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得到一定程度的應用。污水源熱泵空調技術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、夏季空調和全年熱水供應的重要技術。污水源熱泵空調系統具有明顯的節能減排效果, 是城市污水資源化開發利用的新思路和有效途徑。

 

  在節能方面, 首先表現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溫區,因而污水源熱泵空調系統的制熱和制冷性能都好于其他熱泵系統[ 12 , 15] 。與電制冷加燃煤鍋爐、直燃機、燃氣加風冷空調等建筑冷熱源形式相比, 污水源熱泵空調具有節能效果好、運行費用低的優點。如日本東京Ko raku 1-chome 污水源熱泵空調系統的制熱性能比空氣源熱泵和水源熱泵空調系統提高了60 %, 比空氣源熱泵節電20 %;哈爾濱地區污水源熱泵空調系統的一次能源利用率比燃氣直燃機組高36 .3 %、比燃煤鍋爐加電制冷機組高58 .9 %, 年運行費用低10 %以上, 系統的初投資分別是直燃機和燃煤鍋爐加電制冷的88 .5 %和82 %。其次, 污水源熱泵空調系統不需要常規空調冷卻塔, 從而節省了大量的冷卻水資源。另外, 污水源熱泵空調系統在對建筑物實現冬季供暖、夏季供冷的同時, 還可以替代現有電熱水器、燃油燃氣鍋爐和燃煤鍋爐全年向建筑物提供生活熱水, 降低熱水供應能耗。

 

  在減排方面, 首先表現在污水源熱泵空調技術具有顯著的減少大氣污染物、溫室氣體排放量的環境效益。日本學者的研究結果表明, 污水源熱泵空調系統較空氣源熱泵空調機組可以減少68 %的CO2 排放量和75 %的NO x 排放量, 哈爾濱地區污水源熱泵空調系統的CO2 排放量約是燃煤鍋爐加電制冷的49 .9 %。其次, 污水源熱泵空調技術在夏季具有較好的建筑物廢熱減排效果。夏季,大量的建筑內部廢熱通過不同的形式排向室外環境, 加劇了城市熱島效應。城市熱島效應不僅惡化了城市環境, 而且反過來又增大建筑空調負荷和空調耗電量[ 21-22] 。污水源熱泵空調系統在夏季可以將大量的建筑內部廢熱直接排放到城市污水中, 而不是通過冷卻塔或空調室外機組排放到室外環境中, 具有顯著降低城市熱島效應的廢熱減排效果。

 

  因此, 開發利用城市污水低位熱能資源, 降低建筑冬季供暖、夏季空調和生活熱水供應對礦物燃料資源的消耗, 對促進我國建設節約型社會、節約能源、保護環境具有重要的社會發展意義, 對促進人與建筑、人與城市環境、建筑與環境的和諧并存和可持續發展具有重要的建筑科學學術發展意義。

 

  1 北歐污水源熱泵空調污水取水換熱技術進展分析瑞典是最早利用污水源熱泵進行城市區域供熱的國家。1981 年6 月, 世界上第一個污水源熱泵系統在斯德哥爾摩Sala 鎮投入運行, 該系統采用污水熱能直接提取方式, 城市污水經凈化后噴淋到管束式蒸發器上[ 10] , 污水在管外與管內工質直接換熱, 沒有中介水系統。隨后, 10 余套大型污水源熱泵系統在瑞典投入運行, 到1986 年, 瑞典該類熱泵系統的總裝機容量已達到541 .3 MW。

 

  1983 年, 挪威的第一個城市污水源熱泵系統在奧斯陸Sk yen Vest 投入運行, 熱泵站容量為8 ～ 9 MW。該系統采用污水熱能直接提取方式, 其系統原理圖見圖1 。城市污水經過縫寬為2mm 的旋轉式篩分器過濾后, 由粗孔噴嘴直接噴淋圖1 具有篩分器和噴淋蒸發器的直接取水式污水源熱泵系統原理圖到開式板式蒸發器上。2006 年1 月, 奧斯陸完成了Sk yen Vest 污水源熱泵系統的改造, 圖2為該系統的原理圖。新系統安裝了縫寬為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污水的流向以防止換熱管堵塞和污垢沉積。該系統是目前規模較大、污水取水換熱技術較先進的污水源熱泵系統。

 

  此外, 污水源熱泵技術在瑞士、德國、芬蘭和荷蘭等國家也有不同程度的應用。

 

  從污水源熱泵系統的規模看, 北歐國家主要發展大型污水源熱泵站, 其供熱規模總量目前在國際上處于絕對領先地位。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。從換熱設備防堵塞技術看, 北歐國家早期主要采用機械過濾(或篩分器)和沉淀技術, 近幾年格柵式傳送帶和四通換向反沖洗技術在大型污水源熱泵中得到了應用。從污水換熱設備形式看, 隨著污水防堵塞技術的成熟, 大型殼管式污水換熱器的應用越來越多, 并成為主導換熱器形式。

 

  2 日本污水源熱泵空調污水取水換熱技術進展分析日本是利用城市污水熱能較早的國家, 1987年東京大區污水管理局啟動了污水熱能開發利用計劃[ 12] , 系統總供熱量為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在國際上取得了突破性進展, 提出了有別于北歐國家、專門針對城市污水水質特點的城市污水取水換熱技術。

 

  首先, 日本開發了污水自動清污過濾器[ 5] , 如圖3 所示。該設備主要由筒狀旋轉濾篩、刮刷、驅動電動機和排污閥等部件組成。筒狀濾篩用于過濾污水中的雜質, 電動機帶動濾篩旋轉, 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, 實現污水取水除污過程的連續穩定運行。其次, 日本開發了專門用于污水換熱的污水換熱器和自動清洗系統[ 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管不同于普通殼管式換熱器的換熱管, 其內置有滑動毛刷, 兩端設有毛刷容納管, 毛刷在水流換向時沿管內壁往復滑動, 達到清除換熱管內壁污物的作用。為改變污水的流向, 日本發明了四通換向閥。

 

  需要說明的是, 日本發明的四通換向反沖洗除污技術比北歐國家早15 年以上。結合上述技術, 日本提出了污水熱能直接提取式污水源熱泵系統, 并于1987 年首次在東京Ochiai 污水處理廠的污水源熱泵系統中使用, 運行效果良好。該系統制冷COP達到4 .65 , 供熱COP 為3 .59 。另外, 污水熱能間接提取技術在日本也有應用, 1995 年投入運行的東京Koraku 1-chome 污水源熱泵區域供熱供冷系統即采用了該技術方式[ 2] 。該系統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篩濾筒、刮刀、反沖洗噴嘴、電動機、污水入口、污水出口、排污口和殼體構成。該設備可以實現連續穩定過濾污水和濾面圖5 自動旋篩過濾器清洗再生, 保證了后端熱泵機組運行的穩定性。

 

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

 

  與北歐相比, 日本污水源熱泵技術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, 開發了閉式污水自動清污過濾器和開式自動旋篩過濾器, 開發了內置滑動毛刷的、能夠實現換熱管內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的發展和應用給人們提供了極具參考價值和啟發性的污水取水換熱過程理論研究和相關技術開發的新思路、新方向和有效途徑, 表明了污水換熱器換熱管除污和強化換熱是污水源熱泵技術需要進一步研究和解決的關鍵問題。

 

  3 我國污水源熱泵空調污水取水換熱技術進展分析我國學者早在20 世紀80 年代末就開始關注國外污水源熱泵技術的研究與應用進展。馬最良等人分析了工業污水源熱泵在不同地區的節能效果[ 26] 。我國首例城市污水源熱泵系統到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 個閥門來實現對過濾面的反沖洗。由于污水雜質濃度很高, 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, 所以此系統應用效果不理想。

 

  圖7 為目前大連華峰化工公司采用的污水過濾器, 電動機帶動旋轉橢圓管轉動, 污水進入腔體內由孔板過濾, 孔板上的污雜物在旋轉橢圓管的作用下由排污孔排除。在實際運行過程中, 此系統旋轉橢圓管與孔板之間有一定的間隙, 長時間運行后在腔體內會沉積大量的污物, 同時污水的排污量較大。

 

  真正對我國城市污水源熱泵空調技術的應用和發展起到重大推動作用的研究, 是哈爾濱工業大學孫德興的科研團隊完成的。他們提出了城市原生污水熱能資源化工藝與技術, 利用旋轉濾面連續再生技術開發了閉式污水取水裝置[ 19] , 其原理圖如圖8 所示。該技術最早于2003 年9 月應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用, 取得了很好的節能環保效果。

 

  閉式濾面連續再生污水取水系統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, 常規的換熱準則不適用于污水[ 18] 。從設計和運行的角度, 吳榮華等人研究了該系統制熱和制冷工況下的運行參數, 評價了系統的運行效率[ 27] , 研究了雙級污水泵的運行調節特性。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, 完成了淋激式換熱器的結構設計、熱泵系統關鍵設備設計和淋激式換熱器污垢熱阻變化對熱泵系統性能影響的仿真分析等。

 

  畢海洋開發了旋轉板式自動除污取水裝置和旋轉筒式自動除污取水裝置。如圖9 所示, 旋轉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, 實現對管壁的除垢和強化換熱;研究了小尺度污雜物在換熱過程中的污垢形成機理及其對換熱性能的影響, 試驗研究了流化強化換熱的效果, 為污水源熱泵系統污水防垢和強化換熱提供了新思路。

 

  筆者針對現有污水取水機存在的內泄漏問題,提出了開式循環集成式污水取水技術, 開發了如圖12 所示的開式循環集成式污水取水裝置。該裝置能在常壓下運行, 降低了材料強度要求, 材料選擇范圍廣;設備自身阻力損失小, 降低了污水潛水泵與污水循環泵揚程, 降低了取水運行能耗;無動密封與泄漏問題, 設備簡單, 易于加工。此裝置既適用于污水熱能間接提取取水系統, 也適用于污水熱能直接提取取水系統。筆者對殼管式污水換熱器管內污泥污垢生長特性和除污強化換熱方法進行了試驗研究, 建立了熱阻法冷凝換熱管內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 開式循環集成式污水取水裝置特性曲線, 研究表明, 新的換熱管連續運行190 h左右后, 其污泥污垢熱阻即達到最大值, 需要對管內污水側進行清洗除污[ 33] 。為實現管內自動除污, 筆者提出了能夠與殼管式換熱器一體化的旋轉四通換向閥[ 34] , 如圖13 所示, 實現了換熱管內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, 目前已有產品應用于天津某原生污水源熱泵系統中。

 

  4 問題分析與結語

 

  污水取水和換熱是污水源熱泵空調系統的關鍵技術。在污水取水技術方面, 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, 但在實際應用中仍存在一些問題, 主要表現在:1)對于閉式的污水取水系統, 取水設備承壓高, 污水輸送能耗高。污水處理僅采用單一的過濾方式, 濾面過濾負荷大。取水設備需要多處動密封, 導致加工、檢修維護難度大。2)存在內泄漏, 由于刮板與過濾斷面之間存在間隙, 因此過濾后經換熱設備換熱后的反沖水會通過間隙滲漏到原始污水中, 導致原始污水的溫度升高或降低。圖15 和圖16 分別給出了熱泵機組入口溫度和機組性能系數隨內泄漏量的變化, 從圖中可以看出, 無論是冬季供熱還是夏季供冷, 隨內泄漏量的增大,機組的COP 明顯下降。

 

  在污水換熱技術方面, 我國的研究剛剛起步,許多問題亟待解決。首先, 污水換熱器結構設計時只能進行估算, 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到最大值,此時在換熱管及強化換熱技術方面所做的任何努力都毫無意義。第三, 從國內外現有強化換熱技術看, 污水側換熱管內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, 從污水源熱泵技術發展過程中人們的工作重點看, 人們普遍重視該技術工程應用類問題的研究和開發, 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、污水換熱和強化換熱等關鍵基礎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用問題的前提和基礎。

 

  另外, 從某系統3 年的運行結果看, 該系統污水和中介水之間的實際運行溫差高達15 ℃以上,遠遠高于污水換熱器設計溫差, 直接影響了污水源熱泵系統的實際運行能效。即污水取水換熱過程中的內泄漏問題和污水換熱過程中的污水側污垢熱阻問題, 將可能使污水源熱泵這一節能技術在實際運行中不節能, 在夏季的運行能耗還可能高于冷卻塔空調系統(當運行不當使中介水溫度高于當地濕球溫度時, 便會出現此問題)。

 

  因此, 在污水取水技術方面, 針對現有技術的不足, 有必要開發新的取水技術以避免內泄漏等因素對熱泵機組性能的不利影響。在污水換熱技術方面, 污水換熱器污水側除污與強化換熱是目前污水源熱泵技術迫切需要解決的關鍵問題, 它直接關系到污水源熱泵空調系統全年運行能耗的高低以及該項技術的實際節能效果。