污水源热泵技术大讲堂（连载一）污水源热泵技术要点与发展现状

污水源热泵技术大讲堂（连载一）

污水源热泵技术要点与发展现状

哈尔滨工业大学  张承虎，孙德兴，吴荣华，庄兆意，刘京

择要：阐述原生污水源热泵系统的关键与重要技术，并简要评述目前这些技术的现状。

关键词：污水，热泵，关键技术，现状

1. 前言

    热泵可用的冷、热源可被概括为空气源、土壤源与水源三种，作者将之统称为“环境热源”。

    水源水有：地面水（江、河、湖水），海水，浅表地下水（井水），工业废水（包括石油废水，各类工业企业的工艺废水，电厂冷却水等），城市污水等。

    城市污水全国每年排放将近700亿吨。不仅水量巨大，而且与环境温度相比它冬暖夏凉，作为热泵的冷、热源，冬天有大量废热可供采暖，夏天又是建筑余热的理想排放处。不仅可作为煤、油、气等化石能源的替代能源，而且可避免传统空调冷却塔或冷凝器向街区排热造成的城市热污染。因此，用城市污水作为热泵的冷热源目前已得到极大的重视。

    从热泵应用的角度看，城市污水又可被分为已处理污水与原生污水两种，它们的性质与应用方法有很大的差别。已处理污水包括中水与二级出水（达到排放标准的污水）等。它们的水质虽不及自来水，但只要在设备方面采取一点清污措施，应用起来并不困难。然而，由于输送能耗问题，它们只能被污水处理厂附近的建筑所利用，而污水处理厂往往位于建筑物比较稀疏的郊区。这就大大地限制了对它的大规模开发。

    而城市排水渠中的原生污水遍布城市街区，凡有建筑之处往往有污水渠，凡有污水渠之处又往往有建筑，地理位置的协调使它作为热泵的冷热源具有更大的开发前景。

    应用原生污水作为热泵冷、热源的最大问题来自于它的恶劣水质。没有专门、特殊的措施，原生污水会在极短的时间内把任何传统的换热设备堵死。

    先进行水处理再取热是人们最容易想到的办法。但水处理的投入远远的高于所获取热量的价值；在市区，水处理的场地也是问题。这就决定了此路不通。

    原生污水是热泵所面临的前所未有的全新工质。要想使用它，从设备到设计都需有全新的方法。本文下面就对这些“全新”之处做一个简要的介绍。

2. 技术要点

2.1 城市污水水资源勘察与评估

    污水资源勘查与评估是污水源热泵立项和审批的前提条件。这一工作应从污水热能及热工的角度出发而开展，目前该领域尚处于混沌状态，急需规范化。

    水资源勘查技术主要包括勘查参数体系、参数测定方法、勘查实施方法、数据处理方法等几个方面的内容。

    就勘查参数而言，按表达形式可分为点参数系和分布参数系，按用途可分为水质参数系、热工参数系、管渠参数系三大类。勘查实施方法主要分为数据调研、现场勘查、取样测定等几类。数据处理可分为点参数计算、分布参数分析、数据深度处理、热能资源评估等几个步骤。

2.2 安全连续换热问题

    对污水源热泵系统而言，堵塞问题是首当其冲的。因为一旦发生此问题，换热设备将完全失去功能。污水源热泵防堵塞技术必须满足两个条件：（1）滤面连续再生；（2）污物污水还原。作者的课题组于2003-2004年间发明了滤面水力连续自清方法与设备。获得了发明专利：城市污水冷热源的应用方法与装置（ZL03132553.X）和设置有滚筒格栅的城市污水水力自清方法及其装置（ZL200410043654.9）。应该强调的是，即使水质较好的江、河、湖、海水，为防止污杂物在换热设备中的积累，防堵塞也是开式地表水源热泵的关键技术。

    腐蚀问题

    关于腐蚀问题，城市污水对换热设备腐蚀的严重性在一些方案论证的场合往往被夸大了。通常解决腐蚀问题的方法无非两个，第一就是采用新材质；第二就是采用新涂料。两种方法均提高成本，加工与施工难度增加，质量难以掌控。实际上，城市的生活污水虽然水质极差，但其PH值却近似为7，这就决定了在系统密闭而不暴露于大气的运行情况下，污水对碳钢的不会严重腐蚀。因此通过系统方面的设计，保证系统大部分管道和换热设备在运行期间处于充满状态，则可保证碳钢系统的防腐性能。我们建议换热设备采用通常的碳钢材质即可。完全不腐蚀是不可能的。轻度的腐蚀仅会些许降低换热系数，假定运行一个相当长的周期后换热器腐蚀到了即将泄漏的程度，换一台换热器也比当初采用合金钢材要经济节省。

    关于软垢问题，不论是污水处理厂二级出水还是城市原生污水，在流经换热器时都会在换热表面形成严重的软垢，抑制软垢的方法主要有两种：一是增加流速，二是采用低能表面，如氟塑料或纳米涂层。这两种方法都有其缺点。清除软垢的方法目前较多，但是针对城市污水的开式循环、结垢迅速特点而言都有不足之处。

2.3 污水换热器的特殊设计

    作为全新的换热工质，污水的流动、换热特性与清水有很大不同。在进行污水换热器的设计计算时，沿用清水（手册中的数据是蒸馏水的）的数据是不准确的，严重时会带来成倍的误差。关于污水在流动与换热时的本构特性和宏观表现，关于原生污水的污垢特性和对策，课题组导师所带出的博士论文：《城市污水强迫流动及换热特性研究》，徐莹，2009；《城市污水冷热源系统污垢对流动换热的影响》，吴学慧，2008；《在线自除污换热装置研发与实验研究》，肖红侠，2009；《城市污水热能采集套管输送换热法》，李桂涛，2007。已有了比较系统的研究与总结，感兴趣的读者可以查阅。

    间接式系统的二次换热安排决定了污水换热器中的温升、温降以及换热温差都很小，加之由于污垢的影响传热系数也很小。为了避免换热面积过大，对参与换热两种流体在换热器内部做出全逆流的安排是非常重要的，而这一安排与流体在换热器中的流道很长是互相矛盾的。关于此类换热器特殊的结构设计方法请参阅暖通空调杂志，文献[30]。

2.4 污水源热泵规范化设计

    目前所经常采用的间接换热系统在设计中涉及污水的进出口温度与流量，中介水的进出口温度与流量，蒸发温度与冷凝温度，末端水的进出口温度等十来个关键参数。哪一个或哪一组参数选择不当，都或大大地影响系统的投资、效果和运行费用。这实质上是个多变量参数的优化问题。如果没有进行系统精确的优化计算，至少需依据丰富的经验来选择参数。

    设计工作还包括取、排污水的方式，缓冲池的设置与大小，管材、阀门、三通等选型，污水泵种类、台数、流量、扬程的确定，排气、泄水设置，机房的标高与平面布置，大系统机器的分组，部分负荷时的控制调节，系统的清污方法，系统运行的监控，等等，都是十分重要的。哪个环节搞不好，都可能成为瓶颈，影响整个系统的效果。

2.5 污水源热泵的环评与规划

    城市污水蕴含有大量热能。城市污水热能资源化，可节约大量燃煤，并削减大气污染物排放。但是污水热能的无节制利用，在冬天会导致污水温度过低，在夏季导致污水温度过高，最终导致污水处理效果难以达标，尤其当污水热能大规模利用时，这种影响是绝对不能忽视的。对城市污水热能资源化的规模和方式必须进行合理优化的规划，统筹兼顾热能资源与环境保护。

    但由于没有相关的法律、法规约束，也没有相关的规划依据可循，加上相关监管部门监督不力，城市污水热能利用并不规范。污水热能化的环境评估与规划的工作程序，为工程建设者和政府的工作提供依据，在鼓励污水热能资源合理利用的同时，推动污水热能资源化的规范化健康发展。城市污水热能资源化整体规划主要包括：污水热能分散式利用规划与评估；集中式利用规划与评估；新城区污水系统及利用规划；完善污水热能资源化项目的审批、管理与运作模式，统筹兼顾，完善城市污水利用的收费制度，促进城市污水热能利用向产业化、市场化发展，实现节约燃煤、大气减排、经济创收、污水处理达标的多重目的。

3. 目前状况和应注意的问题

3.1 形势很好，发展迅猛，众多参与

    在其他形式的热泵系统受到冷热源条件和造价等诸多因素限制的情况下，许多学者和商家将目光投向了污水源热泵，同时得到了国家的重视和科研基金资助。在大量人力和资金投入的推动下，我国的污水源热泵发展形式很好，许多技术难题都已经开始了理论研究和实验测试，例如直接式污水源热泵机组。目前国内已有多家高校和科研机构在从事污水源热泵的研发工作，并有多家企业在推广应用污水源热泵技术。作者的课题组近几年来在污水源热泵技术研发推广方面，取得发明专利11项，培养研究生22名，推广工程20项，累计推广面积200余万m²，发表学术论文近100篇，EI检索近40篇，目前正致力于污水源热泵系统技术的集成和标准化研究。最近5到10年将是我国污水源热泵技术与市场发展日趋成熟的黄金时期，也是面临各种问题最多的时期。

3.2 缺乏统一的规范标准

    目前我国的污水源热泵发展尚处于初级阶段，各科研机构和企业没有统一的发展规划与调度，全国没有统一的技术规范标准，基本上是“各自为政，闭门造车，自吹自擂”。而且各地方政府重视和扶持力度也大不一样，这导致目前许多已经完成的示范工程良莠不齐，有的甚至以失败告终。而对于已经完成的工程，也往往缺乏准确翔实的运行能耗测定，能耗指标与节能效果缺乏令人信服的测试数据予以佐证。

    这一混乱时期的出现在市场经济条件下是不可避免的，但是通过政府的政策和同行的努力是可以“拨乱反正”的。

3.3 商业炒作行为的干扰

    商业炒作行为也在干扰污水源热泵技术的正常发展。一些企业为了尽快占有市场和排挤竞争对手，普遍存在不顾科学道理而捏造数据、虚构事实、夸大效果，甚至不惜侵犯知识产权或盗用其它科研单位或专家的名义。在研发方面极少投入，却宣传硕果累累。产学研三结合是一条好路子，但在我国目前的状况下，建设一个目光远大，重视科研，不唯利是图，能够健康发展的中小企业也不是一件容易的事情。

    面对如此大的污水源热泵市场，虚假和恶性的商业炒作是没有商业前途的，只有依靠实事求是的商业道德和雄厚扎实的技术力量才能占有越来越大的市场份额。

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