细解污水源热泵的前世今生

细解污水源热泵的前世今生

——访哈尔滨工业大学市政与环境工程学院教授孙德兴

编前：儒雅而谦和，这是记者第一次拜访我国污水源热泵第一人——孙德兴教授时的感受。或许是因为长期以来一直活跃在三尺讲台之上，他循循善诱、深入浅出，整个采访过程于记者而言仿佛是在听一堂美妙的课程，如沐春风。而就在这样轻松的状态下，孙德兴教授已经为记者呈现出了一幅中国污水源热泵行业发展的全景图。

    2005年夏，在由黑龙江省科技厅主持召开的“城市原生污水热能资源化工艺与技术”项目鉴定会上，以中国工程院院士江亿为代表的鉴定组成员一致认为，该项目成果为“世界首创，技术水平国际领先”。在所有的专家都在向项目的负责人孙德兴教授表示祝贺时，只有孙德兴自己知道，取得这样的成果他和他的弟子们付出了怎样的艰辛和努力。

    从“热泵好，源难找”到关注污水

    业内人士早就知道，利用热泵为建筑物供热既节能又环保。几十年来，业内专家们为发展热泵兢兢业业，空气源、水源、土壤源热泵都在各自适合条件下发挥着积极的作用。

    但是，在孙德兴的家乡——寒冷的黑龙江省，当时却是“热泵好，源难找”。冬季空气温度太低，空气源热泵不仅效率达不到起码的节能指标，而且应对结霜也是难题；地面水全部结冰，自然不能提供温度适合的水给热泵用；浅层地下水由于水文地质方面的种种问题又被环保部门严格地限制使用。对于这些问题，孙德兴一直在思考和探索。

    恰逢此时，承担哈尔滨望江宾馆供热、空调改造任务的有关负责人找到了孙德兴，请教他是否可以将宾馆附近污水渠的污水作为水源为宾馆供热和制冷。于是，使用污水渠中原生污水的污水源热泵就这样登上了热泵的舞台，开始了它曲折而华丽的征程。

   “明知不可为”而为之

    污水，并不是没有人想过将其作为一种热源。其实，使用污水作为热源可谓好处多多：首先，其储量相当大，在我国可达600~700亿吨/年，而且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，地理位置也极具优势。其次，其水温适宜，并不像地面水受气候因素影响显著，冬季也基本可维持在10摄氏度以上。当然，其节能环保效果也毋庸置疑。孙德兴经过测算，污水源热泵每耗费一份电能，可吸取三份左右热能，从而供给房间四份热量，节能率达到50%以上。而且，每使用一吨水作热泵的冷、热源，可节省燃煤1-3kg，其运行对环境是零污染。加之污水源热泵还可避免对城市空气的热污染，传统的水冷机组空调或者分体空调都是将废热向大气中排放，空调越开，城市越热，而污水源热泵在夏季使用空调时将废热都被排放到了水体中，避免了热岛效应。

    既然污水源热泵的好处如此之多，为什么此前国内没有这样的应用案例，甚至在全世界也没有先例？答案就在于污水太脏。当时制冷空调业界普遍的观点是，污水水质太差根本无法应用。事实也的确如此。孙德兴告诉记者，经过测算，原生污水中固体污杂物含量为0.2~0.4%左右，主要成分为烂菜叶、泥沙、粪便，以及少量的塑料片、纱布条、头发丝等。假设为某个1万平方米的建筑提供冷、热源，约需水量100立方米/小时，那就是说水的预处理设备必须承担约300kg/小时的污杂物负荷，如此大的污杂物数量足以在几分钟内把任何传统的过滤面堵死。而这也正是污水渠中的污水一直无法成为热泵热源的原因。但是，对孙德兴而言，满足社会需求是科研人员至高无上的理想，再大的困难也得想办法克服。于是他开始了“明知不可为”而为之的研究之路。

    独辟蹊径成世界首创

    每一次技术的变革都源自于科学工作者们孜孜不倦的追求。正如历史上任何一种发明创造一样，污水源热泵的发明应用之路也并非一帆风顺。

    实际上，在当时国际上已经开始了对污水做热源的关注。在北欧和日本都有不少专业人士研究如何使用污水实现供热和制冷。但是，他们的思路一直局限于先将污水进行水处理后再使用。这就需要在系统中设置水处理池，以及机械式的筛滤装置。而事实上，进行水处理的成本非常高，已经远远超过了系统所获得热能的价值。市场是敏感的，这样的系统显然不具备推广价值，自然也就逐渐被行业淘汰。

    正当全世界的业界人士都在为如何降低水处理成本而困扰时，孙德兴和他当时的弟子吴荣华发明的系统却另辟蹊径。他们发明的“滤面水力连续自清装置”终于让污水这个一直为业界所摒弃的热源走上了热泵的舞台。

    其实发明的过程也是几经波折。对于污水的应用，孙德兴很早就意识到，要解决这一问题，不适宜采用成本较高的水净化处理方式，而应该通过过滤的形式，将污杂物的含量降低至机组能够承受的范围，过滤是一个低成本、效果好的手段。但是，由于污杂物堵塞滤面很快，甚至只需要短短的一两分钟，因此，问题的关键就变成了如何实现滤面过滤功能的再生。最初，他们考虑到运用反冲洗的方式，但是，间歇式的反冲洗仍然不能达到快速恢复滤面功能的效果。几经实现，连续反冲洗的思路逐渐在他们的脑海中形成。

    最终发明的滤面的水力连续自清装置是滤面自身旋转，在任意时刻都有部分滤面位于过滤的工作区，另一部分滤面位于水力反冲区。在滤面旋转一周的几秒到十几秒时间内，每个滤孔都有部分时间在过滤的工作区行使过滤功能，另一部分时间在反冲区被反洗，以恢复过滤功能，这也就实现了滤面过滤功能的再生。污水经由过滤后至换热设备无堵塞换热，换热后的污水回到污水热能处理机的反冲区对滤面实施反冲，并将反冲掉的污杂物全部带走至排放处。该装置可应对任何污杂物含量的污水，工作可靠，价格低廉，而且也无需人工清理污杂物。

    孙德兴告诉记者，如果要使用污杂物含量很大的原生污水，那么采用该装置几乎是唯一的办法。即使是对水质较好的江、河、湖、海水，为防止污杂物在换热设备中的积累，也适宜使用该设备，可以一劳永逸的解决问题。

    2003年，这一装置正式问世。2005年，城市污水冷热源的应用方法和装置通过了黑龙江省科技厅的鉴定，也就出现了文章开头所述的那一幕。

    经受住实践的考验

    应用污水源的灵感来自于黑龙江望江宾馆项目，于是，望江宾馆也就理所当然地成为了首个应用的项目。该宾馆建筑面积1.5 万平方米。系统运行后，冬季室温可达22℃以上，夏季室温可达24℃以下。该宾馆表示，此前，宾馆一年供热需烧煤3000吨，按当时180元/吨的价格计算，一个冬天要花掉54万元，制冷所需的电费需20多万元，负责供热的12名工作人员的工资等其他费用需12万元，一年共花费86万元。采用污水源热泵后，全年只花费了50多万元电费。虽然电价提高了，一年的电费需75万元至80万元，但按现在燃煤的销售价格700元/吨计算，光供热就得花210万元。两者一比较，经济效益非常明显。如今，该系统已经运行了7年，一直成功地担负着宾馆的采暖制冷任务，可以说经受住了时间的考验。而这也是有史以来，在世界范围内第一个使用原生污水对万米以上建筑供热和制冷的成功案例。

    此后，孙德兴带领着他的团队开始在全国范围内推广污水源热泵。目前，使用该专利技术已经推广了污水源热泵工程项目20余项。其中，石家庄缔景城面积达到了56万平方米，全部采用原生污水实现供热。2009年冬起试运行，2010年冬成功经受了三次大降温的考验，运行情况良好。这也是目前我国各类形式地源热泵工程最大的项目。

    而技术也在这一项项工程的实施过程中一步步地走向成熟。从最初的专利发明至今，孙德兴和他的弟子们先后拥有了共计11项发明专利，实现了系统的优化和升级，孙德兴也当之无愧为中国污水源热泵的第一人。

    总的说来，经过实践检验证明，污水源热泵系统在初期投资时其额度与传统的只能供冷的集中空调系统持平或略高，但可节省下普通系统冬季必备的热网入网或锅炉房费用，以及大量的占地空间，还可省下普通空调系统所需的冷却塔，总体估算节约初投资30%左右。在运行投资方面，由于污水对机组的冷却效果要好于冷却塔，使用空调机组的COP值高于传统系统，夏季约可节电10%。以使用民用电价计，冬季采暖的运行费用将比热网或锅炉房燃煤系统低20~40%。

    行业规范才能实现良性发展

    作为我国污水源热泵的前辈，孙德兴在行业内奋斗了多年，对行业自然也有不同于常人的理解和感受。谈及目前行业的发展，孙德兴表示，在其他形式的热泵系统受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，同时也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。最近5～10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。但是他也指出，现在也是面临各种问题最多的时期。

    在目前已经运行的诸多地源热泵工程中，存在不少实际能效与理论值差距甚大的事例。其中一个重要的原因就在于没有进行正确的设计。当设计者遇到了全新的问题，如果没有研究基础，又没有规范、标准可以依靠，只能凭以往经验来完成设计工作，就难免会出现问题。

    因此，要促进行业良性发展，首先就是要抓紧研究完善系统中的各个技术环节，在此基础上逐步形成科学的规范标准。目前我国的污水源热泵发展尚处于初级阶段，各科研机构和企业基本上是各自为政。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。

    其次就是一些商业炒作行为干扰了污水源热泵技术的正常发展。一些企业为了尽快占有市场，有时不顾科学道理而夸大效果。在研发方面投入力量不足。“其实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。也只有这样才能促进整个行业的进步”，孙德兴说。言语中充满了对行业良性发展的殷殷期待。

    孙德兴教授简介

    孙德兴，哈尔滨工业大学市政与环境工程学院教授、博士生导师。哈尔滨工业大学学位委员会委员、学科带头人。曾任全国高等院校土木工程学科专业指导委员会委员，全国高等院校建筑环境与设备工程学科专业指导委员会任副主任委员，全国高等院校建筑环境与设备工程学科专业评估委员会任副主任委员，黑龙江省土木学会理事，哈尔滨工业大学建筑工程学报编委，2008年起担任《地源热泵》杂志编委会委员。

    现已培养出博士10余名、硕士30余名，主持或参加完成多项国家自然科学基金、黑龙江省科学计划项目以及大量社会科技服务项目，出版了独著的高等传热学研究生教材。发表了近百篇以上核心文章，包括《开发水源技术，解决热泵发展的瓶颈问题》、《利用冷水凝固热的热泵系统与装置》、《污水源及地表水源热泵取水换热技技术研究应用进展》等。

    2003年主持技术建成了世界首个原生污水源热泵工程，研发的《城市污水热能资源化》项目获得“世界首创、国际领先”的鉴定评语。

附发明专利表

No   专利号       专利类型       专利名称

1     ZL03132553.X       发明专利       城市污水冷热源的应用方法和装置

2     ZL200410043654.9       发明专利       设置有滚筒格栅的城市污水水力自清装置

3     ZL200510009925.3       发明专利       城市原生污水冷热源直流输送换热应用方法

4     ZL200610009617.5       发明专利       利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵

5     ZL200610009618.X       发明专利       基于壁面弹性变形剥冰提取凝固潜热制取流体冰  的方法

6     ZL200710144334.6       发明专利       拉阀式换热表面实时在线清洁换热装置

7     ZL200610009740.7       发明专利       地表水源热泵系统凝固热利用及防污染装置

8     ZL200610009753.4       发明专利       寒区污水冷热源污水伴热处理装置

9     ZL200610010437.9       发明专利       污水及地表水源热泵无阻塞压力平衡防阻装置及其系统

10    ZL200720115409.3发明专利       污水及地表水冷热源筒簇在线防污换热装置及方法

11    ZL200710072326.5      发明专利    污水及地表水热泵明渠式换热槽换热方法及其装置

12    ZL200420018341.3       实用新型       设置有旋转反冲洗格栅滤网的城市污水冷热源的应用装置

13    ZL200420019192.2       实用新型       设置有滚筒格栅的城市污水水力自清装置

14    ZL200720115409.3实用新型       污水及地表水冷热源筒簇在线防污换热装置

15    ZL20072011640.0  实用新型       污水及地表水热泵明渠式换热槽换热装置