234开发水源技术–解决热泵发展瓶颈问题.docVIP

开发水源技术，解决热泵发展的瓶颈问题 哈尔滨工业大学 孙德兴 张承虎 吴荣华 刘志斌 择 要：城市污水与江、河、湖、海等天然水体中蕴含着极大量的环境能源，大力开发他们将为国家乃至世界的能源结构带来革命性的变化。迄今为止障碍水源热泵推广应用的瓶颈是水源的匮乏，而实际上上述数量浩大的各类水体均可作为水源热泵的冷热源。说明利用这些水源的技术关键是克服不良水质对换热设备的堵塞、腐蚀与污染问题，给出克服这些问题的一些有效的方法。 关键词：新水源 环境能源 热泵 关键技术 水源热泵技术是既节能，又环保供暖、空调的理想技术[1、2]3kg以上[4]，此外还有大量粉尘、等各种有害物质。节省了燃煤，自然就避免了相应的大气污染。另外，热泵的应用过程无排渣，不排烟，纯属清洁能源。 城市污水与江、河、湖、海等天然水体中蕴含有极大量的环境能源 全国城市污水的排放总量约在500亿吨/年左右[5、6、7]。仍以可降温5℃提取的显热估算，它相当于0.5亿吨燃煤的化学热值。当然由于主、客观各方面的原因，它不可能被完全地开发，但从技术与客观条件方面看，可开发量至少应在10%以上[8]。 全国江、河、湖、海等天然水体中的总水量可用无穷大来形容[1]。这些水体中有多少热能可开采是一个与技术有关的问题。笔者于2005年12月底派人实际调查了我国部分地区地面水体的温度情况，如下表1所示。 表中数据表明，这些天然水体在冬季最冷时段都已接近0℃。受冰点的限制，如果说4-5℃的水采用大水量的方法勉强还可用来提取一点显热的话，从2℃的水中提取显热就不再具有工程上的可行性。 这些情况引发了提取冷水凝固热的需求。一公斤水结冰时释放的凝固热为80千卡，而一公斤水降温一度人们才获取1千卡热量[9、10]。 若能开发出提取冷水凝固热的热泵机组，则我国广大地区包括东北、西北严寒地区在严寒的冬季就有了取之不尽，用之不竭的水源热源，所有天然水体封冻表面以下的江、河、湖水全都可以成为水源热泵的热源[1]。在采用城市污水作热源时，将不再存在建筑物附近水量不足的问题。用提取凝固热的方法，本栋楼排放生活污水中所含的热能将可绰绰有余地供应本栋楼采暖。如果提取冷水凝固热的技术成熟，用水源热泵在全国完全取代燃煤为建筑物供热在水源方面将不再存在量的问题。 表1 我国部分地区地面水冬季最低水温（℃） 地区 地面水体名称 水温 天津 海河4m深处 2 北京 护城河1.5m深处 2 西安 产河2m深处 4.5 上海 西沟河3.5m深处 4 上海 黄浦江江边 5 杭州 护城河与京杭大运河4m深处 5 南京 秦淮河2m深处 4.5 不良水质对换热设备的堵塞、腐蚀与污染问题是障碍水源热泵发展的瓶颈 与机组主机相关的技术与制冷技术同生共存，已有上百年历史，虽还在不断改进，但不存在技术障碍。真正存在的问题是不良水质在换热过程中可能引发的各种问题。 堵塞问题 通常概念下的换热设备都是紧凑的，无论板式，壳管或螺旋板式，都属于紧凑式换热 器（compact heat exchanger）。不良水质的水进入这类换热器，自然会引起堵塞问题[11]。 笔者在实际工程中作过的试验表明，将城市污水干渠中的原生污水引入常规的壳管换热器，换热器内特别是封头部分将在很短的时间内被堵塞[12]。从江、河、、湖、海中引来的天然水，虽然其水质要比城市污水好许多，但仍不能避免堵塞问题。假定每立方米水中只有一片树叶或其他大尺度污杂物，当工程的运行流量在每小时数百或上千吨时，长时间运行，污杂物的总量对换热器的堵塞是足够足够的。 进行给排水专业意义上的水处理是不可行的。实施任何该类水处理措施每吨水都需花费几元钱。附带说明，国外的某些利用城市污水作热泵热源的技术，走的就是这条传统路线，因此他们方案的初投资与运行费用都极高。实际上，每吨水中的可提取热能按普通的热价计算仅值几角钱，且这个效益不全属于污水，因为为获取这个效益还必须投入许多设备，耗费一定的电能[13]。 可靠，经济地解决无堵塞换热问题是开发上述诸多水源作热泵冷热源的关键。 腐蚀与污染问题 就暖通空调所用水源热泵而言，不良水质对换热设备腐蚀与污染问题的严重性在一些 专业人士的心目中往往被夸大了。实际上地面的自然水和城市污水对换热设备的腐蚀与污染问题在实际工程中都不很显著。 首先，关于腐蚀问题，城市的生活污水虽然水质极差，但其PH值却近似为7。地面水的酸碱度也近似为中性。这就决定了它们对碳钢的腐蚀不会很严重，特别是在密闭运行的情况下（不暴露大气）[14]。 同腐蚀问题一样，当水质较差或很差时，对换热表面的污染也是不可避免的。污染带来的直接影响是换热热阻增大，换热效果降低。据笔者的工程实践数据总结，使用城市原生污水壳管换热器的传热系数，在经历一个采暖季运行后