215污水源热泵空调技术国内外研究应用进展

1污水源热泵空调技术国内外研究应用进展大连理工大学土木水利学院张吉礼马良栋摘要：污水源热泵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。本文系统地综述了污水源热泵空调技术在北欧、日本和我国的发展过程，介绍了污水源热泵技术国外研究和应用最新进展和技术发展趋势，总结了我国污水源热泵空调技术的特色和进展状况，最后分析了污水源热泵空调技术在实际应用中存在的问题，指出了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。关键词：污水源热泵，节能减排，污水热能直接提取，污水换热1前言城市污水是一种蕴涵丰富低位热能的可再生热能资源[1-9]，污水源热泵空调则是以城市污水为建筑供热源和排热汇、解决建筑物冬季采暖、夏季空调和全年热水供应的重要技术[1-3,10-13]，也是城市污水资源化开发利用的新思路和有效途径，目前在我国、日本、特别是北欧等国已经得到一定程度的应用[1-5,10-14]。污水源热泵空调系统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系统的制热和制冷性能都高于其它热泵系统[12,18]。东京Koraku1-chome污水源热泵空调系统的制热性能比空气源热泵和水源热泵相比提高了60%，比空气源热泵节省电能20%[2]；东京Ochiai污水处理厂的污水源热泵系统比电制冷加燃油锅炉节约运行费用40%[15]；哈尔滨地区污水源热泵空调系统的一次能源利用率比燃气直燃机组高36.3%、比燃煤锅炉加电制冷机组高58.9%，年运行费用却低10%以上，系统的初投资分别是直燃机和燃煤锅炉加电制冷的88.5%和82%[20]；秦皇岛某污水处理厂污水源热泵系统全年运行费用比电制冷加燃油锅炉低60%[16]；北京地区污水源热泵系统的总运行费用是地下水源热泵系统的70%、是燃气加空冷空调系统的45%[19]，而初投资是地下水源热泵系统的80%[19]；北京某大型城市广场采用污水源热泵供热系统，其年运行费用是空气源热泵的62.5%、是电热锅炉的23.6%、是燃气壁挂采暖炉的57.6%、是溴化锂直燃机的57.8%[13]。可见，污水源热泵空调系统比现有其它冷热源具有较大的节能效果和较低的运行费用。污水源热泵空调技术的节能效果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系统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。另外，污水源热泵空调技术的节能效果还体现在全年向建筑提供生活热水方面。污水源热泵空调系统在对建筑物实现冬季采暖、夏季空调的同时，还可以替代现有电热水器、燃油燃气锅炉和燃煤锅炉全年向建筑物提供生活热水，同样从一次能源利用效率和运行费用的角度，污水源热泵空调系统具有较大的节能效果。污水源热泵空调系统的减排效果主要体现在以下两个方面。我国以火电为主，煤炭在我国总的能源消费结构中约占67%。因此，污水源热泵空调系统在节能的同时，首先减少了CO2、SO2、NOx、粉尘等污染物的排放量。日本学者N.C.Baek的仿真结果表明，污水源热泵空调系统较空气源热泵可以减少68%的CO2排放量和75%的NOx排放量[21]；东京Koraku1-chome污水源热泵系统较空气源热泵减少了40%的CO2排放量和37%的NOx排放量[2]；哈尔滨地区污水源热泵空调系统的CO2排放量约是燃煤锅炉加电制冷的49.9%[20]；可见，污水源热泵空调技术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2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[22]，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[23,24]，造成民众生活、城市建筑和城市环境的恶性循环。污水源热泵空调系统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。因此，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化石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。目前，国内外污水源热泵空调技术的研究、开发和应用主要集中在北欧、日本和中国。2北欧污水源热泵空调技术进展分析瑞典是利用污水源热泵进行城市区域供热最早的国家。1981年6月世界第一个污水源热泵系统在斯德哥尔摩Sala镇投入运行[1]，装机容量为3.3MW。从污水热能提取利用方式看，该污水源热泵系统采用污水热能直接提取方式，即城市污水经过净化后喷淋在水平管束式热泵机组蒸发器上[10]，热泵工质与城市污水直接换热，没有中介水系统。污水换热管束采用镀锌碳钢管，运行结果表明[1]，该类管材可以满足污水防腐蚀要求。随后，10余套大型污水源热泵系统在瑞典投入运行，如表1所示，到1986年瑞典该类热泵系统的总装机容量已达到541.3MW[10]。表1瑞典以城市污水为低温热源的大型热泵系统[10]序号地点总装机容量(MW)投入运行时间1塞勒3.319812伊索喔8019863哥德堡1期2719834哥德堡2期2919845奥斯特桑德1019846乌穆奥3419847耶夫勒1419848厄勒布鲁4019859哥德堡3期84198610斯德哥尔摩100198611索尔纳12019861983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[10,25]，热泵站容量为8~9MW；该采用污水热能直接提取方式，城市污水经过缝宽为2mm的旋转式筛分器过滤后，由粗孔喷嘴直接喷淋到开式板式蒸发器上[25,26]。在实际运行中，蒸发器板式污水侧存在堵塞和表面结垢问题[25]。2006年1月奥斯陆完成了SkøyenVest污水源热泵系统的改造，新系统供热量可达到19.5MW。新系统设有两个污水蓄水池，在每个蓄水池中分别安装了缝宽为3mm的格栅式传送带，来过滤原生污水中的污杂物；过滤后污水经污水泵进入壳管式蒸发器。为防止蒸发器换热管的堵塞和污垢沉积，通过四通换向阀改变换热管内污水的流向，该系统每小时换向一次，每次12秒[25]。蒸发器换热管采用铜-镍合金管，管内污水流速达到1.9m/s。热泵机组采用双级循环中间抽汽离心式压缩机，设计供热温度为90/60ºC，3实际运行COP可达到3.3[25]。该系统是目前规模较大、污水取水换热技术较先进的污水源热泵系统。1989年奥斯陆Sandvika地区的污水源热泵系统投入运行，供热量为6.5MW，供冷量为4.5MW[26]。该系统同样采用污水热能直接提取方式，城市污水经机械过滤、沉淀池沉淀、经污水泵直接进入热泵机组的壳管式蒸发器[26]。该系统的同样采用格栅式传送带对污水来过滤污水中的污杂物。污水源热泵技术瑞士、德国、芬兰和荷兰等国家也有不同程度的应用[26,27]，间接提取污水热能的方式在这些国家的中小型污水源热泵系统也有应用，该方式主要利用浸泡式污水换热器和中介水系统来实现[26]。从污水源热泵系统的规模看，北欧国家主要发展大型污水源热泵站，其供热规模总量目前在国际上绝对处于领先地位。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；浸泡式污水换热器在中小型系统中也有一定程度的应用。污水换热管有镀锌碳钢管和铜镍合金管。另外，热泵机组由早期的螺杆式热泵机组逐步被大型离心式压缩热泵机组替代，系统供热温度一般按区域供热温度要求来设计。综上，污水源热泵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，这对北欧国家降低化石燃料能源消耗、保护生态环境、减少污染物排放具有重要作用。3日本污水源热泵空调技术进展分析日本是利用城市污水热能较早的国家，1987年东京大区污水管理局启动了污水热能开发利用计划[12]，先后建设了12个污水源热泵空调系统，其中4个系统使用城市原生污水，8个系统使用污水处理厂的二级处理后污水，总供热量为8.94MW，供冷量为11.64MW[5]。在此项计划中，日本的污水源热泵技术在国际上取得了突破性进展，首先提出了有别于北欧国家、专门针对城市污水水质特点的城市污水取水换热技术，日本开发了污水自动清污过滤器[5]。该设备主要由筒状旋转滤筛(RotatingCylinder)、刮刷(CleaningBrush)、驱动电机(DrivingMotor)和排污阀(BlowValveandReverseFlowValve)等部件组成，筒状滤筛过滤掉污水中的杂质，电机带动滤筛旋转，挂在滤筛上的污杂物将被刮刷清除下来，然后被反冲排回污水干渠。整个污水取水除污过程连续、自动进行，保证了下游污水源热泵的稳定运行。其次，日本开发了专门用于污水换热的污水换热器(InflowSewageWaterHeatExchanger)和自动清洗系统(AutomaticHeatTransferTubeCleaningDevice)[5]，如图6所示。污水换热器的换热管(HeatTransferTube)不同与普通壳管式换热器的换热管，其内置滑动毛刷(Brush)，两端设有毛刷容纳管(BrushReceiver)，毛刷在水流换向时沿管内壁往复滑动，达到清除换热管内壁污物的作用。为实现换热器内部污水流向的改变，日本发明了四通换向阀(Four-wayValve)，该换向阀安装在污水换热器和污水泵之间，调节换向阀即可实现污水在换热管内流动方向的转变。需要说明的是，日本发明的四通换向反冲洗除污技术要比北欧国家早15年以上。结合上述技术，日本提出了污水热能直接提取式污水源热泵系统形式[5]。该系统由砂滤池(GritTank)、自动过滤器(AutoStrainer)、四通换向阀(4-wayValve)、污水直接换热冷凝器(InflowSewageWaterHeatExchanger--Condenser)和热泵等设备组成。在污水换热设备设计方面，日本通过浸泡式试验，研究了铜基和钢基换热管的污水换热特性[5]。综合考虑管材的腐蚀热阻、传热性能和管材的价格后，日本选用铜基管材作为污水换热器的管材；自1987年的实际应用结果也表明，该类管材没有出现任何问题[5]。上述技术于1987年首次在东京Ochiai污水处理厂的污水源热泵系统中，运行效果良好。该系统实际供冷量为297kW，供应7ºC冷冻水，制冷COP达到4.65；供热量为289kW，供热温度为45ºC，供热4COP为3.59。该技术还广泛用于其它大型系统，如ChibaMakuhari区的污水源热泵系统[5]，该系统采用两台离心式压缩热泵，制冷量10.5MW。污水热能间接提取技术在日本也有应用，1995年投入运行的东京Koraku1-chome污水源热泵区域供热供冷系统即为该技术方式[2]。该系统设备间主要分为两层，下层为3台热泵机组(HeatPump)，上层为砂滤室(GritChamber)、污水换热器(SewageWaterHeatExchanger)和区域供热供冷管道(DHCPipes)。上下层之间由热