基于凝固熱采集的非清潔水源熱泵技術(shù)

錢劍峰 李麗娜 徐 瑩 鄭大宇

基于凝固熱采集的非清潔水源熱泵技術(shù)

錢劍峰 李麗娜 徐 瑩 鄭大宇

哈爾濱商業(yè)大學能源與建筑工程學院

非清潔水源熱泵技術(shù)是今后水源熱泵發(fā)展的重點之一。在綜述城市污水源熱泵和地表水源熱泵兩類非清潔水源熱泵的國內(nèi)外應(yīng)用與研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對其供熱高峰負荷工況中存在供熱量不足進行了闡述，指出采集非清潔水源中蘊含的巨大凝固潛熱是緩解建筑用能及其環(huán)境問題的一種有效方法，進而開發(fā)了相應(yīng)的采集凝固熱換熱裝置，并針對裝置與系統(tǒng)運行特性的研究進行了展望。

非清潔水源熱泵凝固熱換熱裝置運行特性

0 引言

在能源與環(huán)境問題日益嚴峻的今天，節(jié)能減排，實現(xiàn)低碳經(jīng)濟，開發(fā)和利用新型能源，成為各國發(fā)展目標和關(guān)注重點。江河、湖泊等地表水和城市污水是兩類數(shù)量巨大、極引人注目的非清潔水源（本文主要指江河、湖泊及城市污水）熱泵冷熱源。本文綜述了非清潔水源熱泵的國內(nèi)外應(yīng)用與研究現(xiàn)狀，提出一種新型的采集凝固熱熱泵技術(shù)，開發(fā)了相應(yīng)的凝固熱采集換熱裝置，并就該技術(shù)進行了展望，以期得到發(fā)展應(yīng)用。

1 國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 城市污水源熱泵

國外對污水源熱泵的研究始于上個世紀的中期，英國牛津大學努菲爾德學院在1954年就建造了一臺小型的污水源熱泵系統(tǒng)[1]。以歐美、日本等發(fā)達國家于上個世紀80年代就開始了污水源熱泵領(lǐng)域的研究，并展開了一系列的污水冷熱資源熱能回收利用嘗試和應(yīng)用效果評價[2～5]。典型實例是挪威奧斯陸1980年開始建設(shè)利用未處理的城市原生污水作為熱源熱泵站，1983年投入使用，系統(tǒng)工藝為淋水式，如圖1所示[6]。瑞典1981年開發(fā)的污水源熱泵系統(tǒng)在斯德哥爾摩Sala鎮(zhèn)投入運行[7]，該系統(tǒng)采用污水熱能直接提取方式，城市污水經(jīng)凈化后噴淋到管束式蒸發(fā)器上，污水在管外與管內(nèi)工質(zhì)直接換熱，沒有中介水系統(tǒng)[8]。北歐國家的污水源熱泵系統(tǒng)主要都是采用這種直接提取方式。為解決污水的提取和除污問題，北歐進行了很多研究，早期主要采用機械過濾和沉淀技術(shù)，近些年來又發(fā)明了格柵式傳送帶和四通換向反沖洗技術(shù)，廣泛應(yīng)用于大型污水源熱泵系統(tǒng)。

圖1 直接取水式污水源熱泵系統(tǒng)

日本是亞洲利用和研究污水源熱泵系統(tǒng)較早的國家之一。1994年7月，東京市文京區(qū)后樂一丁目地區(qū)（Koraku 1-chome）區(qū)域污水源熱泵系統(tǒng)是日本第一次利用未處理的城市原生污水作為供熱供冷的熱源/熱匯[9]；東京的污水冷熱資源的回收計劃中，12套污水源熱泵系統(tǒng)如今已投入使用，4套使用污水泵站的經(jīng)沉淀處理的城市污水作為熱源，另8套使用二級或三級出水。使用處理或者未處理污水總量每天達70000m3，運行相比傳統(tǒng)的電制冷與燃油鍋爐，污水源熱泵系統(tǒng)可以節(jié)約25%左右的初投資和40%左右的運行費用，節(jié)能效益比較明顯[10]。日本研發(fā)的污水自動清污過濾裝置，很大程度上保證了污水取水與除污過程的連續(xù)運行。德國、韓國、俄羅斯、美國等國家也在不斷地開展污水冷熱資源的研究與分析，并且在許多項目中得到了應(yīng)用。表1為國外污水源熱泵部分典型工程實例。

表1 國外污水源熱泵部分典型工程實例

我國對污水源熱泵的研究起步相對比較晚，直到上個世紀的90年代才開始受到重視，但目前也已經(jīng)取得了一定的理論研究和實踐應(yīng)用成果。哈爾濱工業(yè)大學的孫德興等在污水源熱泵理論領(lǐng)域開展研究，完成了“城市原生污水源熱泵空調(diào)”成套技術(shù)[11～12]，包括國家專利技術(shù)產(chǎn)品6項，推動了我國城市污水源熱泵的應(yīng)用與發(fā)展；大連理工大學張吉禮等提出開式循環(huán)集成式污水取水裝置，促進了污水源熱泵技術(shù)的發(fā)展[13]；大連理工大學畢海洋開發(fā)了旋轉(zhuǎn)板式自動除污取水裝置和旋轉(zhuǎn)筒式自動除污取水裝置，提高了污水換熱效率。他通過研究污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱過程中的污垢特征和垢層的力學性能，得出垢層在碰撞應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用下容易脫落的結(jié)論，進而提出污水源熱泵系統(tǒng)取水換熱過程的流化除垢與強化換熱方法，為解決污水源熱泵的防污、除污和強化換熱問題提供了新思路[14]。

在污水的冷熱源性質(zhì)方面，哈爾濱工業(yè)大學徐瑩等人以原生污水為研究對象，采用理論推導與實驗相結(jié)合的方法對城市污水在圓管中層流和紊流的流動特性進行分析和研究，得出可以通過臨界廣義雷諾數(shù)進行判別污水流態(tài)[15]。哈爾濱工業(yè)大學的吳榮華等人以城市原生污水為對象，分析出了5個流量分區(qū)，給出了污水管內(nèi)流動換熱特性的準則關(guān)系式[16]。

在工程實際應(yīng)用方面，隨著我國在污水源熱泵領(lǐng)域探索的不斷深入，已經(jīng)有不少的污水源熱泵已投入了使用。2001年我國第一套污水源熱泵系統(tǒng)在北京高碑店污水處理廠投入使用，隨后哈爾濱，沈陽、廣州、秦皇島等城市相繼建立了污水源熱泵項目[17～23]。表2列舉了我國國內(nèi)部分污水源熱泵典型項目的情況。

表2 國內(nèi)部分污水源熱泵典型項目

1.2 地表水源熱泵

在地表水源熱泵技術(shù)的研究和應(yīng)用方面，國外開展得比較早。20世紀80年代末，美國的學者Kavanaugh提出只要設(shè)計安裝合理，地表水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有非常良好的性能[24]。隨后Kavanaugh等人在1991年的研究中指出地表水源熱泵由于采用了江、河、湖水為熱源和熱匯，水源溫度冬暖夏涼，熱傳遞特性良好，比空氣源熱泵具有更多優(yōu)勢[25]。2003年，土耳其的Büyükalaca等人對Seyhan河作為熱泵熱源的可行性作了調(diào)查及實驗研究，建立了模型來模擬湖體溫度分布，以研究水或冰層與大氣間的熱交換以及垂向水體內(nèi)部的熱交換[26]。目前，北歐地表水源熱泵已經(jīng)實現(xiàn)了規(guī)模化應(yīng)用，他們的研究主要集中在熱泵機組的優(yōu)化設(shè)計和工程應(yīng)用上。北美、日本也都在極力推動先進、高能效、對環(huán)境影響小的熱泵系統(tǒng)研制[27]。這些研究同時也促進了熱泵技術(shù)的大面積的推廣，其中典型的應(yīng)用實例有：Cornell大學建成了一個利用湖水供冷的工程[28]。如圖2所示，抽取大學附近Cayuga湖底層溫度較低的湖水，通過中間的熱交換站換熱后，為Cornell大學提供7℃的空調(diào)冷媒水，供冷能力達到63306kW；多倫多市在2004年利用安大略湖83m，常年溫度保持在約4℃湖水作為市中心建筑的直接冷源，為市中心地區(qū)的1000萬m2、大約8000棟的樓房供冷，與傳統(tǒng)空調(diào)相比，可節(jié)約75%～80%電量[29～30]。

圖2 Cornell大學湖水供冷工程示意圖

我國在地表水源熱泵領(lǐng)域的研究和應(yīng)用起步較晚[31]。國內(nèi)學者提出了大量關(guān)于水溫分布的經(jīng)驗法，其中以朱伯芳提出的類比法最具代表性[32]。上世紀80年代我國引進了麻省理工學院研制的一維垂向模型（MIT模型），同時以該模型為基礎(chǔ)進行優(yōu)化[33]。上世紀90年代，陳小紅利用二維模型計算水庫水溫[34]。陳永燦等運用分層三維模型來模擬水庫的水溫和水質(zhì)，結(jié)果較為理想[35]。2009年范亞明針對湖庫塘開式水源熱泵系統(tǒng)的取排水方式，研究湖庫塘水溫變化規(guī)律、供冷能力以及系統(tǒng)性能問題[36]。目前，清華大學、天津大學、重慶大學、中國科學院廣州能源研究所等多家大學和研究機構(gòu)都在對地表水源熱泵技術(shù)進行研究。我國地表水資源豐富，尤其是南方地區(qū)，有著眾多江河湖泊。湖泊大多地處城市郊區(qū)或更偏遠的地方，而市區(qū)江水、河水資源卻十分豐富，因此，工程應(yīng)用方面，地表水源熱泵系統(tǒng)以江水源、河水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用更為廣泛。截至2010年，已有株洲、南京、福州、洛陽、威海等40余個城市獲評為國家可再生能源建筑應(yīng)用示范城市，地表水水源熱泵系統(tǒng)享受政府專項補貼，相信會為地表水水源熱泵系統(tǒng)的我國的進一步推廣打下堅實基礎(chǔ)[37]。

2 凝固熱利用的相關(guān)研究

目前對凝固熱的利用多用于冰蓄冷技術(shù)，與采集凝固熱的熱泵技術(shù)相比，其凝固機理方面是相似的，因而冰蓄冷技術(shù)的研究是有參考價值的。當前動態(tài)蓄冷領(lǐng)域的研究熱點是冰漿制取技術(shù)[38]。冰漿的制取方法主要有兩類：一類采用直接熱交換使冰晶在某一表面接觸生成，目前的主要方式有過冷法、真空法和直接接觸法；另一類采用壁面間接冷卻形式使冰晶不在某一表面形成，主要方式有刮削法、流化床法、熱融法和彈性變形法。

在實際工程中得到實際應(yīng)用的是過冷法和壁面刮削法，其它方法則處于理論研究和實驗階段。壁面刮削式裝置性能穩(wěn)定，制冰效率較高，不會出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象，但由于系統(tǒng)復雜和采用易損的刮削裝置，價格昂貴且能效較低，換熱面積和換熱量都受限制；過冷式裝置主要在日本得以商用，如采用過冷水制冰技術(shù)的京都火車站項目，空調(diào)面積達到238,000m2[39]，過冷式裝置結(jié)構(gòu)簡單且系統(tǒng)造價較低，但經(jīng)過過冷器一次冷卻后的IPF為2%，故達到一定IPF，水泵的能耗較高，導致系統(tǒng)的能耗比減小，而且過冷器內(nèi)結(jié)冰發(fā)生過于頻繁，存在隨機性，冰堵發(fā)生頻繁，必要的融冰措施降低了系統(tǒng)的可靠性和能效。

3 采集凝固熱熱泵技術(shù)

地表水、城市污水等環(huán)境水源是良好的可再生冷熱源,但這兩類環(huán)境水源熱泵技術(shù)在供熱工況都存在弱點：在冬季，我國的地表水溫度都很低，而且地表水溫度降低時，建筑物的熱負荷也將增大；而對于城市污水源熱泵系統(tǒng)，容易出現(xiàn)毗鄰所需供熱建筑的污水干渠的污水量不足的情況，使得高峰負荷時供熱量不能滿足用戶要求。而相對于有限顯熱，環(huán)境水源中還存在著巨大凝固潛熱，水釋放的凝固熱可達相同水量降溫1℃放熱量的80倍，提取1 t水的凝固熱，大約可獲得燃燒27kg煤的有效熱能，并減排二氧化碳80kg。所以若采集地表水或污水等這類非清潔的環(huán)境水源的凝固熱技術(shù)得以完善，則可用以取代燃煤鍋爐為建筑物供熱，減少礦物能源的匱乏與隨之而來的嚴重環(huán)境問題[40]。

采集凝固熱技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備是凝固換熱器。由于采集凝固潛熱時會在換熱管內(nèi)產(chǎn)生冰結(jié)晶，若不及時刮除將會影響換熱器效率。所以所需的凝固換熱器需要能夠去除換熱管內(nèi)的冰晶。筆者設(shè)計了一種鏈式傳動除冰的凝固換熱器（已獲專利[41]，示意圖如圖3）。它能夠通過電動機帶動除冰封頭內(nèi)的除冰齒輪轉(zhuǎn)動（如圖4），從而帶動在換熱管內(nèi)的除冰桿自轉(zhuǎn)來刮除換熱管內(nèi)的冰結(jié)晶。該換熱器不僅可以連續(xù)除冰、排冰及采集凝固熱而且還可以去除換熱管內(nèi)的污垢。

圖3 一種鏈式傳動除冰的凝固換熱器示意圖

圖4 除冰封頭剖面圖

以后將對凝固換熱器試件進行換熱特性實驗研究和數(shù)值模擬來分析換熱器運行特性。并以某一湖水為例建立相應(yīng)的采集凝固熱熱泵系統(tǒng)，在實測冬季湖水溫度基礎(chǔ)上，模擬分析其供熱潛力，對系統(tǒng)全年運行性能及節(jié)能減排效益進行評價。

4 結(jié)論與展望

能源和環(huán)境問題已經(jīng)成為我國十分緊迫和現(xiàn)實的問題之一。通過開發(fā)非清潔水源中蘊含的巨大凝固潛熱，已顯現(xiàn)出其解決礦物能源匱乏和隨之而來的嚴重環(huán)境問題的優(yōu)勢。目前采集凝固潛熱的關(guān)鍵設(shè)備是凝固換熱器。因而筆者開發(fā)了一種新型的鏈式傳動除冰的凝固換熱器，旨在提高凝固換熱器的換熱效率，為非清潔水熱能資源得到有效利用提供理論基礎(chǔ)和指導作用。鑒于非清潔水源中蘊含的巨大凝固潛熱和新型凝固換熱器的設(shè)計開發(fā)，將使非清潔水源熱泵技術(shù)擁有廣泛的應(yīng)用前景。

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Non-c le a n Wa te r Sourc e He a t Pum p Te c hnology w ith Fre e zing La te nt He a t Colle c tion

QIAN Jian-feng,LI Li-na,XU Ying,ZHENG Da-yu
School of Energy&Civil Engineering,Harbin University of Commerce

Non-clean water source heat pump is one of the key points of the development of the water source heat pump in the future.On the review of non-clean water source heat pump that it includes the city sewage source heat pump and surface water source heat pump application and research situation at home and board,state the heat capacity is not enough at heating peak load,point out that non-clean water contain the tremendous freezing latent heat,collect the freezing latent heat is an effective way to relieve building energy and environmental issues,and then developed the corresponding heat exchanger device of collection freezing latent heat,look forward to the study of the device and the operating characteristics of system.

non-clean water source heat pump,freezing latent heat,heat exchanger device,operating characteristics

1003-0344（2014）04-036-5

2013-5-13

錢劍峰（1979～），男，博士后，副教授；哈爾濱商業(yè)大學能源與建筑工程學院（150028）；E-mail:qianjianfeng2002@163.com

哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項基金（2013RFQXJ129）；國家青年科學基金項目（51208160）；黑龍江省教育廳科學技術(shù)研究項目（12541196）