摘要：城市污水源熱泵中央空調(diào)技術(shù)是我國當(dāng)前各類熱泵技術(shù)中發(fā)展和應(yīng)用前景最被看好的一類技術(shù)，節(jié)能減排效果顯著。本文簡要介紹了污水源熱泵空調(diào)技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了污水源熱泵空調(diào)技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢，總結(jié)了污水源熱泵空調(diào)技術(shù)在應(yīng)用中存在的問題。
　　關(guān)鍵字：城市污水;水源熱泵;空調(diào)技術(shù)
　　一、前言
　　今天，可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為熱門話題，環(huán)境因素作為可持續(xù)發(fā)展三要素之一，已引起各個方面的關(guān)注。可持續(xù)發(fā)展意味著維護(hù)、合理使用并且提高自然資源基礎(chǔ)，意味著在發(fā)展計劃和政策中納入對環(huán)境的關(guān)注和考慮。用熱泵系統(tǒng)回收城市污水中的熱能，既開發(fā)了一種清潔能源，同時又降低了城市廢熱的排放，保護(hù)了環(huán)境。開展城市污水熱能利用技術(shù)的研究，是一項(xiàng)具有節(jié)能和環(huán)保意義的應(yīng)用技術(shù)研究。
　　城市污水源熱泵中央空調(diào)技術(shù)是利用污水處理廠出水量大，水質(zhì)穩(wěn)定，常年溫度在13℃至25℃等特點(diǎn)，以污水作為熱源進(jìn)行制冷、制熱循環(huán)的一種空調(diào)裝置。污水源熱泵具有熱量輸出穩(wěn)定、COP值高、換熱效果好、機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)污水資源化的有效途徑。污水源熱泵比燃煤鍋爐環(huán)保，污染物的排放比空氣源熱泵減少40%以上，比電供熱減少70%以上。它節(jié)省能源，比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能，比燃煤鍋爐節(jié)省1/2以上的燃料。由于污水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，其制冷、制熱系數(shù)比傳統(tǒng)的空氣源熱泵高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)用僅為普通中央空調(diào)的50%-60%。因此，污水源熱泵有著廣闊的應(yīng)用前景，但其使用還需解決以下問題：清潔技術(shù)的選擇、系統(tǒng)形式的選擇、污水源水溫、流量的問題以及其保證性和經(jīng)濟(jì)性問題。
　　二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
　　北歐國家發(fā)展污水源熱泵空調(diào)技術(shù)開發(fā)和規(guī)模目前在國際上處于領(lǐng)先地位。1983年挪威的第一個城市污水源熱泵系統(tǒng)在奧斯陸SkøyenVest投入運(yùn)行。從污水熱能提取方式看，北歐國家以污水熱能直接提取方式為主，城市污水經(jīng)過過濾后直接噴淋或進(jìn)入熱泵機(jī)組蒸發(fā)器，該方式換熱效果好，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開始應(yīng)用。從污水換熱設(shè)備形式看，北歐國家早期采用噴淋式管束式或板式換熱器，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。如今，污水源熱泵空調(diào)技術(shù)在北歐國家已經(jīng)得到大規(guī)模應(yīng)用，技術(shù)發(fā)展成熟且處于國際領(lǐng)先地位。
　　日本是亞洲利用城市污水熱能較早的國家，其污水源熱泵技術(shù)在國際上取得了突破性進(jìn)展。與北歐國家污水源熱泵技術(shù)相比，日本污水源熱泵技術(shù)突出的特點(diǎn)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，保證了城市污水取水的連續(xù)性和穩(wěn)定性;開發(fā)了內(nèi)置滑動毛刷的、具有能夠?qū)崿F(xiàn)換熱管內(nèi)污水流向自動換向功能的自清洗污水換熱器，減小了因污水中的污雜物在換熱管內(nèi)的沉積而帶來的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。
　　我國早在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。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成功示范。此后，北京、秦皇島、石家莊等地相繼建成污水源熱泵系統(tǒng)，但上述工程均采用污水廠二級污水(水質(zhì)好、污雜物含量低)為低位熱源，沒有解決污水取水過程中的污雜物堵塞問題。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)完成的城市原生污水熱能資源化工藝與技術(shù)，該技術(shù)于2003年9月份開始應(yīng)用于哈爾濱望江賓館，成功運(yùn)行兩年后，被成果鑒定委員會評價為“世界首創(chuàng)，國際領(lǐng)先”。2007年，在山東諸城華元大廈開發(fā)應(yīng)用的太陽能輔助污水源熱泵供熱空調(diào)技術(shù)與節(jié)能建筑一體有機(jī)結(jié)合，更是對太陽能技術(shù)、污水源熱泵空調(diào)技術(shù)和建筑節(jié)能技術(shù)綜合應(yīng)用的成功探索。
　　三、技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢
　　（一）技術(shù)特點(diǎn)
　　城市污水源熱泵中央空調(diào)技術(shù)的技術(shù)狀況和經(jīng)濟(jì)性與熱源的特點(diǎn)密切相關(guān)。對熱泵系統(tǒng)來說，理想的熱源應(yīng)具有以下特點(diǎn)：在供熱季有較高且穩(wěn)定的溫度，可大量獲得，不具有腐蝕性或污染性，有理想的熱力學(xué)特性，投資和運(yùn)行費(fèi)用較低。在大多數(shù)情況下，熱源的性質(zhì)是決定其使用的關(guān)鍵。
　　污水源熱泵空調(diào)技術(shù)采用污水作為水源熱泵的熱源，它具有以下特點(diǎn)：產(chǎn)生量大，幾乎全年保持恒定的流量；夏季溫度低于室外溫度，冬季高于室外溫度，而且在整個供暖季和供冷季，水溫波動不大；含有大量的熱能，據(jù)估計，城市社區(qū)產(chǎn)生的廢熱40%含在污水中。因此，污水與熱泵一起使用為區(qū)域供熱供冷提供一種理想的熱源。
　　污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)其供暖系統(tǒng)原理和普通水源熱泵相同，主要由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流機(jī)構(gòu)構(gòu)成一個最簡單的蒸汽壓縮式熱泵裝置作為供熱系統(tǒng)的熱源。它通過蒸發(fā)器從污水中吸取熱量Qe，在冷凝器中放出熱量Qc（Qc=Qe+W）供給供熱系統(tǒng)。這種供熱系統(tǒng)只要消耗少量的電能W,便可得到滿足房間供熱所需要的熱量Qc。
　　污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)按照其使用的污水的處理狀態(tài)可分為以未處理過的污水作為熱源的污水源熱泵系統(tǒng)和以二級出水或中水作為熱源的污水源熱泵系統(tǒng)；根據(jù)污水與熱泵的熱交換部分是否直接進(jìn)行熱交換，可分為間接利用系統(tǒng)和直接利用系統(tǒng)；從工況轉(zhuǎn)換方式上看，大體可分為兩種：一種是通過四通換向閥的換向來實(shí)現(xiàn)制熱工況和制冷工況的轉(zhuǎn)換；另一種是水切換式，即通過閥門改變水流方向來實(shí)現(xiàn)工況轉(zhuǎn)換。
　　（二）節(jié)能減排優(yōu)勢
　　污水源熱泵中央空調(diào)技術(shù)的節(jié)能效果，首先表現(xiàn)在一次能源利用效率上。由于城市污水溫度比室外空氣溫度、地下/表水溫度、土壤溫度、海水溫度等更有利于減小熱泵制冷熱力循環(huán)溫區(qū)，從而使得污水源熱泵空調(diào)技術(shù)的制熱和制冷性能都高于其它熱泵系統(tǒng)，其節(jié)能效果和運(yùn)行費(fèi)用也較其它冷熱源具有更大的優(yōu)勢。其次體現(xiàn)在節(jié)約空調(diào)冷卻水方面。在夏季空調(diào)運(yùn)行時，由于污水源熱泵空調(diào)技術(shù)不需要常規(guī)空調(diào)冷卻塔，而采用城市污水直接或間接帶走熱泵機(jī)組在實(shí)現(xiàn)建筑空調(diào)降溫時所產(chǎn)生的大量冷凝熱，從而節(jié)省了大量的冷卻水資源，具有顯著的節(jié)約水資源的效果。
　　污水源熱泵空調(diào)技術(shù)的減排效果主要體現(xiàn)在以下兩個方面。首先，減少了CO2、SO2、NOx、粉塵等污染物的排放量，具有顯著的減少大氣污染、減少溫室氣體排放的環(huán)境效益。其次，污水源熱泵空調(diào)技術(shù)在夏季具有較大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建筑室外環(huán)境，加劇了城市熱島效應(yīng)。研究表明，城市內(nèi)部環(huán)境溫度比城市周圍環(huán)境溫度高1-5ºC甚至10ºC以上，城市熱島效應(yīng)加劇了城市高溫出現(xiàn)的頻率和高溫災(zāi)害，不僅惡化了城市環(huán)境，而且又反過來增大了建筑空調(diào)負(fù)荷和空調(diào)耗電，造成民眾生活、城市建筑和城市環(huán)境的惡性循環(huán)。污水源熱泵空調(diào)技術(shù)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)組排放到建筑室外環(huán)境中，具有顯著地降低城市“熱島效應(yīng)”的廢熱減排效果。
　　四、問題分析
　　污水取水和換熱是污水源熱泵空調(diào)技術(shù)中的關(guān)鍵問題。在污水取水技術(shù)上，我國已形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多種污水取水技術(shù)，成功地解決了城市原生污水和污水廠二級處理污水取水問題。在污水換熱技術(shù)上，我國則剛剛起步，許多問題亟待解決。
　　首先，從污水換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度，由于城市污水的非牛頓特性和復(fù)雜性，其黏度特性的測定非常困難，污泥污垢導(dǎo)熱性能也難以測試，因此增加了污水換熱器的設(shè)計難度，在設(shè)計污水換熱器時目前只能進(jìn)行估算，黏度取清水的10倍以上。
　　其次，從污泥污垢對換熱性能的影響看，由于污水中小尺度污雜物濃度高，極易在換熱管內(nèi)外表面沉積形成粘性污泥層，一臺新的污水換熱器在實(shí)際運(yùn)行1周后，污泥層熱阻將達(dá)到最大值，此時人們在換熱管及強(qiáng)化換熱技術(shù)方面所做的任何努力都毫無意義；另外，根據(jù)對已運(yùn)行多年的具有中介水系統(tǒng)的污水源熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，夏季運(yùn)行時污水和中介水之間的換熱溫差高達(dá)15℃以上，這也說明了換熱器污水側(cè)污泥污垢淤積嚴(yán)重，這也導(dǎo)致夏季熱泵機(jī)組冷卻水(即中介水)平均溫度過高，有的高達(dá)45℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)貪袂驕囟龋�這樣夏季污水源熱泵實(shí)際運(yùn)行能耗將高于冷卻塔冷卻的制冷系統(tǒng)。
　　再次，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，但也增加了內(nèi)置物被污泥粘住、發(fā)生換熱管路堵塞的問題;循環(huán)流化床除污和強(qiáng)化換熱技術(shù)也存在長期運(yùn)行后清污小球是否被污泥粘住、不能繼續(xù)工作的問題。而對于城市污水在管外強(qiáng)化換熱的問題，目前國內(nèi)外基本處于空白狀態(tài)。
　　另外，從污水源熱泵技術(shù)發(fā)展過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)性問題的研究僅處于剛剛起步階段，而該類問題的研究和解決必將是解決上述工程應(yīng)用問題的前提和基礎(chǔ)。
　　因此，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)在解決穩(wěn)定取水問題后，又一個迫切需要解決的關(guān)鍵問題，它直接關(guān)系到污水源熱泵空調(diào)技術(shù)在全年運(yùn)行能耗的高低，關(guān)系到該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際節(jié)能效果，關(guān)系到污水換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)大小和設(shè)備投資，關(guān)系到污水源熱泵空調(diào)技術(shù)進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。
　　五、結(jié)語
　　城市污水源熱泵中央空調(diào)技術(shù)因其各方面的優(yōu)勢顯著，是當(dāng)前各類熱泵技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用前景最被看好的一種。開發(fā)利用城市污水低位熱能資源，降低建筑冬季采暖、夏季空調(diào)和生活熱水供應(yīng)對燃料能源資源的消耗，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。
　　
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