哈爾濱工業大學   孫德興

    采暖與空調是能耗大湖，而且大部分是在消耗煤、油、氣等化石能源。在能源高度緊張的今天，為暖通空調尋找非化石的替代能源，節能減排，勢在必行。

 

    與太陽能、風能、潮汐能、地熱等可替代能源同等重要，自然界的水與空氣中還蘊藏有極大量的環境低位能源，全國每年排放城市生活污水500億噸左右，其溫度適宜穩定，冬季在嚴寒地區也有100C以上，是豐富的熱源；夏季20幾攝氏度是空調廢熱理想的排放處。全國的江河湖海水資源更是豐富。

 

    從低位環境中提取熱能要靠熱泵。利用空氣做冷、熱源的機組叫做空氣源熱泵，利用環境中的水體做冷、熱源的叫做水源熱泵。與水源熱泵相比，空氣源熱泵機組的投資大，能源利用效率低，而且在我國北方地區由于冬季室外空氣溫度太低，空氣源熱泵已經失去了應用的可行性。

 

    水源熱泵能夠使用少量電能從環境水體中攫取大量冷、熱能量去滿足建筑物對冷、熱的需求。每耗費一份電能，可吸取三份左右環境熱能，從而供給房間四份熱量，節能律為50%左右。每使用一噸環境水作熱泵的冷、熱源，可節省燃煤1-3kg。熱泵運行對環境是零污染。每公斤煤的燃燒會向大氣排放三公斤，此外還有大量粉塵等各種有害物質。大力推廣水源熱泵對環境保護的貢獻也是不可估量的。

 

    另一個巨大的環保價值體現在避免對城市空氣的熱污染方面。傳統的水冷機組空調，或者分體空調都是將廢熱向大氣中排放。“空調越開，城市越熱”。而污水源熱泵在夏季空調時房間中的廢熱都是被排放到了水體中。這對北京、上海、廣州等建筑物密集的大城市尤為重要。

 

    2.1初投資

    污水源熱泵系統系一機三用：夏季空調，冬季供暖，全年供熱水。其投資額度與傳統的集中空調系統持平或略高，但可省下普通系統冬季必備的熱網入網或鍋爐房費用，以及大量的占地空間。還可省下普通空調系統所需的冷卻塔。總體估算節約初投資30%左右。

 

    2.2運行費用

    夏季空調時由于污水對機組的冷卻效果要好于冷卻塔，故機組的COP值高于傳統系統，夏季約可節電10%。

    假如可享用民用電價，則冬季采暖的運行費用將比熱網或鍋爐房燃煤系統低20-40%。

 

    與制冷技術同生共存，熱泵主機早已是成熟的設備。這種既節能又環保的設備一百多年來并沒有在供熱中占據主流位置，其原因并不在機組本身。簡要地說，原因在于“熱泵好，源難找”。空氣源在北方嚴寒地區已無可能，而水源的使用則必須解決在取、排熱過程中較差甚至惡劣水質對換熱設備的堵塞與污染問題。

 

    城市污水渠中的原生污水很顯然是“污水”，其固體污雜物含量為0.2-0.4%上下，主要成分為爛菜葉、泥沙、糞便、以及少量的塑料片、紗布條、頭發絲等。假設為某一萬平方米的建筑提供冷、熱源，約需水量100立方米/小時。則任何水的預處理設備都必須承擔約300kg/小時的污雜物負荷。這個污雜物數量足以在幾分鐘內把任何傳統的過濾面堵死。

 

    江河湖海等天然水的水質雖然比城市污水好很多，但對換熱設備而言，它們也只能被看作是“污水”（山區非常清澈的河水除外）。一般空調機組中的載熱介質均是閉式水，即已被精密處理成優良水質固定量的水在系統中作閉式循環。但作為冷、熱源的環境水不同，它們在系統中是呈開式循環，水體來自環境，回歸環境，在機組中不斷被更換。當水量較大時機組往往要承擔每天幾噸的污雜物負荷，同樣會引起堵塞問題。

 

    當水質較差或很差時，對換熱表面的污染也是不可避免的。污染帶來的直接影響是換熱熱阻增大，換熱效果降低。即使未發生堵塞，上述天然水體對換熱面污染造成的機組效率下降也是必須解決的。

 

    為解決惡劣水質對換熱設備及管路的堵塞與污染問題而進行傳統意義上的水處理是不可行的，因為即使采用最簡單的水處理工藝，其處理成本也要大大地高于熱泵從水中取熱與取冷的價值，況且在城區水處理工藝的占地也成問題。

 

    本公司正是針對水源水引起換熱面的堵塞與污染問題取得了大量成果。

 

    1、污水防阻機

    發明專利：城市污水冷熱源的應用方法與裝置

    專利號：ZL 03 1 32553.X

    發明人：孫德興，吳榮華；專利權人：哈爾濱工業大學

 

    發明專利：名稱：設置有滾筒格柵的城市污水水力自清方法及其裝置

    專利號：ZL2004 1 0043654.9

    發明人：孫德興，吳榮華。專利權人：哈爾濱工業大學

 

    對污水源熱泵系統而言，堵塞問題是首當其沖的。因為一旦發生此問題，換熱設備將完全失去功能。

   

    堵塞最嚴重的當屬城市下水道中的原生污水。本公司采用的技術“世界首創，技術水平國際領先”（省級鑒定結論用語）。裝置的原理圖如圖1所示。

該裝置又稱“濾面的水力連續自清裝置”。濾面自身旋轉，在任意時刻都有部分濾面位于過濾的工作區，另一部分濾面位于水力反沖區。在濾面旋轉一周的幾秒到十幾秒時間內，每個濾孔都有部分時間在過濾的工作區行使過濾功能，另一部分時間在反沖區被反洗，以恢復過濾功能，這里稱之為濾面過濾功能的再生。污水經由過濾后去換熱設備無堵塞換熱，換熱后的污水回到污水熱能處理機的反沖區對濾面實施反沖，并將反沖掉的污雜物全部帶走至排放處。該裝置不懼怕任何污雜物含量的污水，工作可靠，價格低廉；再一個優點是無需人工清理污雜物。

1-一級污水泵；2-外殼；3-旋轉濾網；4-內擋板；5-二級污水泵；6-污水換熱器

 

圖1 濾面過濾功能水力連續再生裝置原理圖

 

    如果是要使用污雜物含量很大的原生污水，那么使用該裝置幾乎是唯一的辦法。即使是對水質較好的江、河、湖、海水，為防止污雜物在換熱設備中的積累，也是使用該設備為好，比其他任何方法都好，可以一勞永逸的解決問題。

 

    2、污水輸送換熱系統

    發明專利：城市原生污水冷熱源直流輸送換熱應用方法

    專利號：ZL 2005 1 0009925.3

    發明人：孫德興，吳榮華。專利權人：哈爾濱工業大學

 

    該專利非常適用于污水源距離建筑物幾百米遠的情況。采用套管型的換熱部件，污水走有足夠管徑防堵的內管，載熱介質走環形空間，輸送的管路就是換熱器，在輸送的同時也完成了換熱。該方法實際上是拋棄了換熱器必須緊湊的概念，既然是在使用易堵的污水，為什么一定還要追求換熱器的緊湊？該方法省去了機房中的污水防阻機和污水換熱器，可以長時間無堵塞安全換熱，經濟上是劃算的。

 

    3、機械自清污換熱器

    發明專利：拉閥式換熱表面實時在線清潔換熱裝置

    申請號：200710021657.X

    發明人：孫德興，張承虎，肖紅俠。專利權人：孫德興

    本公司開發出的一種利用固體環形閥片在管內被引線拉動強力清污的方法。不僅克服了換熱管的堵塞問題，而且實現了在線清污。對該設備而言，污水幾乎與清水一樣了。

 

    4、水力自清污換熱器

    發明專利：管殼換熱器換熱管束高壓頭強力輪替沖洗除污方法與裝置

    申請號：200710020578.0

    發明人：孫德興，肖紅霞，張承虎。專利權人：孫德興

 

    實驗表明，當管內由正常的工作水速1m/s多提高到5m/s左右時，管內壁的掛壁污染幾乎可被清洗得完全干凈。采用機械方面的巧妙設計實現了換熱官的輪替沖洗，即使管殼換熱器斷面上有上千根管，同時只沖洗十幾根管。一臺沖洗泵可負責沖洗多臺換熱器。沖洗泵的揚程較高（約50m），但流量僅為幾拾噸/時。因此設備投資很小，泵的耗電也很小。

 

    該專利最適合于使用江、河、湖、海水或污水處理廠中二級出水的熱泵系統。增添少許投資與運行費用，可保換熱器常年保持無污染運行。若使用原生污水，則需使用污水防阻機加以配合。

 

    發明專利：利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵

    專利號：ZL 200610009617.5

    發明人：孫德興，張承虎，吳榮華。專利權人：哈爾濱工業大學

 

    發明專利：基于壁面彈性變形剝冰提取凝固潛熱制取流體冰的方法

    專利號：ZL 200610009618.X

    發明人：孫德興 張承虎。專利權人：哈爾濱工業大學

 

    發明專利：冷水凝固熱的采集裝置

    申請號：200610009616.0

    發明人：孫德興，張承虎，吳榮華。專利權人：哈爾濱工業大學

 

    我國華北或以北地區冬季的地面水是要封凍的，冰面以下的水已接近0℃。顯然它已經不能被通常的水源熱泵所使用。另外，當使用污水作熱源時，每萬平方米建筑約需污水量100噸/小時以上；一般而言，7-10棟建筑排放生活污水中所含可開采熱能始夠一棟建筑采暖用；因此，很多想采用污水源熱泵系統的建筑者因附近找不到足量的污水水源而抱憾放棄。

經常遇到的水源溫度過低，或者水量不足這兩個問題引發了提取冷水凝固熱的需求。一公斤水結冰時釋放的凝固熱為80千卡，而一公斤水降溫一度人們才獲取1千卡熱量。

 

    上述專利已使我國廣大地區包括東北、西北嚴寒地區在嚴寒的冬季有了取之不盡，用之不竭的水源熱源，所有天然水體封凍表面以下的江、河、湖水全都可以成為水源熱泵的熱源。在采用城市污水作熱源時，也將不再存在建筑物附近水量不足的問題。用提取凝固熱的方法，本棟樓排放生活污水中所含的熱能將可綽綽有余地供應本棟樓采暖。

 

    由于污水源熱泵空調是近幾年才得以廣泛發展的新技術，因此其系統設計對所有的設計者來說都是新問題。我公司成員近五年來通過大量的實驗室研究與工程實踐的總結，取得了一些寶貴的設計經驗。設計中必然遇到的新問題有：

 

    6.1 系統形式的選擇

    什么樣的污水可以直接進機組（直接式系統），什么樣的污水只能先與中介清水換熱，然后清水進機組（間接式系統）？

    冬夏功能是水側切換還是機側切換？

 

    6.2取水與排水

    考慮到污水源水面標高、機房標高、水壓分布、排氣等因素開式污水環路的設計計算及設備選型問題。

    管路與管路設備的材質與選型。

 

     6.3 工況

    污水環路、中介水環路、制冷劑環路和冷凍水環路中各節點設計溫度，與壓強，環路中介質流量的合理確定。此項工作與系統的運行效果及綜合能耗關系極大。

 

     6.4 污水換熱器

    由于污水的黏度比清水大數倍，為防堵塞與污染又不可采用適用于清水的加強換熱的通常措施，清水換熱器設計的經驗數據已完全不可用于污水。污水換熱器的阻力與傳熱系數必須根據水質報告和基礎的阻力與換熱計算公式從頭計算。流程數及逆流安排也完全是新問題。

 

    原西德博士。哈爾濱工業大學教學名師、教授、博士生導師。哈工大學位委員會委員，暖通專業科學帶頭人。曾長期擔任全國高等院校建筑環境與設備專業指導委員會副主任及該專業評估委員會副主任。已培養出博士十二名，碩士四十余名，主持或參加完成多項國家自然科學基金、黑龍江省科學計劃項目以及大量社會科技服務項目，發表科學論文百余篇，出版了獨著的高等傳熱學研究生教材。2003年主持技術建成世界首個原生污水源熱泵工程，研究的“城市污水熱能資源化”項目獲得“世界首創，國際領先”的鑒定評語。

 

 

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)