城市污水源热泵中央空调技术浅析

　　摘要：城市污水源热泵中央空调技术是我国当前各类热泵技术中发展和应用前景最被看好的一类技术，节能减排效果显著。本文简要介绍了污水源热泵空调技术在国内外的发展现状，分析了污水源热泵空调技术的技术特点和优势，总结了污水源热泵空调技术在应用中存在的问题。
　　关键字：城市污水;水源热泵;空调技术
　　一、前言
　　今天，可持续发展已经成为热门话题，环境因素作为可持续发展三要素之一，已引起各个方面的关注。可持续发展意味着维护、合理使用并且提高自然资源基础，意味着在发展计划和政策中纳入对环境的关注和考虑。用热泵系统回收城市污水中的热能，既开发了一种清洁能源，同时又降低了城市废热的排放，保护了环境。开展城市污水热能利用技术的研究，是一项具有节能和环保意义的应用技术研究。
　　城市污水源热泵中央空调技术是利用污水处理厂出水量大，水质稳定，常年温度在13℃至25℃等特点，以污水作为热源进行制冷、制热循环的一种空调装置。污水源热泵具有热量输出稳定、COP值高、换热效果好、机组结构紧凑等优点，是实现污水资源化的有效途径。污水源热泵比燃煤锅炉环保，污染物的排放比空气源热泵减少40%以上，比电供热减少70%以上。它节省能源，比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃煤锅炉节省1/2以上的燃料。由于污水源热泵的热源温度全年较为稳定，其制冷、制热系数比传统的空气源热泵高出40%左右，其运行费用仅为普通中央空调的50%-60%。因此，污水源热泵有着广阔的应用前景，但其使用还需解决以下问题：清洁技术的选择、系统形式的选择、污水源水温、流量的问题以及其保证性和经济性问题。
　　二、国内外发展现状
　　北欧国家发展污水源热泵空调技术开发和规模目前在国际上处于领先地位。1983年挪威的第一个城市污水源热泵系统在奥斯陆SkøyenVest投入运行。从污水热能提取方式看，北欧国家以污水热能直接提取方式为主，城市污水经过过滤后直接喷淋或进入热泵机组蒸发器，该方式换热效果好，污水热能输送能耗低。从换热设备防堵塞技术看，北欧国家早期主要采用机械过滤(或筛分器)和沉淀技术，近几年格栅式传送带和四通换向反冲洗技术在大型污水源热泵中开始应用。从污水换热设备形式看，北欧国家早期采用喷淋式管束式或板式换热器，随着污水防堵塞技术的成熟，大型壳管式污水换热器的应用越来越多，并成为主导换热器形式。如今，污水源热泵空调技术在北欧国家已经得到大规模应用，技术发展成熟且处于国际领先地位。
　　日本是亚洲利用城市污水热能较早的国家，其污水源热泵技术在国际上取得了突破性进展。与北欧国家污水源热泵技术相比，日本污水源热泵技术突出的特点在于针对城市原生污水在堵塞和换热过程中的特殊性，开发了闭式污水自动清污过滤器和开式自动旋筛过滤器，保证了城市污水取水的连续性和稳定性;开发了内置滑动毛刷的、具有能够实现换热管内污水流向自动换向功能的自清洗污水换热器，减小了因污水中的污杂物在换热管内的沉积而带来的换热器换热效率降低的问题，提高了污水换热器的换热效率。
　　我国早在80年代末就开始关注国外污水源热泵技术的研究与应用进展。首例城市污水源热泵系统到2000年才在北京高碑店污水处理厂成功示范。此后，北京、秦皇岛、石家庄等地相继建成污水源热泵系统，但上述工程均采用污水厂二级污水(水质好、污杂物含量低)为低位热源，没有解决污水取水过程中的污杂物堵塞问题。真正对我国城市污水源热泵空调技术的应用和发展起到重大推动作用的研究，是哈尔滨工业大学完成的城市原生污水热能资源化工艺与技术，该技术于2003年9月份开始应用于哈尔滨望江宾馆，成功运行两年后，被成果鉴定委员会评价为“世界首创，国际领先”。2007年，在山东诸城华元大厦开发应用的太阳能辅助污水源热泵供热空调技术与节能建筑一体有机结合，更是对太阳能技术、污水源热泵空调技术和建筑节能技术综合应用的成功探索。
　　三、技术特点与优势
　　（一）技术特点
　　城市污水源热泵中央空调技术的技术状况和经济性与热源的特点密切相关。对热泵系统来说，理想的热源应具有以下特点：在供热季有较高且稳定的温度，可大量获得，不具有腐蚀性或污染性，有理想的热力学特性，投资和运行费用较低。在大多数情况下，热源的性质是决定其使用的关键。
　　污水源热泵空调技术采用污水作为水源热泵的热源，它具有以下特点：产生量大，几乎全年保持恒定的流量；夏季温度低于室外温度，冬季高于室外温度，而且在整个供暖季和供冷季，水温波动不大；含有大量的热能，据估计，城市社区产生的废热40%含在污水中。因此，污水与热泵一起使用为区域供热供冷提供一种理想的热源。
　　污水源热泵空调系统其供暖系统原理和普通水源热泵相同，主要由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流机构构成一个最简单的蒸汽压缩式热泵装置作为供热系统的热源。它通过蒸发器从污水中吸取热量Qe，在冷凝器中放出热量Qc（Qc=Qe+W）供给供热系统。这种供热系统只要消耗少量的电能W,便可得到满足房间供热所需要的热量Qc。
　　污水源热泵空调系统按照其使用的污水的处理状态可分为以未处理过的污水作为热源的污水源热泵系统和以二级出水或中水作为热源的污水源热泵系统；根据污水与热泵的热交换部分是否直接进行热交换，可分为间接利用系统和直接利用系统；从工况转换方式上看，大体可分为两种：一种是通过四通换向阀的换向来实现制热工况和制冷工况的转换；另一种是水切换式，即通过阀门改变水流方向来实现工况转换。
　　（二）节能减排优势
　　污水源热泵中央空调技术的节能效果，首先表现在一次能源利用效率上。由于城市污水温度比室外空气温度、地下/表水温度、土壤温度、海水温度等更有利于减小热泵制冷热力循环温区，从而使得污水源热泵空调技术的制热和制冷性能都高于其它热泵系统，其节能效果和运行费用也较其它冷热源具有更大的优势。其次体现在节约空调冷却水方面。在夏季空调运行时，由于污水源热泵空调技术不需要常规空调冷却塔，而采用城市污水直接或间接带走热泵机组在实现建筑空调降温时所产生的大量冷凝热，从而节省了大量的冷却水资源，具有显著的节约水资源的效果。
　　污水源热泵空调技术的减排效果主要体现在以下两个方面。首先，减少了CO2、SO2、NOx、粉尘等污染物的排放量，具有显著的减少大气污染、减少温室气体排放的环境效益。其次，污水源热泵空调技术在夏季具有较大的建筑物废热减排效果。夏季，大量的建筑内部废热通过不同的形式排向建筑室外环境，加剧了城市热岛效应。研究表明，城市内部环境温度比城市周围环境温度高1-5ºC甚至10ºC以上，城市热岛效应加剧了城市高温出现的频率和高温灾害，不仅恶化了城市环境，而且又反过来增大了建筑空调负荷和空调耗电，造成民众生活、城市建筑和城市环境的恶性循环。污水源热泵空调技术在夏季可以将大量的建筑内部废热直接排放到城市污水中、而不是通过冷却塔或空调室外机组排放到建筑室外环境中，具有显著地降低城市“热岛效应”的废热减排效果。
　　四、问题分析
　　污水取水和换热是污水源热泵空调技术中的关键问题。在污水取水技术上，我国已形成具有自主知识产权的多种污水取水技术，成功地解决了城市原生污水和污水厂二级处理污水取水问题。在污水换热技术上，我国则刚刚起步，许多问题亟待解决。
　　首先，从污水换热器结构设计的角度，由于城市污水的非牛顿特性和复杂性，其黏度特性的测定非常困难，污泥污垢导热性能也难以测试，因此增加了污水换热器的设计难度，在设计污水换热器时目前只能进行估算，黏度取清水的10倍以上。
　　其次，从污泥污垢对换热性能的影响看，由于污水中小尺度污杂物浓度高，极易在换热管内外表面沉积形成粘性污泥层，一台新的污水换热器在实际运行1周后，污泥层热阻将达到最大值，此时人们在换热管及强化换热技术方面所做的任何努力都毫无意义；另外，根据对已运行多年的具有中介水系统的污水源热泵系统的现场测试发现，夏季运行时污水和中介水之间的换热温差高达15℃以上，这也说明了换热器污水侧污泥污垢淤积严重，这也导致夏季热泵机组冷却水(即中介水)平均温度过高，有的高达45℃，远远高于当地湿球温度，这样夏季污水源热泵实际运行能耗将高于冷却塔冷却的制冷系统。
　　再次，从国内外现有强化换热技术看，污水侧换热管内置毛刷和弹簧的清污方法尽管提高了污水换热效率，但也增加了内置物被污泥粘住、发生换热管路堵塞的问题;循环流化床除污和强化换热技术也存在长期运行后清污小球是否被污泥粘住、不能继续工作的问题。而对于城市污水在管外强化换热的问题，目前国内外基本处于空白状态。
　　另外，从污水源热泵技术发展过程中人们的工作重点看，人们普遍重视该技术工程应用类问题的研究和开发，而对污水取水换热过程中污水流动特性、污泥污垢生长和去除、污水换热和强化换热等关键基础性问题的研究仅处于刚刚起步阶段，而该类问题的研究和解决必将是解决上述工程应用问题的前提和基础。
　　因此，污水换热器污水侧除污与强化换热是目前污水源热泵技术在解决稳定取水问题后，又一个迫切需要解决的关键问题，它直接关系到污水源热泵空调技术在全年运行能耗的高低，关系到该项技术的实际节能效果，关系到污水换热设备结构大小和设备投资，关系到污水源热泵空调技术进一步的推广应用。
　　五、结语
　　城市污水源热泵中央空调技术因其各方面的优势显著，是当前各类热泵技术发展和应用前景最被看好的一种。开发利用城市污水低位热能资源，降低建筑冬季采暖、夏季空调和生活热水供应对燃料能源资源的消耗，对促进我国建设节约型社会、节约能源、保护环境具有重要的社会发展意义，对促进人与建筑、人与城市环境、建筑与环境的和谐并存和可持续发展具有重要的建筑科学学术发展意义。
　　
　　参考文献：
　　[2]吴荣华，孙德兴，张成虎等.城市污水源热泵的应用与研究现状.哈尔滨工业大学学报，2006
　　[3]吴学慧，孙德兴.城市原生污水源热泵经济性分析.暖通空调，2007
　　[4]崔福义，李晓明，周红，污水源热泵供热空调的技术经济分析，节能技术，2005