城市污水是一種蘊(yùn)涵豐富低位熱能的可再生熱能資源, 在中國(guó)、日本, 特別是北歐的一些國(guó)家已經(jīng)得到一定程度的應(yīng)用。污水源熱泵空調(diào)技術(shù)是以城市污水為建筑供熱源和排熱匯來(lái)解決建筑物冬季供暖、夏季空調(diào)和全年熱水供應(yīng)的重要技術(shù)。污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能減排效果, 是城市污水資源化開(kāi)發(fā)利用的新思路和有效途徑。

 

  在節(jié)能方面, 首先表現(xiàn)在一次能源利用效率上。由于城市污水比室外空氣、地下/地表水、土壤、海水等更有利于減小熱泵制冷熱力循環(huán)溫區(qū),因而污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱和制冷性能都好于其他熱泵系統(tǒng)[ 12 , 15] 。與電制冷加燃煤鍋爐、直燃機(jī)、燃?xì)饧语L(fēng)冷空調(diào)等建筑冷熱源形式相比, 污水源熱泵空調(diào)具有節(jié)能效果好、運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。如日本東京Ko raku 1-chome 污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱性能比空氣源熱泵和水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)提高了60 %, 比空氣源熱泵節(jié)電20 %;哈爾濱地區(qū)污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的一次能源利用率比燃?xì)庵比紮C(jī)組高36 .3 %、比燃煤鍋爐加電制冷機(jī)組高58 .9 %, 年運(yùn)行費(fèi)用低10 %以上, 系統(tǒng)的初投資分別是直燃機(jī)和燃煤鍋爐加電制冷的88 .5 %和82 %。其次, 污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)不需要常規(guī)空調(diào)冷卻塔, 從而節(jié)省了大量的冷卻水資源。另外, 污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在對(duì)建筑物實(shí)現(xiàn)冬季供暖、夏季供冷的同時(shí), 還可以替代現(xiàn)有電熱水器、燃油燃?xì)忮仩t和燃煤鍋爐全年向建筑物提供生活熱水, 降低熱水供應(yīng)能耗。

 

  在減排方面, 首先表現(xiàn)在污水源熱泵空調(diào)技術(shù)具有顯著的減少大氣污染物、溫室氣體排放量的環(huán)境效益。日本學(xué)者的研究結(jié)果表明, 污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)較空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組可以減少68 %的CO2 排放量和75 %的NO x 排放量, 哈爾濱地區(qū)污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的CO2 排放量約是燃煤鍋爐加電制冷的49 .9 %。其次, 污水源熱泵空調(diào)技術(shù)在夏季具有較好的建筑物廢熱減排效果。夏季,大量的建筑內(nèi)部廢熱通過(guò)不同的形式排向室外環(huán)境, 加劇了城市熱島效應(yīng)。城市熱島效應(yīng)不僅惡化了城市環(huán)境, 而且反過(guò)來(lái)又增大建筑空調(diào)負(fù)荷和空調(diào)耗電量[ 21-22] 。污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在夏季可以將大量的建筑內(nèi)部廢熱直接排放到城市污水中, 而不是通過(guò)冷卻塔或空調(diào)室外機(jī)組排放到室外環(huán)境中, 具有顯著降低城市熱島效應(yīng)的廢熱減排效果。

 

  因此, 開(kāi)發(fā)利用城市污水低位熱能資源, 降低建筑冬季供暖、夏季空調(diào)和生活熱水供應(yīng)對(duì)礦物燃料資源的消耗, 對(duì)促進(jìn)我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境具有重要的社會(huì)發(fā)展意義, 對(duì)促進(jìn)人與建筑、人與城市環(huán)境、建筑與環(huán)境的和諧并存和可持續(xù)發(fā)展具有重要的建筑科學(xué)學(xué)術(shù)發(fā)展意義。

 

  1 北歐污水源熱泵空調(diào)污水取水換熱技術(shù)進(jìn)展分析瑞典是最早利用污水源熱泵進(jìn)行城市區(qū)域供熱的國(guó)家。1981 年6 月, 世界上第一個(gè)污水源熱泵系統(tǒng)在斯德哥爾摩Sala 鎮(zhèn)投入運(yùn)行, 該系統(tǒng)采用污水熱能直接提取方式, 城市污水經(jīng)凈化后噴淋到管束式蒸發(fā)器上[ 10] , 污水在管外與管內(nèi)工質(zhì)直接換熱, 沒(méi)有中介水系統(tǒng)。隨后, 10 余套大型污水源熱泵系統(tǒng)在瑞典投入運(yùn)行, 到1986 年, 瑞典該類熱泵系統(tǒng)的總裝機(jī)容量已達(dá)到541 .3 MW。

 

  1983 年, 挪威的第一個(gè)城市污水源熱泵系統(tǒng)在奧斯陸Sk yen Vest 投入運(yùn)行, 熱泵站容量為8 ～ 9 MW。該系統(tǒng)采用污水熱能直接提取方式, 其系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1 。城市污水經(jīng)過(guò)縫寬為2mm 的旋轉(zhuǎn)式篩分器過(guò)濾后, 由粗孔噴嘴直接噴淋圖1 具有篩分器和噴淋蒸發(fā)器的直接取水式污水源熱泵系統(tǒng)原理圖到開(kāi)式板式蒸發(fā)器上。2006 年1 月, 奧斯陸完成了Sk yen Vest 污水源熱泵系統(tǒng)的改造, 圖2為該系統(tǒng)的原理圖。新系統(tǒng)安裝了縫寬為3 mm的格柵式傳送帶, 用于過(guò)濾原生污水中的污雜物。

 

  通過(guò)四通換向閥改變換熱管內(nèi)污水的流向以防止換熱管堵塞和污垢沉積。該系統(tǒng)是目前規(guī)模較大、污水取水換熱技術(shù)較先進(jìn)的污水源熱泵系統(tǒng)。

 

  此外, 污水源熱泵技術(shù)在瑞士、德國(guó)、芬蘭和荷蘭等國(guó)家也有不同程度的應(yīng)用。

 

  從污水源熱泵系統(tǒng)的規(guī)?？? 北歐國(guó)家主要發(fā)展大型污水源熱泵站, 其供熱規(guī)模總量目前在國(guó)際上處于絕對(duì)領(lǐng)先地位。從污水熱能提取方式看, 北歐國(guó)家以直接提取方式為主, 污水熱能輸送能耗低。從換熱設(shè)備防堵塞技術(shù)看, 北歐國(guó)家早期主要采用機(jī)械過(guò)濾(或篩分器)和沉淀技術(shù), 近幾年格柵式傳送帶和四通換向反沖洗技術(shù)在大型污水源熱泵中得到了應(yīng)用。從污水換熱設(shè)備形式看, 隨著污水防堵塞技術(shù)的成熟, 大型殼管式污水換熱器的應(yīng)用越來(lái)越多, 并成為主導(dǎo)換熱器形式。

 

  2 日本污水源熱泵空調(diào)污水取水換熱技術(shù)進(jìn)展分析日本是利用城市污水熱能較早的國(guó)家, 1987年?yáng)|京大區(qū)污水管理局啟動(dòng)了污水熱能開(kāi)發(fā)利用計(jì)劃[ 12] , 系統(tǒng)總供熱量為8 .94 MW , 供冷量為11 .64 MW。在此項(xiàng)計(jì)劃中, 日本的污水源熱泵技術(shù)在國(guó)際上取得了突破性進(jìn)展, 提出了有別于北歐國(guó)家、專門(mén)針對(duì)城市污水水質(zhì)特點(diǎn)的城市污水取水換熱技術(shù)。

 

  首先, 日本開(kāi)發(fā)了污水自動(dòng)清污過(guò)濾器[ 5] , 如圖3 所示。該設(shè)備主要由筒狀旋轉(zhuǎn)濾篩、刮刷、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和排污閥等部件組成。筒狀濾篩用于過(guò)濾污水中的雜質(zhì), 電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)濾篩旋轉(zhuǎn), 掛在濾篩上的污雜物被刮刷清除, 然后被反沖排回污水干渠, 實(shí)現(xiàn)污水取水除污過(guò)程的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。其次, 日本開(kāi)發(fā)了專門(mén)用于污水換熱的污水換熱器和自動(dòng)清洗系統(tǒng)[ 5] , 如圖4 所示。污水換熱器的換熱圖4 污水換熱器及其自動(dòng)清洗系統(tǒng)管不同于普通殼管式換熱器的換熱管, 其內(nèi)置有滑動(dòng)毛刷, 兩端設(shè)有毛刷容納管, 毛刷在水流換向時(shí)沿管內(nèi)壁往復(fù)滑動(dòng), 達(dá)到清除換熱管內(nèi)壁污物的作用。為改變污水的流向, 日本發(fā)明了四通換向閥。

 

  需要說(shuō)明的是, 日本發(fā)明的四通換向反沖洗除污技術(shù)比北歐國(guó)家早15 年以上。結(jié)合上述技術(shù), 日本提出了污水熱能直接提取式污水源熱泵系統(tǒng), 并于1987 年首次在東京Ochiai 污水處理廠的污水源熱泵系統(tǒng)中使用, 運(yùn)行效果良好。該系統(tǒng)制冷COP達(dá)到4 .65 , 供熱COP 為3 .59 。另外, 污水熱能間接提取技術(shù)在日本也有應(yīng)用, 1995 年投入運(yùn)行的東京Koraku 1-chome 污水源熱泵區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)即采用了該技術(shù)方式[ 2] 。該系統(tǒng)采用開(kāi)式自動(dòng)旋篩過(guò)濾器過(guò)濾原生污水中的污雜物, 如圖5 所示。自動(dòng)旋篩過(guò)濾器由旋轉(zhuǎn)篩濾筒、刮刀、反沖洗噴嘴、電動(dòng)機(jī)、污水入口、污水出口、排污口和殼體構(gòu)成。該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定過(guò)濾污水和濾面圖5 自動(dòng)旋篩過(guò)濾器清洗再生, 保證了后端熱泵機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

 

  Koraku 1-chome 污水源熱泵系統(tǒng)制冷COP 為4 .3 , 制熱COP 為3 .9 , 性能遠(yuǎn)好于空氣源和普通水源熱泵系統(tǒng)。

 

  與北歐相比, 日本污水源熱泵技術(shù)突出的特點(diǎn)在于針對(duì)城市原生污水在堵塞和換熱過(guò)程中的特殊性, 開(kāi)發(fā)了閉式污水自動(dòng)清污過(guò)濾器和開(kāi)式自動(dòng)旋篩過(guò)濾器, 開(kāi)發(fā)了內(nèi)置滑動(dòng)毛刷的、能夠?qū)崿F(xiàn)換熱管內(nèi)污水流向自動(dòng)換向功能的自動(dòng)清洗污水換熱器, 解決了因污水中的污雜物在換熱管內(nèi)沉積而帶來(lái)?yè)Q熱器換熱效率降低的問(wèn)題, 提高了污水換熱器的換熱效率。

 

  北歐和日本污水源熱泵技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用給人們提供了極具參考價(jià)值和啟發(fā)性的污水取水換熱過(guò)程理論研究和相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)的新思路、新方向和有效途徑, 表明了污水換熱器換熱管除污和強(qiáng)化換熱是污水源熱泵技術(shù)需要進(jìn)一步研究和解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

 

  3 我國(guó)污水源熱泵空調(diào)污水取水換熱技術(shù)進(jìn)展分析我國(guó)學(xué)者早在20 世紀(jì)80 年代末就開(kāi)始關(guān)注國(guó)外污水源熱泵技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展。馬最良等人分析了工業(yè)污水源熱泵在不同地區(qū)的節(jié)能效果[ 26] 。我國(guó)首例城市污水源熱泵系統(tǒng)到2000 年才在北京高碑店污水處理廠示范成功[ 10-11] 。青島某酒店于2003 年進(jìn)行了原生污水水源熱泵嘗試,原理如圖6 所示, 利用A ～ D 4 個(gè)閥門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)濾面的反沖洗。由于污水雜質(zhì)濃度很高, 所要求的反沖洗周期很短, 閥門(mén)切換時(shí)間無(wú)法滿足反沖洗要求, 所以此系統(tǒng)應(yīng)用效果不理想。

 

  圖7 為目前大連華峰化工公司采用的污水過(guò)濾器, 電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)橢圓管轉(zhuǎn)動(dòng), 污水進(jìn)入腔體內(nèi)由孔板過(guò)濾, 孔板上的污雜物在旋轉(zhuǎn)橢圓管的作用下由排污孔排除。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中, 此系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)橢圓管與孔板之間有一定的間隙, 長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后在腔體內(nèi)會(huì)沉積大量的污物, 同時(shí)污水的排污量較大。

 

  真正對(duì)我國(guó)城市污水源熱泵空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展起到重大推動(dòng)作用的研究, 是哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫德興的科研團(tuán)隊(duì)完成的。他們提出了城市原生污水熱能資源化工藝與技術(shù), 利用旋轉(zhuǎn)濾面連續(xù)再生技術(shù)開(kāi)發(fā)了閉式污水取水裝置[ 19] , 其原理圖如圖8 所示。該技術(shù)最早于2003 年9 月應(yīng)用于哈爾濱望江賓館[ 27] 。目前, 已在哈爾濱、大慶、北京、天津等多個(gè)城市獲得了成功的應(yīng)用, 取得了很好的節(jié)能環(huán)保效果。

 

  閉式濾面連續(xù)再生污水取水系統(tǒng)原理圖在理論研究方面, 吳榮華等人以污水換熱器為對(duì)象, 連續(xù)測(cè)試分析了原生污水在換熱器中的流動(dòng)阻塞特性, 分析了污水污泥對(duì)換熱器污染變化過(guò)程及其對(duì)污水換熱器設(shè)計(jì)的影響;指出原生污水流動(dòng)換熱效果很差, 且受污水流速的影響很小, 原生污水流動(dòng)具有非牛頓特性, 常規(guī)的換熱準(zhǔn)則不適用于污水[ 18] 。從設(shè)計(jì)和運(yùn)行的角度, 吳榮華等人研究了該系統(tǒng)制熱和制冷工況下的運(yùn)行參數(shù), 評(píng)價(jià)了系統(tǒng)的運(yùn)行效率[ 27] , 研究了雙級(jí)污水泵的運(yùn)行調(diào)節(jié)特性。針對(duì)污水廠二級(jí)污水, 姚楊等人提出了基于淋激式換熱器的污水源熱泵系統(tǒng), 完成了淋激式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱泵系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)和淋激式換熱器污垢熱阻變化對(duì)熱泵系統(tǒng)性能影響的仿真分析等。

 

  畢海洋開(kāi)發(fā)了旋轉(zhuǎn)板式自動(dòng)除污取水裝置和旋轉(zhuǎn)筒式自動(dòng)除污取水裝置。如圖9 所示, 旋轉(zhuǎn)板式自動(dòng)除污取水裝置采用了錐體或球冠形孔板過(guò)濾盤(pán)和與之配合的斜口橢圓形吸水管口和排水管口, 避免了取水裝置中吸、排水管口處的污水短路問(wèn)題。而圖10 所示的旋轉(zhuǎn)筒式自動(dòng)除污取水裝置依靠重力取水, 避免了吸、排水管口處的低位冷熱源短路問(wèn)題。為提高污水源熱泵系統(tǒng)的污水換熱效率, 畢海洋提出了如圖11 所示的污水換熱過(guò)程流化除垢與強(qiáng)化換熱方法, 利用小球在換熱器中與換熱管壁的碰撞作用, 實(shí)現(xiàn)對(duì)管壁的除垢和強(qiáng)化換熱;研究了小尺度污雜物在換熱過(guò)程中的污垢形成機(jī)理及其對(duì)換熱性能的影響, 試驗(yàn)研究了流化強(qiáng)化換熱的效果, 為污水源熱泵系統(tǒng)污水防垢和強(qiáng)化換熱提供了新思路。

 

  筆者針對(duì)現(xiàn)有污水取水機(jī)存在的內(nèi)泄漏問(wèn)題,提出了開(kāi)式循環(huán)集成式污水取水技術(shù), 開(kāi)發(fā)了如圖12 所示的開(kāi)式循環(huán)集成式污水取水裝置。該裝置能在常壓下運(yùn)行, 降低了材料強(qiáng)度要求, 材料選擇范圍廣;設(shè)備自身阻力損失小, 降低了污水潛水泵與污水循環(huán)泵揚(yáng)程, 降低了取水運(yùn)行能耗;無(wú)動(dòng)密封與泄漏問(wèn)題, 設(shè)備簡(jiǎn)單, 易于加工。此裝置既適用于污水熱能間接提取取水系統(tǒng), 也適用于污水熱能直接提取取水系統(tǒng)。筆者對(duì)殼管式污水換熱器管內(nèi)污泥污垢生長(zhǎng)特性和除污強(qiáng)化換熱方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究, 建立了熱阻法冷凝換熱管內(nèi)污垢生長(zhǎng)特性試驗(yàn)臺(tái), 試驗(yàn)研究了污水換熱管污泥污垢生長(zhǎng)圖12 開(kāi)式循環(huán)集成式污水取水裝置特性曲線, 研究表明, 新的換熱管連續(xù)運(yùn)行190 h左右后, 其污泥污垢熱阻即達(dá)到最大值, 需要對(duì)管內(nèi)污水側(cè)進(jìn)行清洗除污[ 33] 。為實(shí)現(xiàn)管內(nèi)自動(dòng)除污, 筆者提出了能夠與殼管式換熱器一體化的旋轉(zhuǎn)四通換向閥[ 34] , 如圖13 所示, 實(shí)現(xiàn)了換熱管內(nèi)污水流向的自動(dòng)換向, 試驗(yàn)研究了不同反沖洗流速下的反沖洗除污效果[ 33] , 并提出了污水換熱管內(nèi)置彈簧除污方法, 如圖14 所示, 試驗(yàn)研究了該方法的除污特性, 目前已有產(chǎn)品應(yīng)用于天津某原生污水源熱泵系統(tǒng)中。

 

  4 問(wèn)題分析與結(jié)語(yǔ)

 

  污水取水和換熱是污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。在污水取水技術(shù)方面, 雖然成功地解決了城市原生污水和污水廠二級(jí)處理污水的取水問(wèn)題, 但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題, 主要表現(xiàn)在:1)對(duì)于閉式的污水取水系統(tǒng), 取水設(shè)備承壓高, 污水輸送能耗高。污水處理僅采用單一的過(guò)濾方式, 濾面過(guò)濾負(fù)荷大。取水設(shè)備需要多處動(dòng)密封, 導(dǎo)致加工、檢修維護(hù)難度大。2)存在內(nèi)泄漏, 由于刮板與過(guò)濾斷面之間存在間隙, 因此過(guò)濾后經(jīng)換熱設(shè)備換熱后的反沖水會(huì)通過(guò)間隙滲漏到原始污水中, 導(dǎo)致原始污水的溫度升高或降低。圖15 和圖16 分別給出了熱泵機(jī)組入口溫度和機(jī)組性能系數(shù)隨內(nèi)泄漏量的變化, 從圖中可以看出, 無(wú)論是冬季供熱還是夏季供冷, 隨內(nèi)泄漏量的增大,機(jī)組的COP 明顯下降。

 

  在污水換熱技術(shù)方面, 我國(guó)的研究剛剛起步,許多問(wèn)題亟待解決。首先, 污水換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)只能進(jìn)行估算, 通常取污水的黏度為清水的10 倍以上[ 18] 。其次, 污水中小尺度污雜物濃度高, 換熱管內(nèi)外表面極易沉積形成黏性污泥層, 1 臺(tái)新的污水換熱器運(yùn)行1 周后污泥層熱阻就會(huì)達(dá)到最大值,此時(shí)在換熱管及強(qiáng)化換熱技術(shù)方面所做的任何努力都毫無(wú)意義。第三, 從國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有強(qiáng)化換熱技術(shù)看, 污水側(cè)換熱管內(nèi)置毛刷和彈簧的清污方法盡管提高了污水換熱效率, 但也存在內(nèi)置物易被污泥粘住和換熱管路堵塞的問(wèn)題。第四, 從污水源熱泵技術(shù)發(fā)展過(guò)程中人們的工作重點(diǎn)看, 人們普遍重視該技術(shù)工程應(yīng)用類問(wèn)題的研究和開(kāi)發(fā), 而對(duì)污水取水換熱過(guò)程中污水流動(dòng)特性、污泥污垢生長(zhǎng)和去除、污水換熱和強(qiáng)化換熱等關(guān)鍵基礎(chǔ)性問(wèn)題的研究重視不夠, 僅處于起步階段, 而該類問(wèn)題的研究和解決才是解決上述工程應(yīng)用問(wèn)題的前提和基礎(chǔ)。

 

  另外, 從某系統(tǒng)3 年的運(yùn)行結(jié)果看, 該系統(tǒng)污水和中介水之間的實(shí)際運(yùn)行溫差高達(dá)15 ℃以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于污水換熱器設(shè)計(jì)溫差, 直接影響了污水源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行能效。即污水取水換熱過(guò)程中的內(nèi)泄漏問(wèn)題和污水換熱過(guò)程中的污水側(cè)污垢熱阻問(wèn)題, 將可能使污水源熱泵這一節(jié)能技術(shù)在實(shí)際運(yùn)行中不節(jié)能, 在夏季的運(yùn)行能耗還可能高于冷卻塔空調(diào)系統(tǒng)(當(dāng)運(yùn)行不當(dāng)使中介水溫度高于當(dāng)?shù)貪袂驕囟葧r(shí), 便會(huì)出現(xiàn)此問(wèn)題)。

 

  因此, 在污水取水技術(shù)方面, 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足, 有必要開(kāi)發(fā)新的取水技術(shù)以避免內(nèi)泄漏等因素對(duì)熱泵機(jī)組性能的不利影響。在污水換熱技術(shù)方面, 污水換熱器污水側(cè)除污與強(qiáng)化換熱是目前污水源熱泵技術(shù)迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題, 它直接關(guān)系到污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗的高低以及該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際節(jié)能效果。