摘要：城市污水源熱泵中央空調技術是我國當前各類熱泵技術中發展和應用前景最被看好的一類技術，節能減排效果顯著。本文簡要介紹了污水源熱泵空調技術在國內外的發展現狀，分析了污水源熱泵空調技術的技術特點和優勢，總結了污水源熱泵空調技術在應用中存在的問題。
　　關鍵字：城市污水;水源熱泵;空調技術
　　一、前言
　　今天，可持續發展已經成為熱門話題，環境因素作為可持續發展三要素之一，已引起各個方面的關注�？沙掷m發展意味著維護、合理使用并且提高自然資源基礎，意味著在發展計劃和政策中納入對環境的關注和考慮。用熱泵系統回收城市污水中的熱能，既開發了一種清潔能源，同時又降低了城市廢熱的排放，保護了環境。開展城市污水熱能利用技術的研究，是一項具有節能和環保意義的應用技術研究。
　　城市污水源熱泵中央空調技術是利用污水處理廠出水量大，水質穩定，常年溫度在13℃至25℃等特點，以污水作為熱源進行制冷、制熱循環的一種空調裝置。污水源熱泵具有熱量輸出穩定、COP值高、換熱效果好、機組結構緊湊等優點，是實現污水資源化的有效途徑。污水源熱泵比燃煤鍋爐環保，污染物的排放比空氣源熱泵減少40%以上，比電供熱減少70%以上。它節省能源，比電鍋爐加熱節省2/3以上的電能，比燃煤鍋爐節省1/2以上的燃料。由于污水源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，其制冷、制熱系數比傳統的空氣源熱泵高出40%左右，其運行費用僅為普通中央空調的50%-60%。因此，污水源熱泵有著廣闊的應用前景，但其使用還需解決以下問題：清潔技術的選擇、系統形式的選擇、污水源水溫、流量的問題以及其保證性和經濟性問題。
　　二、國內外發展現狀
　　北歐國家發展污水源熱泵空調技術開發和規模目前在國際上處于領先地位。1983年挪威的第一個城市污水源熱泵系統在奧斯陸SkøyenVest投入運行。從污水熱能提取方式看，北歐國家以污水熱能直接提取方式為主，城市污水經過過濾后直接噴淋或進入熱泵機組蒸發器，該方式換熱效果好，污水熱能輸送能耗低。從換熱設備防堵塞技術看，北歐國家早期主要采用機械過濾(或篩分器)和沉淀技術，近幾年格柵式傳送帶和四通換向反沖洗技術在大型污水源熱泵中開始應用。從污水換熱設備形式看，北歐國家早期采用噴淋式管束式或板式換熱器，隨著污水防堵塞技術的成熟，大型殼管式污水換熱器的應用越來越多，并成為主導換熱器形式。如今，污水源熱泵空調技術在北歐國家已經得到大規模應用，技術發展成熟且處于國際領先地位。
　　日本是亞洲利用城市污水熱能較早的國家，其污水源熱泵技術在國際上取得了突破性進展。與北歐國家污水源熱泵技術相比，日本污水源熱泵技術突出的特點在于針對城市原生污水在堵塞和換熱過程中的特殊性，開發了閉式污水自動清污過濾器和開式自動旋篩過濾器，保證了城市污水取水的連續性和穩定性;開發了內置滑動毛刷的、具有能夠實現換熱管內污水流向自動換向功能的自清洗污水換熱器，減小了因污水中的污雜物在換熱管內的沉積而帶來的換熱器換熱效率降低的問題，提高了污水換熱器的換熱效率。
　　我國早在80年代末就開始關注國外污水源熱泵技術的研究與應用進展。首例城市污水源熱泵系統到2000年才在北京高碑店污水處理廠成功示范。此后，北京、秦皇島、石家莊等地相繼建成污水源熱泵系統，但上述工程均采用污水廠二級污水(水質好、污雜物含量低)為低位熱源，沒有解決污水取水過程中的污雜物堵塞問題。真正對我國城市污水源熱泵空調技術的應用和發展起到重大推動作用的研究，是哈爾濱工業大學完成的城市原生污水熱能資源化工藝與技術，該技術于2003年9月份開始應用于哈爾濱望江賓館，成功運行兩年后，被成果鑒定委員會評價為“世界首創，國際領先”。2007年，在山東諸城華元大廈開發應用的太陽能輔助污水源熱泵供熱空調技術與節能建筑一體有機結合，更是對太陽能技術、污水源熱泵空調技術和建筑節能技術綜合應用的成功探索。
　　三、技術特點與優勢
　�。ㄒ唬┘夹g特點
　　城市污水源熱泵中央空調技術的技術狀況和經濟性與熱源的特點密切相關。對熱泵系統來說，理想的熱源應具有以下特點：在供熱季有較高且穩定的溫度，可大量獲得，不具有腐蝕性或污染性，有理想的熱力學特性，投資和運行費用較低。在大多數情況下，熱源的性質是決定其使用的關鍵。
　　污水源熱泵空調技術采用污水作為水源熱泵的熱源，它具有以下特點：產生量大，幾乎全年保持恒定的流量；夏季溫度低于室外溫度，冬季高于室外溫度，而且在整個供暖季和供冷季，水溫波動不大；含有大量的熱能，據估計，城市社區產生的廢熱40%含在污水中。因此，污水與熱泵一起使用為區域供熱供冷提供一種理想的熱源。
　　污水源熱泵空調系統其供暖系統原理和普通水源熱泵相同，主要由壓縮機、冷凝器、蒸發器和節流機構構成一個最簡單的蒸汽壓縮式熱泵裝置作為供熱系統的熱源。它通過蒸發器從污水中吸取熱量Qe，在冷凝器中放出熱量Qc（Qc=Qe+W）供給供熱系統。這種供熱系統只要消耗少量的電能W,便可得到滿足房間供熱所需要的熱量Qc。
　　污水源熱泵空調系統按照其使用的污水的處理狀態可分為以未處理過的污水作為熱源的污水源熱泵系統和以二級出水或中水作為熱源的污水源熱泵系統；根據污水與熱泵的熱交換部分是否直接進行熱交換，可分為間接利用系統和直接利用系統；從工況轉換方式上看，大體可分為兩種：一種是通過四通換向閥的換向來實現制熱工況和制冷工況的轉換；另一種是水切換式，即通過閥門改變水流方向來實現工況轉換。
　　（二）節能減排優勢
　　污水源熱泵中央空調技術的節能效果，首先表現在一次能源利用效率上。由于城市污水溫度比室外空氣溫度、地下/表水溫度、土壤溫度、海水溫度等更有利于減小熱泵制冷熱力循環溫區，從而使得污水源熱泵空調技術的制熱和制冷性能都高于其它熱泵系統，其節能效果和運行費用也較其它冷熱源具有更大的優勢。其次體現在節約空調冷卻水方面。在夏季空調運行時，由于污水源熱泵空調技術不需要常規空調冷卻塔，而采用城市污水直接或間接帶走熱泵機組在實現建筑空調降溫時所產生的大量冷凝熱，從而節省了大量的冷卻水資源，具有顯著的節約水資源的效果。
　　污水源熱泵空調技術的減排效果主要體現在以下兩個方面。首先，減少了CO2、SO2、NOx、粉塵等污染物的排放量，具有顯著的減少大氣污染、減少溫室氣體排放的環境效益。其次，污水源熱泵空調技術在夏季具有較大的建筑物廢熱減排效果。夏季，大量的建筑內部廢熱通過不同的形式排向建筑室外環境，加劇了城市熱島效應。研究表明，城市內部環境溫度比城市周圍環境溫度高1-5ºC甚至10ºC以上，城市熱島效應加劇了城市高溫出現的頻率和高溫災害，不僅惡化了城市環境，而且又反過來增大了建筑空調負荷和空調耗電，造成民眾生活、城市建筑和城市環境的惡性循環。污水源熱泵空調技術在夏季可以將大量的建筑內部廢熱直接排放到城市污水中、而不是通過冷卻塔或空調室外機組排放到建筑室外環境中，具有顯著地降低城市“熱島效應”的廢熱減排效果。
　　四、問題分析
　　污水取水和換熱是污水源熱泵空調技術中的關鍵問題。在污水取水技術上，我國已形成具有自主知識產權的多種污水取水技術，成功地解決了城市原生污水和污水廠二級處理污水取水問題。在污水換熱技術上，我國則剛剛起步，許多問題亟待解決。
　　首先，從污水換熱器結構設計的角度，由于城市污水的非牛頓特性和復雜性，其黏度特性的測定非常困難，污泥污垢導熱性能也難以測試，因此增加了污水換熱器的設計難度，在設計污水換熱器時目前只能進行估算，黏度取清水的10倍以上。
　　其次，從污泥污垢對換熱性能的影響看，由于污水中小尺度污雜物濃度高，極易在換熱管內外表面沉積形成粘性污泥層，一臺新的污水換熱器在實際運行1周后，污泥層熱阻將達到最大值，此時人們在換熱管及強化換熱技術方面所做的任何努力都毫無意義；另外，根據對已運行多年的具有中介水系統的污水源熱泵系統的現場測試發現，夏季運行時污水和中介水之間的換熱溫差高達15℃以上，這也說明了換熱器污水側污泥污垢淤積嚴重，這也導致夏季熱泵機組冷卻水(即中介水)平均溫度過高，有的高達45℃，遠遠高于當地濕球溫度，這樣夏季污水源熱泵實際運行能耗將高于冷卻塔冷卻的制冷系統。
　　再次，從國內外現有強化換熱技術看，污水側換熱管內置毛刷和彈簧的清污方法盡管提高了污水換熱效率，但也增加了內置物被污泥粘住、發生換熱管路堵塞的問題;循環流化床除污和強化換熱技術也存在長期運行后清污小球是否被污泥粘住、不能繼續工作的問題。而對于城市污水在管外強化換熱的問題，目前國內外基本處于空白狀態。
　　另外，從污水源熱泵技術發展過程中人們的工作重點看，人們普遍重視該技術工程應用類問題的研究和開發，而對污水取水換熱過程中污水流動特性、污泥污垢生長和去除、污水換熱和強化換熱等關鍵基礎性問題的研究僅處于剛剛起步階段，而該類問題的研究和解決必將是解決上述工程應用問題的前提和基礎。
　　因此，污水換熱器污水側除污與強化換熱是目前污水源熱泵技術在解決穩定取水問題后，又一個迫切需要解決的關鍵問題，它直接關系到污水源熱泵空調技術在全年運行能耗的高低，關系到該項技術的實際節能效果，關系到污水換熱設備結構大小和設備投資，關系到污水源熱泵空調技術進一步的推廣應用。
　　五、結語
　　城市污水源熱泵中央空調技術因其各方面的優勢顯著，是當前各類熱泵技術發展和應用前景最被看好的一種。開發利用城市污水低位熱能資源，降低建筑冬季采暖、夏季空調和生活熱水供應對燃料能源資源的消耗，對促進我國建設節約型社會、節約能源、保護環境具有重要的社會發展意義，對促進人與建筑、人與城市環境、建筑與環境的和諧并存和可持續發展具有重要的建筑科學學術發展意義。
　　
　　參考文獻：
　　[2]吳榮華，孫德興，張成虎等.城市污水源熱泵的應用與研究現狀.哈爾濱工業大學學報，2006
　　[3]吳學慧，孫德興.城市原生污水源熱泵經濟性分析.暖通空調，2007
　　[4]崔福義，李曉明，周紅，污水源熱泵供熱空調的技術經濟分析，節能技術，2005