哈爾濱工業(yè)大學(xué)   孫德興

    采暖與空調(diào)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(diào)尋找非化石的替代能源，節(jié)能減排，勢在必行。

 

    與太陽能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)岬瓤商娲�能源同等重要，自然界的水與空氣中還蘊(yùn)藏有極大量的環(huán)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(wěn)定，冬季在嚴(yán)寒地區(qū)也有100C以上，是豐富的熱源；夏季20幾攝氏度是空調(diào)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(huán)境中提取熱能要靠熱泵。利用空氣做冷、熱源的機(jī)組叫做空氣源熱泵，利用環(huán)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(jī)組的投資大，能源利用效率低，而且在我國北方地區(qū)由于冬季室外空氣溫度太低，空氣源熱泵已經(jīng)失去了應(yīng)用的可行性。

 

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

 

    另一個(gè)巨大的環(huán)保價(jià)值體現(xiàn)在避免對(duì)城市空氣的熱污染方面。傳統(tǒng)的水冷機(jī)組空調(diào)，或者分體空調(diào)都是將廢熱向大氣中排放。“空調(diào)越開，城市越熱”。而污水源熱泵在夏季空調(diào)時(shí)房間中的廢熱都是被排放到了水體中。這對(duì)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(tǒng)系一機(jī)三用：夏季空調(diào)，冬季供暖，全年供熱水。其投資額度與傳統(tǒng)的集中空調(diào)系統(tǒng)持平或略高，但可省下普通系統(tǒng)冬季必備的熱網(wǎng)入網(wǎng)或鍋爐房費(fèi)用，以及大量的占地空間。還可省下普通空調(diào)系統(tǒng)所需的冷卻塔。總體估算節(jié)約初投資30%左右。

 

    2.2運(yùn)行費(fèi)用

    夏季空調(diào)時(shí)由于污水對(duì)機(jī)組的冷卻效果要好于冷卻塔，故機(jī)組的COP值高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，夏季約可節(jié)電10%。

    假如可享用民用電價(jià)，則冬季采暖的運(yùn)行費(fèi)用將比熱網(wǎng)或鍋爐房燃煤系統(tǒng)低20-40%。

 

    與制冷技術(shù)同生共存，熱泵主機(jī)早已是成熟的設(shè)備。這種既節(jié)能又環(huán)保的設(shè)備一百多年來并沒有在供熱中占據(jù)主流位置，其原因并不在機(jī)組本身。簡要地說，原因在于“熱泵好，源難找”。空氣源在北方嚴(yán)寒地區(qū)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(zhì)對(duì)換熱設(shè)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(fā)絲等。假設(shè)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(shí)。則任何水的預(yù)處理設(shè)備都必須承擔(dān)約300kg/小時(shí)的污雜物負(fù)荷。這個(gè)污雜物數(shù)量足以在幾分鐘內(nèi)把任何傳統(tǒng)的過濾面堵死。

 

    江河湖海等天然水的水質(zhì)雖然比城市污水好很多，但對(duì)換熱設(shè)備而言，它們也只能被看作是“污水”（山區(qū)非常清澈的河水除外）。一般空調(diào)機(jī)組中的載熱介質(zhì)均是閉式水，即已被精密處理成優(yōu)良水質(zhì)固定量的水在系統(tǒng)中作閉式循環(huán)。但作為冷、熱源的環(huán)境水不同，它們?cè)谙到y(tǒng)中是呈開式循環(huán)，水體來自環(huán)境，回歸環(huán)境，在機(jī)組中不斷被更換。當(dāng)水量較大時(shí)機(jī)組往往要承擔(dān)每天幾噸的污雜物負(fù)荷，同樣會(huì)引起堵塞問題。

 

    當(dāng)水質(zhì)較差或很差時(shí)，對(duì)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(fā)生堵塞，上述天然水體對(duì)換熱面污染造成的機(jī)組效率下降也是必須解決的。

 

    為解決惡劣水質(zhì)對(duì)換熱設(shè)備及管路的堵塞與污染問題而進(jìn)行傳統(tǒng)意義上的水處理是不可行的，因?yàn)榧词共捎米詈唵蔚乃�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(jià)值，況且在城區(qū)水處理工藝的占地也成問題。

 

    本公司正是針對(duì)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(jī)

    發(fā)明專利：城市污水冷熱源的應(yīng)用方法與裝置

    專利號(hào)：ZL 03 1 32553.X

    發(fā)明人：孫德興，吳榮華；專利權(quán)人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)

 

    發(fā)明專利：名稱：設(shè)置有滾筒格柵的城市污水水力自清方法及其裝置

    專利號(hào)：ZL2004 1 0043654.9

    發(fā)明人：孫德興，吳榮華。專利權(quán)人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)

 

    對(duì)污水源熱泵系統(tǒng)而言，堵塞問題是首當(dāng)其沖的。因?yàn)橐坏┌l(fā)生此問題，換熱設(shè)備將完全失去功能。

   

    堵塞最嚴(yán)重的當(dāng)屬城市下水道中的原生污水。本公司采用的技術(shù)“世界首創(chuàng)，技術(shù)水平國際領(lǐng)先”（省級(jí)鑒定結(jié)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(xù)自清裝置”。濾面自身旋轉(zhuǎn)，在任意時(shí)刻都有部分濾面位于過濾的工作區(qū)，另一部分濾面位于水力反沖區(qū)。在濾面旋轉(zhuǎn)一周的幾秒到十幾秒時(shí)間內(nèi)，每個(gè)濾孔都有部分時(shí)間在過濾的工作區(qū)行使過濾功能，另一部分時(shí)間在反沖區(qū)被反洗，以恢復(fù)過濾功能，這里稱之為濾面過濾功能的再生。污水經(jīng)由過濾后去換熱設(shè)備無堵塞換熱，換熱后的污水回到污水熱能處理機(jī)的反沖區(qū)對(duì)濾面實(shí)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(jià)格低廉；再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是無需人工清理污雜物。

1-一級(jí)污水泵；2-外殼；3-旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)；4-內(nèi)擋板；5-二級(jí)污水泵；6-污水換熱器

 

圖1 濾面過濾功能水力連續(xù)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(duì)水質(zhì)較好的江、河、湖、海水，為防止污雜物在換熱設(shè)備中的積累，也是使用該設(shè)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(tǒng)

    發(fā)明專利：城市原生污水冷熱源直流輸送換熱應(yīng)用方法

    專利號(hào)：ZL 2005 1 0009925.3

    發(fā)明人：孫德興，吳榮華。專利權(quán)人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)

 

    該專利非常適用于污水源距離建筑物幾百米遠(yuǎn)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(nèi)管，載熱介質(zhì)走環(huán)形空間，輸送的管路就是換熱器，在輸送的同時(shí)也完成了換熱。該方法實(shí)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(jī)房中的污水防阻機(jī)和污水換熱器，可以長時(shí)間無堵塞安全換熱，經(jīng)濟(jì)上是劃算的。

 

    3、機(jī)械自清污換熱器

    發(fā)明專利：拉閥式換熱表面實(shí)時(shí)在線清潔換熱裝置

    申請(qǐng)?zhí)枺?00710021657.X

    發(fā)明人：孫德興，張承虎，肖紅俠。專利權(quán)人：孫德興

    本公司開發(fā)出的一種利用固體環(huán)形閥片在管內(nèi)被引線拉動(dòng)強(qiáng)力清污的方法。不僅克服了換熱管的堵塞問題，而且實(shí)現(xiàn)了在線清污。對(duì)該設(shè)備而言，污水幾乎與清水一樣了。

 

    4、水力自清污換熱器

    發(fā)明專利：管殼換熱器換熱管束高壓頭強(qiáng)力輪替沖洗除污方法與裝置

    申請(qǐng)?zhí)枺?00710020578.0

    發(fā)明人：孫德興，肖紅霞，張承虎。專利權(quán)人：孫德興

 

    實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)管內(nèi)由正常的工作水速1m/s多提高到5m/s左右時(shí)，管內(nèi)壁的掛壁污染幾乎可被清洗得完全干凈。采用機(jī)械方面的巧妙設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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(shí)只沖洗十幾根管。一臺(tái)沖洗泵可負(fù)責(zé)沖洗多臺(tái)換熱器。沖洗泵的揚(yáng)程較高（約50m），但流量僅為幾拾噸/時(shí)。因此設(shè)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(jí)出水的熱泵系統(tǒng)。增添少許投資與運(yùn)行費(fèi)用，可保換熱器常年保持無污染運(yùn)行。若使用原生污水，則需使用污水防阻機(jī)加以配合。

 

    發(fā)明專利：利用低位熱源供水顯熱進(jìn)行除霜的凝固潛熱型熱泵

    專利號(hào)：ZL 200610009617.5

    發(fā)明人：孫德興，張承虎，吳榮華。專利權(quán)人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)

 

    發(fā)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(hào)：ZL 200610009618.X

    發(fā)明人：孫德興 張承虎。專利權(quán)人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)

 

    發(fā)明專利：冷水凝固熱的采集裝置

    申請(qǐng)?zhí)枺?00610009616.0

    發(fā)明人：孫德興，張承虎，吳榮華。專利權(quán)人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)

 

    我國華北或以北地區(qū)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(jīng)不能被通常的水源熱泵所使用。另外，當(dāng)使用污水作熱源時(shí)，每萬平方米建筑約需污水量100噸/小時(shí)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?jí)蛞粭澖ㄖ�采暖用；因此，很多想采用污水源熱泵系統(tǒng)的建筑者因附近找不到足量的污水水源而抱憾放棄。

經(jīng)常遇到的水源溫度過低，或者水量不足這兩個(gè)問題引發(fā)了提取冷水凝固熱的需求。一公斤水結(jié)冰時(shí)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(qū)包括東北、西北嚴(yán)寒地區(qū)在嚴(yán)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(shí)，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(yīng)本棟樓采暖。

 

    由于污水源熱泵空調(diào)是近幾年才得以廣泛發(fā)展的新技術(shù)，因此其系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)所有的設(shè)計(jì)者來說都是新問題。我公司成員近五年來通過大量的實(shí)驗(yàn)室研究與工程實(shí)踐的總結(jié)，取得了一些寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)中必然遇到的新問題有：

 

    6.1 系統(tǒng)形式的選擇

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

    冬夏功能是水側(cè)切換還是機(jī)側(cè)切換？

 

    6.2取水與排水

    考慮到污水源水面標(biāo)高、機(jī)房標(biāo)高、水壓分布、排氣等因素開式污水環(huán)路的設(shè)計(jì)計(jì)算及設(shè)備選型問題。

    管路與管路設(shè)備的材質(zhì)與選型。

 

     6.3 工況

    污水環(huán)路、中介水環(huán)路、制冷劑環(huán)路和冷凍水環(huán)路中各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)溫度，與壓強(qiáng)，環(huán)路中介質(zhì)流量的合理確定。此項(xiàng)工作與系統(tǒng)的運(yùn)行效果及綜合能耗關(guān)系極大。

 

     6.4 污水換熱器

    由于污水的黏度比清水大數(shù)倍，為防堵塞與污染又不可采用適用于清水的加強(qiáng)換熱的通常措施，清水換熱器設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)已完全不可用于污水。污水換熱器的阻力與傳熱系數(shù)必須根據(jù)水質(zhì)報(bào)告和基礎(chǔ)的阻力與換熱計(jì)算公式從頭計(jì)算。流程數(shù)及逆流安排也完全是新問題。

 

    原西德博士。哈爾濱工業(yè)大學(xué)教學(xué)名師、教授、博士生導(dǎo)師。哈工大學(xué)位委員會(huì)委員，暖通專業(yè)科學(xué)帶頭人。曾長期擔(dān)任全國高等院校建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)副主任及該專業(yè)評(píng)估委員會(huì)副主任。已培養(yǎng)出博士十二名，碩士四十余名，主持或參加完成多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金、黑龍江省科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目以及大量社會(huì)科技服務(wù)項(xiàng)目，發(fā)表科學(xué)論文百余篇，出版了獨(dú)著的高等傳熱學(xué)研究生教材。2003年主持技術(shù)建成世界首個(gè)原生污水源熱泵工程，研究的“城市污水熱能資源化”項(xiàng)目獲得“世界首創(chuàng)，國際領(lǐng)先”的鑒定評(píng)語。

 

 

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)