污水源热泵技术大讲堂（连载二）城市污水热能资源勘察技术与评估

污水源热泵技术大讲堂（连载二）

城市污水热能资源勘察技术与评估

哈尔滨工业大学   张承虎、孙德兴、庄兆意、刘京

摘要：对城市污水热能资源进行勘察，并在勘察数据的基础上进行热能资源评估，是污水热能资源化利用的基础。本文从勘查参数体系、参数勘测方法、勘查实施方法、数据处理方法四个方面系统介绍了城市污水热能资源的勘察技术，从技术利用温差、环保利用温差和评估流量三个方面介绍了污水热能资源的评估方法。

关键词：污水热能，资源化，勘察，评估

    污水源热泵项目成败的关键在于污水所蕴含的可被开采的热能能否满足工程要求。污水可被开采的热能量与流量、水温及二者的变化规律、取水方式等密切相关。污水源热泵工程由于缺乏充分的勘察和评估，而导致问题频出甚至失败的例子不在少数。污水热能资源勘察与评估应该是污水源热泵工程论证和审批的前提条件。

1 污水热能资源勘察技术

    城市污水热能勘察技术主要包括四个方面的内容：勘查参数体系、参数勘测方法、勘查实施方法、数据处理方法。

1.1 勘查参数体系

    勘查参数体系按参数性质可分为：热工参数、水质参数、管渠参数三大类；按参数的表达形式可分为：点参数和分布参数两大类。如表1所示。

    所谓点参数，是指在某个具体时刻测出的污水热能参数。点参数主要是物性参数、最大/最小值、平均值、特殊点值等，一般需要通过分布参数数据处理求得。分布参数主要是指某一参数在时间或空间上的分布规律。从分布参数中，可以清晰地了解各污参数的变化趋势，可以形象地在曲线上看出各特征点参数及其出现的时间，比如，最大值、最小值等。

    主要的点参数有：小时最低流量、小时最高流量、小时平均流量、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；小时最低温度、小时最高温度、小时平均温度、日最低温度、日最高温度、日平均温度、月最低温度和最不利日平均温度；管渠的尺寸、埋深、污水的水深、水面宽度、污水流向；PH值、BOD、COD、SS、TDS、固态成分等。

    分布参数一般用曲线图或表格来表示，主要的分布参数有：特征日流量逐时分布图（表）、特征日温度逐时分布图（表）、最冷（热）月流量逐日分布图（表）、最冷（热）月温度逐日分布图（表）、特征日的逐时流量延续时间图（表）、特征日的逐时水温延续时间图（表）、采暖季的逐日流量延续时间图（表）、采暖季的逐日水温延续时间图（表）、悬浮污杂物的浓度分级分布图（表）、土壤的垂直温度分布图（表）。

表1 污水热能资源勘查参数体系

注：带（*）号为必须勘查参数。

1.2 参数勘测方法

    勘测方法主要分为数据调研、现场直接测量、取样实验室测量、远传实时监控等几大类方法，具体测定方法在许多标准规范中均有明确说明，参考文献[3-11]。

    一般而言，污水的生物化学水质参数一般需要取样实验室测量，而有关悬浮物的污水水质参数就需要现场测量。

    在还有充分时间和条件允许进行工程论证时，可以采取远传实时监控。将数字温度计的传感器固定于流速仪支竿上，放入污水干渠测试点，测试污水流速的同时测量水温和水深，高精度巡检仪通过多路开关对所输入的各测点(温度、压力、流量等)的信号值进行切换，逐一巡回处理。这些信号以数字量的形式进入巡检仪的中央处理单元后经过处理、转换，最后以工程量的形式显示输出。计算机与巡检仪之间采用标准通讯传输，实现实时通讯。并以MCGS 工程组态软件(Monitor andControl Generated System)搭建实时监控系统，以实现数据采集和处理、流程控制、数据波动曲线显示及工作系统动画显示等实时监控的功能。

    污水处理厂的运行数据和大型干渠的数据一般可以通过协作调研得到。特征日的分时段现场直接测量是常用的方式，能得到许多有价值的点参数。流量的测量方法主要有堰式流量测量、槽式流量测量和断面流速法。断面流速法虽然精度较差，但是实施简单，对于小型干渠可仅仅测量表面中心流速，如采用浮漂法；对于大型干渠，通常需要将流通断面合理地划分为多个部分，并在各部分的中心点分别测量流速和温度，最后通过加权平均的方法得到污水的平均流速（流量）和温度。

1.3 勘察实施方法

    实施方法主要包括设备仪器购置、时间安排，人员安排，测点安排，数据记录，安全措施，协调措施，注意事项。

    设备与仪器：为了测量能够顺利有序地进行，测量人员还得对测量中所需要的辅助设备进行必要的准备。（1）现场勘测的主要仪器有螺旋桨式流速仪、便携式数字温度计、秒表、标杆、卷尺、浮标、传感器的数据加长线等。（2）打开井盖所需的铁锤、撬棍、梯子、安全帽、雨鞋、保护手套、照明工具、交通警示牌和交通反光背心等。（3）测试工作量较大，测点分布较广，仪器和辅助设备较多时，建议准备方便快捷的交通工具。（4）针对特殊情况的特殊设备的准备。例如北方的冬季，检查井盖完全被冻住，因此需要额外准备煤气罐和烘烤枪用于井盖化冻，如下图1所示。

    时间安排：时间安排要充分考虑特殊日期（如最冷、热天、节假日等）和特殊时段（如枯水时段和丰水时段）以及测量周期。应该参考当地气象参数，了解当地最冷月、最热月、极端高温日和极端低温日等信息，围绕这些特征日对污水的热工参数和水质参数进行持续一定时间的测试。此外夏季工况需要包括最热月全月数据，冬季工况需要包括最冷月全月数据。对非特征日，要求对测试点连续测试16-18个小时，至少得到16-18组参数数据，对特征日，要求对测试点进行连续24小时的测试，至少得到24组参数数据。

    人员安排：对于人员的安排有两个保证：首先是人员数量的保证，由于测试点的位置和测试项目本身特点，至少3人一组进行协调测量，并且尽量安排多个小组同时进行测试。；其次是人员素质的的保证，必须对测试人员进行遴选，并且在测试前对测试人员进行必要的培训，在保护自身安全的前提下对污水的热工参数实行正确有效地测试。

    测点安排：测点安排之前，建议跟当地给排水部门和水务部门沟通，以城市给排水管线现状图为基础，对该地区的地形地貌、污水管网分合走向、污水管渠的尺寸、污水汇入（出）点的位置等进行详细了解，测点布置的原则是：（1）用户应位于上、下游两测点之间；（2）测点尽量选取易于打开、人员上下、交通较少的检查井；（3）相邻测试点的距离不应该大于1km；（4）测点必须与管线现状图进行比对，以确认其尺寸、走向等是否相符；（5）根据目的不同测点可分为普通测点和特殊测点两类。

    数据记录：数据的记录应该符合以下原则：（1）制作专门的测试数据记录本，标上页数，防止缺页。（2）数据记录表必须记录以下内容：日期、测试时刻、测试人员、测试仪器编号、天气、测点编号与位置、管渠尺寸、埋深、污水水深、水面宽度、污水流向、污水流速、污水温度、特殊情况记录等。（3）记录测试数据时，要有严谨的科学态度，要实事求是，切忌夹杂主观因素，决不能随意拼凑和伪造数据。（4）勘查过程中，可能碰到污水渠没有水，或者污水渠完全封冻、或满管流、或污水渠尺寸、测点位置与图纸所示不一致、或测点找不到等情况，也都应按实际情况记录。（5）数据记录应有层次、顺序，以便于查询和电脑录入。

    其他事项：（1）由于污水属于城市的热能资源，污水管网也属于城市的市政设施，在进行污水参数测试前，为了做好安全和协调措施，勘察应当取得交通部门和水务部门的支持并备案。（2）测试人员在工作时一定要布置警戒区，测量人员穿戴交通反光背心，下井工作人员戴好安全帽。（3）对测出的数据如果有明显错误，或者对数据的正确性有怀疑时，应该立即对该测试点的数据进行重新测试。（4）需要下井作业时，测试人员需在井盖打开进行一段时间换气后再下井进行测试。（5）测试完成后，一定要将测试现场还原到测试前的状态，特别应该注意的是要确认井盖盖好后再离开测试现场。

1.4 数据处理方法

    数据处理除了遵循常规方法之外，平均值均采取加权平均方法，例如计算平均流速以流通断面为权重，计算平均流量以时间为权重，计算平均温度以流量为权重等。

    对于分布参数的处理，（1）应当去除粗大误差；（2）对数据进行趋势拟合，得到逐时趋势图（或函数）；（3）得到最大或最小值；（4）计算流量、温度的日波动幅度比例和季波动幅度比例；（5）以逐时趋势图（函数）绘制延续时间图（或函数）；（6）得到其它特殊点值，如环保达标温度、环保不保证天数等。

    逐时趋势图的横坐标为逐时时间（按小时或天），纵坐标为流量或水温，即将流量或温度按照时间的先后顺序在图中标示出来。如水温日逐时变化趋势图。由变化趋势图可以较方便地看出最大流量、最小流量、最高水温、最低水温，以及流量、水温的波动幅度。逐时趋势图一般呈波浪形曲线。

    延续时间图的横坐标也是时间（按小时或天），纵坐标为流量或水温，但是与变化趋势图不一样，横坐标的时间没有先后顺序的意义，而是表示流量或水温低于某一数值（纵坐标数值）的累计时间。因此，最大流量（或水温）对应的时间就是总时间，而最小流量（或水温）对应的时间就是0。如采暖季逐日延续时间水温图。由延续时间图可以方便地了解污水热能资源化的不保证时间，了解极端（流量或水温最大、最小）时段的延续时间，以便作出适当的应对。延续时间图必然是单调爬坡形曲线。

2 污水热能资源评估

    污水热能资源勘察完成之后，就应当在实测数据的基础上进行热能资源评估。污水热能资源评估的基本目的是确定可利用的污水热能究竟有多少或可满足多少采暖空调的建筑面积^[12-13]，其基本公式是：

2.1 技术可利用温差

    在式（1）中较难确定的是评估计算流量和技术可利用温差，因为流量和温度是逐时变化的，取任一数值均需要充足的理由。技术可利用温差是相对于环保可利用温差而言的，主要是由于热泵系统技术方面原因所限制的可利用最大温差。通过研究发现，对于间接式系统，技术可利用温差是污水换热器传热单元数和污水-中介水进口温度差的函数，如下式：

-换热器中介水进口温度，℃，由于热泵机组的低温保护和效率，一般为3℃或4℃（热泵机组的低温保护温度）。对于直接式系统，取消了中介换热，式（2）中的NTU相当于无穷大。

    总之，污水的可利用温差可认为是污水进口温度的单一函数。间接式系统和直接式系统的污水可利用温差如下表所示。可见间接式系统由于要为中介换热循环保留传热温差，导致间接式污水源热泵系统的技术可利用温差要比直接式系统小许多。

表2 污水的技术可利用温差（℃）

2.2 评估计算流量与供应面积

    关于评估计算流量，其取值直接与是否设置污水调节池及调节池的大小有关。

临界调节池容积按下式计算：

    即临界调节池体积为振幅流量乘以半周期再乘以63.66%。

    虽然调节池具有”移峰填谷”和增加可供面积的作用，但调节池也不是越大越好，池建得越大的话，建造费用就会越高，但利用率相对来说就会越低。一般而言调节池体积是临界调

2.3 热能资源评估其他相关问题

    （1）污水资源的种类：生活污水、工业污水、处理排放水、中水、雨污合流等等，污水种类不同，针对性地采用不同的勘查手段，采用不同的系统形式和评估方法。

    （2）污水资源未来发展趋势与可靠性：必须考虑取水点附近污水管线和建筑功能在未来的规划，例如是否有新的污水干渠汇合进来，是否存在分流，管渠是否改道，是否会断流，该区域是否会拆迁，区域功能与经济是否会设计或倒退等等，这些问题都涉及到污水资源的可靠性。

    （3）取水点与供应建筑的位置关系与距离：污水取水的施工难度也直接关系到工程的成败，取水点与建筑之间的距离、地形、地貌、地质、是否相隔建筑、交通要道或河道、是否直线布管取水，是否有废旧的管渠管道可用等等。

备注：公式（1）、（3）、（4）（5）中V&应为V’，表示变化率。

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