污水源热泵空调技术国内外研究应用进展
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。
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Koraku 1-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Koraku 1-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 | 3.3 | 1981 |
| 2 | 伊索喔 | 80 | 1986 |
| 3 | 哥德堡1期 | 27 | 1983 |
| 4 | 哥德堡2期 | 29 | 1984 |
| 5 | 奥斯特桑德 | 10 | 1984 |
| 6 | 乌穆奥 | 34 | 1984 |
| 7 | 耶夫勒 | 14 | 1984 |
| 8 | 厄勒布鲁 | 40 | 1985 |
| 9 | 哥德堡3期 | 84 | 1986 |
| 10 | 斯德哥尔摩 | 100 | 1986 |
| 11 | 索尔纳 | 120 | 1986 |
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(Rotating Cylinder)、刮刷(Cleaning Brush)、驱动电机(Driving Motor)和排污阀(Blow Valve and Reverse Flow Valve)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(Inflow Sewage Water Heat Exchanger)和自动清洗系统(Automatic Heat Transfer Tube Cleaning Device)[5]，如图6所示。污水换热器的换热管(Heat Transfer Tube)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(Brush Receiver)，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-way Valve)，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(Grit Tank)、自动过滤器(Auto Strainer)、四通换向阀(4-way Valve)、污水直接换热冷凝器(Inflow Sewage Water Heat Exchanger--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COP为3.59。该技术还广泛用于其它大型系统，如Chiba Makuhari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Koraku 1-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(Heat Pump)，上层为砂滤室(Grit Chamber)、污水换热器(Sewage Water Heat Exchanger)和区域供热供冷管道(DHC Pipes)。上下层之间由热泵热源水管(Heat Source Water Pipes，即中介水管)和循环泵(Suction Pump)将污水换热器和热泵机组联系起来。该系统采用开式自动旋筛过滤器来过滤城市原生污水中的污杂物。自动旋筛过滤器由旋转筛滤筒(Rotary Screen)、刮刀(Scraping Equipment)、反冲洗喷嘴(Header for Back Washing Water)、电机(Motor)、污水入口(Inflow Nozzle)、过滤后污水出口(Outflow Nozzle)、排污口(Scum)和壳体(Casing)构成。原生污水由污水入口进入过滤器，在筛滤筒的连续旋转作用下，实现污杂物的过滤和排除;筛滤筒在反冲洗喷嘴喷出的水流作用下实现筛滤筒滤面的清洗。不锈钢刮刀可以刮掉筛滤筒表面的污杂物。该设备可以实现污水连续稳定的过滤和滤面清洗再生，保证了后端热泵机组运行的稳定性。
Koraku 1-chome污水源热泵系统同样采用了换热管自清洗型污水换热器[2]，换热管为钛金属管。实际运行时污水中含有的大量细小纤维性污杂物，可能会堵塞换热管两端的毛刷容纳管。为解决这一问题，该热泵系统配置了换热管热水清洗系统，实现对毛刷容纳管的定期清洗，很有效地解决了这一问题[2]。
Koraku 1-chome污水源热泵系统设置了两台热泵机组，供冷量为10.5MW，供热量为12.8MW，冷冻水供水温度为7ºC，供热温度为47ºC，所服务的商业建筑面积为12.6万m2，为充分利用东京峰谷平电价差优势，该系统还设置了水蓄能系统。该系统1995年投入运行，制冷COP为4.3，制热COP为3.9，性能远高于空气源和普通水源热泵系统。
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。尽管该项技术在挪威已有应用，但从该技术出现的年代看，日本此项技术要比挪威的技术早15年以上。
北欧和日本污水源热泵技术的发展和应用给人们提供了极具参考价值和启发性的污水取水换热过程理论研究和相关技术开发的新思路、新方向和有效途径，不仅向人们预示了污水热能资源化利用的前景，而且也有力地说明了发展大型污水源热泵技术的可行性，有力地说明了利用热泵技术直接提取污水热能的可行性，有力地说明了换热管内置填充物加换向反冲洗技术的可行性，也预示了污水换热器换热管除污和强化换热将是污水源热泵技术进一步迫切需要研究和解决的关键科学问题。
4 我国污水源热泵空调技术进展分析
我国学者早在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[26]，马最良教授分析了工业污水源热泵在不同地区的节能效果[28]，对早期在我国推广应用热泵技术起到重要作用。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示范成功[10, 11]，此后，北京北小河污 水处理厂、秦皇岛海港区污水处理厂、石家庄桥东污水处理厂等相继建成污水源热泵系统[12, 16, 29]，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，是哈尔滨工业大学孙德兴教授的科研团队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[30]，成功运行两年后，于2005年6月通过黑龙江省科技鉴定，鉴定委员会对该技术给予了“世界首创，国际领先”的好评。
滤面连续再生污水取水机是孙德兴教授提出的城市原生污水源热泵技术的核心设备，该设备被隔板、旋转滤筒和壳体分成A、B、C、D四个腔，原生污水由A腔流向B腔，污水中的污杂物被滤筒过滤，带有污杂物的滤面旋转到C腔，在污水换热后回水反冲作用(注意，反冲洗速度高于正常过滤速度)下此部分滤面得到再生，并继续旋转实现过滤过程。滤面连续再生污水取水机实现了原生污水的连续取水过程，保证了热泵机组运行的稳定性。该项技术在哈尔滨、大庆、北京、天津等多个城市取得了成功的应用，取得了很好的节能环保效果。在理论研究上，孙德兴教授带领课题组以污水换热器为对象，连续测试分析了原生污水在换热器中的流动阻塞特性，根据设备运行的时间，将换热器污泥污染划分为5个阶段，分析了其对污水换热器结构设计的影响大小[17];针对污水换热器的换热特性，指出原生污水流动换热效果很差，对于钢制换热管，其换热系数仅有600W/(m2׺C)，并受污水流速的变化影响很小;指出原生污水流动具有非牛顿特性，常规的换热准则关联式不再适用[17]。从城市原生污水源热泵系统设计和运行的角度，该课题组研究了某实际系统的制热和制冷工况下的运行参数，评价了该系统的运行效率[30]。随后该课题组又研究了图10所示的系统双级水泵的运行调节特性，为双级污水泵的合理选型和稳定运行调节提供了理论依据[31]。孙德兴教授在城市原生污水源热泵技术上所取得的研究成果极大地推动了我国城市污水源热泵空调技术的应用和普及。
针对污水厂二级污水，哈尔滨工业大学姚杨教授提出了基于淋激式换热器的污水源热泵系统，二级污水通过淋激式换热器实现与热泵工质的热交换[32]。随后，该课题组又完成了淋激式换热器的结构设计方法[32]、热泵系统关键设备设计方法[33]和淋激式换热器污垢热阻变化对热泵系统性能影响的仿真分析[34]等，为淋激式换热型污水源热泵技术的应用提供了理论基础。为提高污水源热泵系统的污水换热效率，大连理工大学提出了污水换热过程流化除垢与强化换热方法[35]。城市污水经取水机和污水泵后，以一定速度将固液分离器中的小球引射到流化床污水换热器，小球在换热器中与换热管壁发生碰撞，实现对管壁的除垢和强化换热。然后，小球在水流作用下进入固液分离器，在重力作用下从污水中分离出来再循环利用。文[35]研究了小尺度污杂物在换热过程中的污垢形成机理及其对换热性能的影响，研究了流化除垢的技术实现方法和除垢效果，试验研究了流化强化换热效果，为污水源热泵系统污水防垢和强化换热提供了新的研究思路。
作者在哈尔滨工业大学工作期间也针对壳管式污水换热器管内污泥污垢生长特性和除污强化换热方法进行了试验研究[36]，建立了热阻法冷凝换热管内污垢生长特性试验台，试验研究了污水换热管污泥污垢生长特性曲线，研究表明，对于新的换热管在连续运行190小时，其污泥污垢热阻即达到最大值，亦即要求对管内污水侧进行清洗除污[36]。为实现管内自动除污，申请者提出了能够与壳管式换热器一体化的旋转四通换向阀[37]，实现了换热管内污水流向的自动换向，试验研究了不同反冲洗流速下的反冲洗除污效果[36];提出了污水换热管内置弹簧除污方法，试验研究了该方法的除污特性，目前上述方法已经加工成产品，并应用于天津某原生污水源热泵系统中。
另外，北京工业大学针对污水流动换热的特殊性，在污水源热泵系统中采用了浮头式壳管式换热器[38]，为提高污水换热器的换热特性，讨论了管内插入扭转带强化换热方法的可行性。曲云霞和陈志峰等分别对污水换热器的换热管材质和塑料换热管的换热性能进行了研究分析[39, 40]。
5 问题分析与结语
污水取水和换热是污水源热泵空调系统中的关键问题。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[17]。
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15ºC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45ºC，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。
第三，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系统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。
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