城市污水是一種蘊涵豐富低位熱能的可再生熱能資源, 在中國、日本, 特別是北歐的一些國家已經(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、運行費用低的優(yōu)點。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 %, 年運行費用低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)在對建筑物實現(xiàn)冬季供暖、夏季供冷的同時, 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, 而且反過來又增大建筑空調(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)對礦物燃料資源的消耗, 對促進(jìn)我國建設(shè)節(jié)約型社會、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境具有重要的社會發(fā)展意義, 對促進(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)域供熱的國家。1981 年6 月, 世界上第一個污水源熱泵系統(tǒng)在斯德哥爾摩Sala 鎮(zhèn)投入運行, 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, 挪威的第一個城市污水源熱泵系統(tǒng)在奧斯陸Sk yen Vest 投入運行, 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)原理圖見圖1 。城市污水經(jīng)過縫寬為2mm 的旋轉(zhuǎn)式篩分器過濾后, 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, 用于過濾原生污水中的污雜物。

 

  通過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、芬蘭和荷蘭等國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)模總量目前在國際上處于絕對領(lǐng)先地位。從污水熱能提取方式看, 北歐國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, 北歐國家早期主要采用機(jī)械過濾(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家, 1987年東京大區(qū)污水管理局啟動了污水熱能開發(fā)利用計劃[ 12] , 系統(tǒng)總供熱量為8 .94 MW , 供冷量為11 .64 MW。在此項計劃中, 日本的污水源熱泵技術(shù)在國際上取得了突破性進(jìn)展, 提出了有別于北歐國家、專門針對城市污水水質(zhì)特點的城市污水取水換熱技術(shù)。

 

  首先, 日本開發(fā)了污水自動清污過濾器[ 5] , 如圖3 所示。該設(shè)備主要由筒狀旋轉(zhuǎn)濾篩、刮刷、驅(qū)動電動機(jī)和排污閥等部件組成。筒狀濾篩用于過濾污水中的雜質(zhì), 電動機(jī)帶動濾篩旋轉(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, 實現(xiàn)污水取水除污過程的連續(xù)穩(wěn)定運行。其次, 日本開發(fā)了專門用于污水換熱的污水換熱器和自動清洗系統(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)置有滑動毛刷, 兩端設(shè)有毛刷容納管, 毛刷在水流換向時沿管內(nèi)壁往復(fù)滑動, 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)采用開式自動旋篩過濾器過濾原生污水中的污雜物, 如圖5 所示。自動旋篩過濾器由旋轉(zhuǎn)篩濾筒、刮刀、反沖洗噴嘴、電動機(jī)、污水入口、污水出口、排污口和殼體構(gòu)成。該設(shè)備可以實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定過濾污水和濾面圖5 自動旋篩過濾器清洗再生, 保證了后端熱泵機(jī)組運行的穩(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)突出的特點在于針對城市原生污水在堵塞和換熱過程中的特殊性, 開發(fā)了閉式污水自動清污過濾器和開式自動旋篩過濾器, 開發(fā)了內(nèi)置滑動毛刷的、能夠?qū)崿F(xiàn)換熱管內(nèi)污水流向自動換向功能的自動清洗污水換熱器, 解決了因污水中的污雜物在換熱管內(nèi)沉積而帶來換熱器換熱效率降低的問題, 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值和啟發(fā)性的污水取水換熱過程理論研究和相關(guān)技術(shù)開發(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)鍵問題。

 

  3 我國污水源熱泵空調(diào)污水取水換熱技術(shù)進(jìn)展分析我國學(xué)者早在20 世紀(jì)80 年代末就開始關(guān)注國外污水源熱泵技術(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 個閥門來實現(xiàn)對過濾面的反沖洗。由于污水雜質(zhì)濃度很高, 所要求的反沖洗周期很短, 閥門切換時間無法滿足反沖洗要求, 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濾器, 電動機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)橢圓管轉(zhuǎn)動, 污水進(jìn)入腔體內(nèi)由孔板過濾, 孔板上的污雜物在旋轉(zhuǎn)橢圓管的作用下由排污孔排除。在實際運行過程中, 此系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)橢圓管與孔板之間有一定的間隙, 長時間運行后在腔體內(nèi)會沉積大量的污物, 同時污水的排污量較大。

 

  真正對我國城市污水源熱泵空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展起到重大推動作用的研究, 是哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫德興的科研團(tuán)隊完成的。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象, 連續(xù)測試分析了原生污水在換熱器中的流動阻塞特性, 分析了污水污泥對換熱器污染變化過程及其對污水換熱器設(shè)計的影響;指出原生污水流動換熱效果很差, 且受污水流速的影響很小, 原生污水流動具有非牛頓特性, 常規(guī)的換熱準(zhǔn)則不適用于污水[ 18] 。從設(shè)計和運行的角度, 吳榮華等人研究了該系統(tǒng)制熱和制冷工況下的運行參數(shù), 評價了系統(tǒng)的運行效率[ 27] , 研究了雙級污水泵的運行調(diào)節(jié)特性。針對污水廠二級污水, 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、熱泵系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計和淋激式換熱器污垢熱阻變化對熱泵系統(tǒng)性能影響的仿真分析等。

 

  畢海洋開發(fā)了旋轉(zhuǎn)板式自動除污取水裝置和旋轉(zhuǎn)筒式自動除污取水裝置。如圖9 所示, 旋轉(zhuǎn)板式自動除污取水裝置采用了錐體或球冠形孔板過濾盤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題。而圖10 所示的旋轉(zhuǎn)筒式自動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, 實現(xiàn)對管壁的除垢和強(qiáng)化換熱;研究了小尺度污雜物在換熱過程中的污垢形成機(jī)理及其對換熱性能的影響, 試驗研究了流化強(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。

 

  筆者針對現(xiàn)有污水取水機(jī)存在的內(nèi)泄漏問題,提出了開式循環(huán)集成式污水取水技術(shù), 開發(fā)了如圖12 所示的開式循環(huán)集成式污水取水裝置。該裝置能在常壓下運行, 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)泵揚程, 降低了取水運行能耗;無動密封與泄漏問題, 設(shè)備簡單, 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)。筆者對殼管式污水換熱器管內(nèi)污泥污垢生長特性和除污強(qiáng)化換熱方法進(jìn)行了試驗研究, 建立了熱阻法冷凝換熱管內(nèi)污垢生長特性試驗臺, 試驗研究了污水換熱管污泥污垢生長圖12 開式循環(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)運行190 h左右后, 其污泥污垢熱阻即達(dá)到最大值, 需要對管內(nèi)污水側(cè)進(jìn)行清洗除污[ 33] 。為實現(xiàn)管內(nèi)自動除污, 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, 實現(xiàn)了換熱管內(nèi)污水流向的自動換向, 試驗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 問題分析與結(jié)語

 

  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處理污水的取水問題, 但在實際應(yīng)用中仍存在一些問題, 主要表現(xiàn)在:1)對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濾方式, 濾面過濾負(fù)荷大。取水設(shè)備需要多處動密封, 導(dǎo)致加工、檢修維護(hù)難度大。2)存在內(nèi)泄漏, 由于刮板與過濾斷面之間存在間隙, 因此過濾后經(jīng)換熱設(shè)備換熱后的反沖水會通過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, 我國的研究剛剛起步,許多問題亟待解決。首先, 污水換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計時只能進(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 臺新的污水換熱器運行1 周后污泥層熱阻就會達(dá)到最大值,此時在換熱管及強(qiáng)化換熱技術(shù)方面所做的任何努力都毫無意義。第三, 從國內(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題。第四, 從污水源熱泵技術(shù)發(fā)展過程中人們的工作重點看, 人們普遍重視該技術(shù)工程應(yīng)用類問題的研究和開發(fā), 而對污水取水換熱過程中污水流動特性、污泥污垢生長和去除、污水換熱和強(qiáng)化換熱等關(guān)鍵基礎(chǔ)性問題的研究重視不夠, 僅處于起步階段, 而該類問題的研究和解決才是解決上述工程應(yīng)用問題的前提和基礎(chǔ)。

 

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

 

  因此, 在污水取水技術(shù)方面, 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足, 有必要開發(fā)新的取水技術(shù)以避免內(nèi)泄漏等因素對熱泵機(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)鍵問題, 它直接關(guān)系到污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)全年運行能耗的高低以及該項技術(shù)的實際節(jié)能效果。