任委員，黑龍江省土木學會理事，哈爾濱工業(yè)大學建筑工程學報編委，2008年起擔任《地源熱泵》雜志編委會委員。

    現(xiàn)已培養(yǎng)出博士10余名、碩士30余名，主持或參加完成多項國家自然科學基金、黑龍江省科學計劃項目以及大量社會科技服務項目，出版了獨著的高等傳熱學研究生教材。發(fā)表了近百篇以上核心文章，包括《開發(fā)水源技術，解決熱泵發(fā)展的瓶頸問題》、《利用冷水凝固熱的熱泵系統(tǒng)與裝置》、《污水源及地表水源熱泵取水換熱技技術研究應用進展》等。

    2003年主持技術建成了世界首個原生污水源熱泵工程，研發(fā)的《城市污水熱能資源化》項目獲得“世界首創(chuàng)、國際領先”的鑒定評語。

附發(fā)明專利表

No   專利號       專利類型       專利名稱

1     ZL03132553.X       發(fā)明專利       城市污水冷熱源的應用方法和裝置

2     ZL200410043654.9       發(fā)明專利       設置有滾筒格柵的城市污水水力自清裝置

3     ZL200510009925.3       發(fā)明專利       城市原生污水冷熱源直流輸送換熱應用方法

4     ZL200610009617.5       發(fā)明專利       利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵

5     ZL200610009618.X       發(fā)明專利       基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰  的方法

6     ZL200710144334.6       發(fā)明專利       拉閥式換熱表面實時在線清潔換熱裝置

7     ZL200610009740.7       發(fā)明專利       地表水源熱泵系統(tǒng)凝固熱利用及防污染裝置

8     ZL200610009753.4       發(fā)明專利       寒區(qū)污水冷熱源污水伴熱處理裝置

9     ZL200610010437.9       發(fā)明專利       污水及地表水源熱泵無阻塞壓力平衡防阻裝置及其系統(tǒng)

10    ZL200720115409.3發(fā)明專利       污水及地表水冷熱源筒簇在線防污換熱裝置及方法

11    ZL200710072326.5      發(fā)明專利    污水及地表水熱泵明渠式換熱槽換熱方法及其裝置

12    ZL200420018341.3       實用新型       設置有旋轉反沖洗格柵濾網(wǎng)的城市污水冷熱源的應用裝置

13    ZL200420019192.2       實用新型       設置有滾筒格柵的城市污水水力自清裝置

14    ZL200720115409.3實用新型       污水及地表水冷熱源筒簇在線防污換熱裝置

15    ZL20072011640.0  實用新型       污水及地表水熱泵明渠式換熱槽換熱裝置