钱剑峰 李丽娜 徐 莹 郑大宇

基于凝固热采集的非清洁水源热泵技术

钱剑峰 李丽娜 徐 莹 郑大宇

哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院

非清洁水源热泵技术是今后水源热泵发展的重点之一。在综述城市污水源热泵和地表水源热泵两类非清洁水源热泵的国内外应用与研究现状的基础上，对其供热高峰负荷工况中存在供热量不足进行了阐述，指出采集非清洁水源中蕴含的巨大凝固潜热是缓解建筑用能及其环境问题的一种有效方法，进而开发了相应的采集凝固热换热装置，并针对装置与系统运行特性的研究进行了展望。

非清洁水源热泵凝固热换热装置运行特性

0 引言

在能源与环境问题日益严峻的今天，节能减排，实现低碳经济，开发和利用新型能源，成为各国发展目标和关注重点。江河、湖泊等地表水和城市污水是两类数量巨大、极引人注目的非清洁水源（本文主要指江河、湖泊及城市污水）热泵冷热源。本文综述了非清洁水源热泵的国内外应用与研究现状，提出一种新型的采集凝固热热泵技术，开发了相应的凝固热采集换热装置，并就该技术进行了展望，以期得到发展应用。

1 国内外研究与应用现状

1.1 城市污水源热泵

国外对污水源热泵的研究始于上个世纪的中期，英国牛津大学努菲尔德学院在1954年就建造了一台小型的污水源热泵系统[1]。以欧美、日本等发达国家于上个世纪80年代就开始了污水源热泵领域的研究，并展开了一系列的污水冷热资源热能回收利用尝试和应用效果评价[2～5]。典型实例是挪威奥斯陆1980年开始建设利用未处理的城市原生污水作为热源热泵站，1983年投入使用，系统工艺为淋水式，如图1所示[6]。瑞典1981年开发的污水源热泵系统在斯德哥尔摩Sala镇投入运行[7]，该系统采用污水热能直接提取方式，城市污水经净化后喷淋到管束式蒸发器上，污水在管外与管内工质直接换热，没有中介水系统[8]。北欧国家的污水源热泵系统主要都是采用这种直接提取方式。为解决污水的提取和除污问题，北欧进行了很多研究，早期主要采用机械过滤和沉淀技术，近些年来又发明了格栅式传送带和四通换向反冲洗技术，广泛应用于大型污水源热泵系统。

图1 直接取水式污水源热泵系统

日本是亚洲利用和研究污水源热泵系统较早的国家之一。1994年7月，东京市文京区后乐一丁目地区（Koraku 1-chome）区域污水源热泵系统是日本第一次利用未处理的城市原生污水作为供热供冷的热源/热汇[9]；东京的污水冷热资源的回收计划中，12套污水源热泵系统如今已投入使用，4套使用污水泵站的经沉淀处理的城市污水作为热源，另8套使用二级或三级出水。使用处理或者未处理污水总量每天达70000m3，运行相比传统的电制冷与燃油锅炉，污水源热泵系统可以节约25%左右的初投资和40%左右的运行费用，节能效益比较明显[10]。日本研发的污水自动清污过滤装置，很大程度上保证了污水取水与除污过程的连续运行。德国、韩国、俄罗斯、美国等国家也在不断地开展污水冷热资源的研究与分析，并且在许多项目中得到了应用。表1为国外污水源热泵部分典型工程实例。

表1 国外污水源热泵部分典型工程实例

我国对污水源热泵的研究起步相对比较晚，直到上个世纪的90年代才开始受到重视，但目前也已经取得了一定的理论研究和实践应用成果。哈尔滨工业大学的孙德兴等在污水源热泵理论领域开展研究，完成了“城市原生污水源热泵空调”成套技术[11～12]，包括国家专利技术产品6项，推动了我国城市污水源热泵的应用与发展；大连理工大学张吉礼等提出开式循环集成式污水取水装置，促进了污水源热泵技术的发展[13]；大连理工大学毕海洋开发了旋转板式自动除污取水装置和旋转筒式自动除污取水装置，提高了污水换热效率。他通过研究污水源热泵系统取水换热过程中的污垢特征和垢层的力学性能，得出垢层在碰撞应力和剪应力的共同作用下容易脱落的结论，进而提出污水源热泵系统取水换热过程的流化除垢与强化换热方法，为解决污水源热泵的防污、除污和强化换热问题提供了新思路[14]。

在污水的冷热源性质方面，哈尔滨工业大学徐莹等人以原生污水为研究对象，采用理论推导与实验相结合的方法对城市污水在圆管中层流和紊流的流动特性进行分析和研究，得出可以通过临界广义雷诺数进行判别污水流态[15]。哈尔滨工业大学的吴荣华等人以城市原生污水为对象，分析出了5个流量分区，给出了污水管内流动换热特性的准则关系式[16]。

在工程实际应用方面，随着我国在污水源热泵领域探索的不断深入，已经有不少的污水源热泵已投入了使用。2001年我国第一套污水源热泵系统在北京高碑店污水处理厂投入使用，随后哈尔滨，沈阳、广州、秦皇岛等城市相继建立了污水源热泵项目[17～23]。表2列举了我国国内部分污水源热泵典型项目的情况。

表2 国内部分污水源热泵典型项目

1.2 地表水源热泵

在地表水源热泵技术的研究和应用方面，国外开展得比较早。20世纪80年代末，美国的学者Kavanaugh提出只要设计安装合理，地表水源热泵空调系统具有非常良好的性能[24]。随后Kavanaugh等人在1991年的研究中指出地表水源热泵由于采用了江、河、湖水为热源和热汇，水源温度冬暖夏凉，热传递特性良好，比空气源热泵具有更多优势[25]。2003年，土耳其的Büyükalaca等人对Seyhan河作为热泵热源的可行性作了调查及实验研究，建立了模型来模拟湖体温度分布，以研究水或冰层与大气间的热交换以及垂向水体内部的热交换[26]。目前，北欧地表水源热泵已经实现了规模化应用，他们的研究主要集中在热泵机组的优化设计和工程应用上。北美、日本也都在极力推动先进、高能效、对环境影响小的热泵系统研制[27]。这些研究同时也促进了热泵技术的大面积的推广，其中典型的应用实例有：Cornell大学建成了一个利用湖水供冷的工程[28]。如图2所示，抽取大学附近Cayuga湖底层温度较低的湖水，通过中间的热交换站换热后，为Cornell大学提供7℃的空调冷媒水，供冷能力达到63306kW；多伦多市在2004年利用安大略湖83m，常年温度保持在约4℃湖水作为市中心建筑的直接冷源，为市中心地区的1000万m2、大约8000栋的楼房供冷，与传统空调相比，可节约75%～80%电量[29～30]。

图2 Cornell大学湖水供冷工程示意图

我国在地表水源热泵领域的研究和应用起步较晚[31]。国内学者提出了大量关于水温分布的经验法，其中以朱伯芳提出的类比法最具代表性[32]。上世纪80年代我国引进了麻省理工学院研制的一维垂向模型（MIT模型），同时以该模型为基础进行优化[33]。上世纪90年代，陈小红利用二维模型计算水库水温[34]。陈永灿等运用分层三维模型来模拟水库的水温和水质，结果较为理想[35]。2009年范亚明针对湖库塘开式水源热泵系统的取排水方式，研究湖库塘水温变化规律、供冷能力以及系统性能问题[36]。目前，清华大学、天津大学、重庆大学、中国科学院广州能源研究所等多家大学和研究机构都在对地表水源热泵技术进行研究。我国地表水资源丰富，尤其是南方地区，有着众多江河湖泊。湖泊大多地处城市郊区或更偏远的地方，而市区江水、河水资源却十分丰富，因此，工程应用方面，地表水源热泵系统以江水源、河水源热泵系统的应用更为广泛。截至2010年，已有株洲、南京、福州、洛阳、威海等40余个城市获评为国家可再生能源建筑应用示范城市，地表水水源热泵系统享受政府专项补贴，相信会为地表水水源热泵系统的我国的进一步推广打下坚实基础[37]。

2 凝固热利用的相关研究

目前对凝固热的利用多用于冰蓄冷技术，与采集凝固热的热泵技术相比，其凝固机理方面是相似的，因而冰蓄冷技术的研究是有参考价值的。当前动态蓄冷领域的研究热点是冰浆制取技术[38]。冰浆的制取方法主要有两类：一类采用直接热交换使冰晶在某一表面接触生成，目前的主要方式有过冷法、真空法和直接接触法；另一类采用壁面间接冷却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、热融法和弹性变形法。

在实际工程中得到实际应用的是过冷法和壁面刮削法，其它方法则处于理论研究和实验阶段。壁面刮削式装置性能稳定，制冰效率较高，不会出现冰堵现象，但由于系统复杂和采用易损的刮削装置，价格昂贵且能效较低，换热面积和换热量都受限制；过冷式装置主要在日本得以商用，如采用过冷水制冰技术的京都火车站项目，空调面积达到238,000m2[39]，过冷式装置结构简单且系统造价较低，但经过过冷器一次冷却后的IPF为2%，故达到一定IPF，水泵的能耗较高，导致系统的能耗比减小，而且过冷器内结冰发生过于频繁，存在随机性，冰堵发生频繁，必要的融冰措施降低了系统的可靠性和能效。

3 采集凝固热热泵技术

地表水、城市污水等环境水源是良好的可再生冷热源,但这两类环境水源热泵技术在供热工况都存在弱点：在冬季，我国的地表水温度都很低，而且地表水温度降低时，建筑物的热负荷也将增大；而对于城市污水源热泵系统，容易出现毗邻所需供热建筑的污水干渠的污水量不足的情况，使得高峰负荷时供热量不能满足用户要求。而相对于有限显热，环境水源中还存在着巨大凝固潜热，水释放的凝固热可达相同水量降温1℃放热量的80倍，提取1 t水的凝固热，大约可获得燃烧27kg煤的有效热能，并减排二氧化碳80kg。所以若采集地表水或污水等这类非清洁的环境水源的凝固热技术得以完善，则可用以取代燃煤锅炉为建筑物供热，减少矿物能源的匮乏与随之而来的严重环境问题[40]。

采集凝固热技术的关键设备是凝固换热器。由于采集凝固潜热时会在换热管内产生冰结晶，若不及时刮除将会影响换热器效率。所以所需的凝固换热器需要能够去除换热管内的冰晶。笔者设计了一种链式传动除冰的凝固换热器（已获专利[41]，示意图如图3）。它能够通过电动机带动除冰封头内的除冰齿轮转动（如图4），从而带动在换热管内的除冰杆自转来刮除换热管内的冰结晶。该换热器不仅可以连续除冰、排冰及采集凝固热而且还可以去除换热管内的污垢。

图3 一种链式传动除冰的凝固换热器示意图

图4 除冰封头剖面图

以后将对凝固换热器试件进行换热特性实验研究和数值模拟来分析换热器运行特性。并以某一湖水为例建立相应的采集凝固热热泵系统，在实测冬季湖水温度基础上，模拟分析其供热潜力，对系统全年运行性能及节能减排效益进行评价。

4 结论与展望

能源和环境问题已经成为我国十分紧迫和现实的问题之一。通过开发非清洁水源中蕴含的巨大凝固潜热，已显现出其解决矿物能源匮乏和随之而来的严重环境问题的优势。目前采集凝固潜热的关键设备是凝固换热器。因而笔者开发了一种新型的链式传动除冰的凝固换热器，旨在提高凝固换热器的换热效率，为非清洁水热能资源得到有效利用提供理论基础和指导作用。鉴于非清洁水源中蕴含的巨大凝固潜热和新型凝固换热器的设计开发，将使非清洁水源热泵技术拥有广泛的应用前景。

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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

钱剑峰（1979～），男，博士后，副教授；哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院（150028）；E-mail:qianjianfeng2002@163.com

哈尔滨市科技创新人才研究专项基金（2013RFQXJ129）；国家青年科学基金项目（51208160）；黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12541196）