【文章內(nèi)容簡介】 品位熱能進行回 收，轉(zhuǎn)換為高品位熱能的一種節(jié)能與環(huán)保性技術(shù)，利用這項技術(shù)的逆過程同時還可以達到制冷的目的，是以存在合適的低位能源為必要條件的。 水源水系統(tǒng)水6℃11℃50℃45℃60℃2℃3 膨脹閥4 蒸發(fā)器2 冷凝器1 壓縮機 圖 1 熱泵工作原理示意圖 圖 1示意了一種水源熱泵向建筑物供熱的工作原理。所謂水源熱泵，就是指以環(huán)境中的水（污水、地表水、地下水等）作為熱源。熱泵工質(zhì)（例如氟利昂）在壓縮機 1 的驅(qū)動下，在壓縮機 冷凝器 膨脹裝置 蒸發(fā)器 4 幾個主要部件中循環(huán)運動。工質(zhì)的熱力性質(zhì)決定了蒸發(fā)器中的工質(zhì)溫度可以保持在例如 2℃（稱為蒸發(fā)溫度）左 右，而冷凝器中則為 60℃（稱為冷凝溫度）左右。這里的水源雖然在冬季可能僅為 11℃，但卻可以作為熱泵系統(tǒng)的熱源，因為當將它引入溫度為 2℃的蒸發(fā)器時，它必然要把自身中的熱能（稱為內(nèi)能）交給機組，變?yōu)槔?6℃排放出去。獲取了水源熱能的工質(zhì)被壓縮機壓縮到例如 60℃，在冷凝器中加熱來自建筑物的系統(tǒng)循環(huán)水，由該水將熱量帶到建筑物的散熱設(shè)備中。 總的來看，熱泵能夠從常溫或低溫（ 11℃）的環(huán)境中提取熱量，以較高的溫度（ 50℃）向建筑物供熱。過程中機組每消耗 1份高位能源（例如電能），能夠從環(huán)境中提取 3 份以上的溫差熱量，建筑物 實際可以得到的 熱量則為 4 份以上。 然而熱泵技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問題已不是熱泵機組的效率有多高，而是需要有合適的低位能源或低溫熱源，以及整個系統(tǒng)的全面高效低能耗運行，以保證節(jié)能性。 污水及地表水源熱泵 污水及地表水源熱泵是以污水（包括地表水）作為低溫熱源，利用熱泵技術(shù)回收或提取污水中的低溫熱能，其中污水包括市政管網(wǎng)中未處理的原生污水、污水處理廠已處理污水，地表水包括江河湖水、海水及污水處理后的再生水。 由于污水及地表水的水質(zhì)條件較差，利用過程中又是開式循環(huán)，懸浮物和雜質(zhì)成迅速的累積過程，因此提取熱量時需 要解決防堵、防垢及低能耗運行等一系列可能影響到系統(tǒng)的運行效果、運行維護、投資、運行費的相關(guān)問題。 為應(yīng)對污水或地表水水質(zhì)條件，目前的系統(tǒng)多采用間接式系統(tǒng)。先將污水或地表水的熱量傳遞給清潔水，再由清潔水進入熱泵機組，清潔水在污水換熱器和熱泵機組之間形成封閉循環(huán)，起中介熱量傳遞作用，我們將其稱之為“中介循環(huán)”，而污水或地表水的自身循環(huán)稱之為“污水或地表水循環(huán)”，末端系統(tǒng)循環(huán)水在熱泵機組與末端散熱設(shè)備之間循環(huán)則稱之為“末端循環(huán)”。 為此，污水與地表水熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)宏觀上由三個子循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，即污水循環(huán)、中介循環(huán) 和末端循環(huán)，熱泵機組的內(nèi)部還有一個熱泵工質(zhì)（例如氟利昂）循環(huán)，即熱泵機組的工作過程，宏觀上不顯現(xiàn)。系統(tǒng)的主要設(shè)備包括污水泵、污水換熱器、中介泵、熱泵機組、末端泵。如圖 2所示，系統(tǒng)的工作過程如下： 污水泵取水井污水換熱器熱泵機組污水干渠污水循環(huán)中介循環(huán)末端循環(huán)45℃50℃4℃9℃6℃11℃末端泵 中介泵風機盤管 圖 2 污水熱泵供熱空調(diào)工藝流程示意圖 （ 1）首先， 11℃左右的污水或地表水經(jīng)過污水泵提升，在無堵塞高效換熱技術(shù)條件下進入污水換熱器進行換熱，將一定溫差范圍內(nèi)（ 5℃左右）的溫差熱量傳遞給清潔水，再以 7℃左右排放至下游水源處，實現(xiàn)污水循環(huán)。 （ 2）然后， 9℃左右的清潔水經(jīng)中介泵輸送，在配置合理有效狀態(tài)下進入熱泵機組 進行釋熱，將從污水那里獲取的熱量傳遞給熱泵機組，再以4℃左右再次進入污水換熱器進行吸熱，形成封閉循環(huán)，即中介循環(huán)。 （ 3）最后， 45℃左右的末端系統(tǒng)水經(jīng)末端泵輸送，同樣在配置合理有效狀態(tài)下進入熱泵機組進行換熱，將熱泵機組從低溫那里轉(zhuǎn)化來的高溫熱量吸收，再以 50℃左右進入末端散熱設(shè)備將熱量釋放給建筑空間，實現(xiàn)末端循環(huán)。 其中的技術(shù)關(guān)鍵是污水或地表水的高效換熱循環(huán)，以及各子循環(huán)的有效匹配，實現(xiàn)系統(tǒng)的低能耗運行，達到真正節(jié)能環(huán)保的目的。 以原生污水熱泵供熱為例，如圖 2 所示，其運行模式為：冬季 11℃左右的原生污水進 入熱泵系統(tǒng)，變?yōu)?6℃左右后返回，留下了 5℃左右的低位溫差熱能，該熱能為系統(tǒng)供熱量的 75%，熱泵工質(zhì)經(jīng)蒸發(fā)、壓縮與冷凝進行低、高位熱量轉(zhuǎn)換，同時消耗相當于供熱量的 25%的能量，并將這100%的供熱量（ 50℃左右）傳遞給末端散熱介質(zhì)，末端散熱介質(zhì)再將這100%的供熱量釋放到房間，滿足室內(nèi) 20℃以上的熱環(huán)境。制冷空調(diào)時為上述過程的逆過程，但工況不同。 同類 產(chǎn)品 比較 在供熱空調(diào)領(lǐng)域里，當前研究和應(yīng)用的可再生性清潔能源系統(tǒng)包括太陽能供熱及吸附或吸收式制冷系統(tǒng)、土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)、地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)、空 氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)以及工企業(yè)的余熱回收熱泵系統(tǒng)等，這幾種低位能源的應(yīng)用目前還存在一些問題與局限性： （ 1）空氣源熱泵在以供暖為主的寒冷地區(qū)受到室外溫度的限制，能源利用效率很低，在以制冷空調(diào)為主的熱帶或亞熱帶地區(qū)不可避免地給城市區(qū)域帶來熱島效應(yīng)。另外，空氣熱容量小，機組容量及項目規(guī)模受到限制。 （ 2）地下水源熱泵存在的主要問題是：我國水資源貧乏，地下水作為可再生性冷熱源受到水資源保護等問題的限制，井水回灌技術(shù)要求高，不合理的成規(guī)模應(yīng)用可能引發(fā)環(huán)境地質(zhì)問題，另外還有水井枯竭、老化等。 （ 3）土壤源熱泵系統(tǒng)傳熱效率 低，埋管數(shù)量與占地空間很大，初投資高，在住宅密集度、容積率高的繁華城市區(qū)域內(nèi)受到地理條件限制，機組裝機容量要小，目前還難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。 （ 4）太陽能與日照時間及晝夜變化有關(guān)，需要附輔熱源或蓄能系統(tǒng)，太陽能集熱器初投資很大，目前建筑用能還很難承當，僅限于太陽能熱水器的使用，另外太陽能制冷系統(tǒng)還處于研制開發(fā)階段。 （ 5）對于回收工企業(yè)余熱的熱泵系統(tǒng)，通常需要具體的定量設(shè)計，如何保證系統(tǒng)的真真節(jié)能，需要基于可靠的系統(tǒng)設(shè)計方法和先進的控制技術(shù)。 關(guān)鍵技術(shù) 污水與地表水作為低位熱源或冷源有三個明顯的特點 ，即“防堵塞”、“非清潔”與“小溫差”換熱，這三個特點都集中在污水循環(huán)子系統(tǒng)內(nèi)，妥善地解決好污水循環(huán)是系統(tǒng)的關(guān)鍵換熱技術(shù)，而三個循環(huán)子系統(tǒng)的合理有效匹配是保證系統(tǒng)高效低能耗運行的另外一個關(guān)鍵配置技術(shù)。 關(guān)鍵換熱技術(shù) （ 1）防堵塞。未處理原生污水中含有大尺度懸浮物，包括纖維狀的發(fā)絲類、紙屑類、藻狀類，普通的換熱設(shè)備是根本無法承受的。而實踐證明：已處理污水和地表水中的懸浮物含量相對較少，盡管與未處理原水不在同一數(shù)量級，但隨著運行時間增長，堵塞問題也立即突現(xiàn)，原水的堵塞時間為 1～ 3d，而地表水則為 7～ 10d。 圖 4是未處理原生污水的堵塞現(xiàn)象，圖 5 是已處理污水的堵塞狀況。 圖 4 未處理原生污水的堵塞現(xiàn)象 圖 5 已處理污水的堵塞狀況 （ 2）非清潔。污水（未處理原生水）中含有大量的小尺度懸浮固體、油類，以及溶解與非溶解化合物，很容易造成換熱面的“瞬時污染”（ 2～3d），換熱器內(nèi)換熱面上的軟垢增長速度快，成分復雜（油膜、生物膜、顆粒等粘泥），嚴重地增大熱阻，降低傳熱效果，并增大流動阻力，使流量減少，換熱工況嚴重惡化。 已處理污水與地表水（江河湖海水）屬同類，與未處理原水相比，相對清潔，但水源的利用為 開式循環(huán)，小時流量數(shù)百至上千立方米，污染成迅速的累積過程，易“短時污染”（ 7～ 10d），因此對熱泵系統(tǒng)或換熱過程也是“非清潔”的水源。圖 6是某地表水源熱泵工程換熱器和換熱量衰減幅度圖。 0 2 5 10 15 20 25 302250 1600 1200 1000 800 600 550 5000250500750100012501500175020xx22500 5 10 15 20 25 30T /dh/(W/m2℃) 圖 6 某地表水源熱泵工程換熱器熱熱量衰減幅度圖 （ 3）小溫差。我國大部分地區(qū)的冬季時段，污水水溫 15℃以下，地表水 7℃以下，渤海與黃海近海域水溫 3℃左右，提取水源的顯熱熱能溫差在 2～ 6℃范圍內(nèi)。這使得換熱設(shè)備的傳熱溫差非常小，例如污水 15℃降至 10℃，中介介質(zhì)由 6℃升至 11℃，則平均傳熱溫差 4℃左右；若海水由 3℃降至 0℃，中介介質(zhì)由 2℃升至 1℃，則平均傳熱溫差 2℃左右。 如此小的取熱溫差，要求的水源水量則很大，對“非清潔”引起的污染問題就更不利。而更小的傳熱溫差，則需要增大換熱面積或換熱設(shè)備的數(shù)量，這不僅加大系統(tǒng)的建設(shè)投資，而且又增加了換熱器的維護工作量。 防堵塞是系統(tǒng)的基本功能要求，污水循環(huán)若不具備防堵的能力，則系統(tǒng)根本不能運行，而非清潔則需要防污垢，防污垢與小溫差換熱直接影響到系統(tǒng)的經(jīng)濟性和維護操作的難易程度與工作量。 目前的污水熱泵系統(tǒng)中的污水循環(huán)有兩類實施途徑 ，一類 是功能型的，一類是高效型的，功能型是指僅達到了使用的目的，高效型則是從本質(zhì)上適應(yīng)污水。 第一，采取高效防堵技術(shù) ，例如污水熱泵防堵機，再利用現(xiàn)有的換熱器技術(shù)加以適當改造后的換熱器，采取定期清洗污水換熱器作為防垢處理的措施，即防堵機加普通換熱器。這是功能型的，是因為換熱器不具備防堵能力，故此加設(shè)了防堵過濾設(shè)備，而現(xiàn)有的換熱技術(shù)都是針對清水的，適當?shù)母脑靵磉m應(yīng)污水也只是一種應(yīng)對措施。這勢必造成經(jīng)濟效益不明顯，包括初投資和運行費，例如哈爾濱望江賓館，哈爾濱太古商城。 第二，直接利用防堵型高效換熱裝置， 不設(shè)置任何過濾 措施，采用非常簡單的清洗維護方案，以降低系統(tǒng)投資，提高換熱效率，還使得系統(tǒng)的工藝流程簡單，設(shè)備占地減小，具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，完全達到了較傳統(tǒng) 中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)省投資和運行費用 30%以上的經(jīng)濟指標。例如哈工大南園餐廳，首都機場東污水處理廠。 本項目已由第一套功能型技術(shù)發(fā)展到了第二套高效型技術(shù)，其中防堵型高效換熱技術(shù)裝置分為兩種定型產(chǎn)品，分為明渠式（ M型）和流道式（ B型）兩類。專利號為： ； ； ； 。 關(guān) 鍵配置技術(shù) 國外（挪威、瑞典、日本等）從上世紀 7080年代開始建設(shè)大型熱泵系統(tǒng)，包括污水源（已處理污水）、地表水源（河水、江水）、海水源熱泵等，實例很多，規(guī)模也很大，熱泵機組的裝機負荷達 50MW以上。近幾年，我國開始大量推廣應(yīng)用熱泵技術(shù)，包括土壤源、地下水源、地表水源、污水源等，其中水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用開始向大規(guī)?；l(fā)展，尤其是污水廠污水源與地表水源，由于水量集中，水量大，熱泵集中區(qū)域供熱供冷的建筑面積由幾萬㎡到幾十萬㎡，甚至上百萬㎡。 由于熱泵系統(tǒng)的能耗主要是電能，與國外相比，我國以火力發(fā)電為主，發(fā)電效率 只有 33%左右，而國外的發(fā)電效率達 50%，其中水力與核電占有很大比例，這就決定了同樣的熱泵系統(tǒng)其能源消耗情況有一定的差異。另一方面，大型熱泵系統(tǒng)的主要問題又是介質(zhì)的輸送投資及其能耗問題，例如，當熱泵機組的制熱系數(shù)是 4，如果水泵等的輔助能耗達 30%，則系統(tǒng)的綜合性能系數(shù)只有 ，而按 33%的發(fā)電效率計算，一次能源利用率只有 93%，而國外若按 50%的發(fā)電效率計算，則一次能源利用率可達 140%。因此，我國大型熱泵系統(tǒng)的成功與否，除需要解決一些重要的技術(shù)問題以外，影響系統(tǒng)能耗的設(shè)計也將是一個關(guān)鍵的問題。 而小型熱 泵系統(tǒng)雖然沒有大型熱泵系統(tǒng)中顯現(xiàn)出輸送能耗問題，但是否設(shè)計成功，一方面是熱泵機組、水泵、換熱器等的容量是否匹配，這直接影響到系統(tǒng)的運行效果，另一方面是輸送能耗是否超標，是否不高于20%，這關(guān)系到熱泵系統(tǒng)的節(jié)能程度，以及是否節(jié)能的問題。目前有一些系統(tǒng)的運行效果不好，經(jīng)濟效益不明顯，也沒有達到預(yù)期的節(jié)能指標，有些系統(tǒng)甚至根本不節(jié)能，除了由于水源問題沒有解決好以外，系統(tǒng)的配置設(shè)計則是一個最主要的原因。 污水換熱器 工藝流程 工藝流程圖 適用范圍 由于土壤、地下水、地表水、工業(yè)余熱及城市污水等這些低溫熱源不具有運輸性，因此只能因地制宜地加以利用。只要有低溫熱源和熱用戶同 聯(lián)箱焊接 出廠 管排焊渣清理 /校平 組件分裝 方管下料焊接 上下 蓋 板下料 法蘭門 下料 整機防腐 側(cè)板下料 管排 測試 整機總裝 法蘭門打孔 尺寸檢測 水壓