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内容简介

为满足工程技术人员、设计人员和研究工作者的需要，作者吴荣华、孙德兴将多年从事污水及地表水热泵研究取得的关键技术成果和实践经验撰写《污水及地表水热泵技术与系统》一书。本书主要内容包括：绪论，污水及地表水热泵技术分析，系统形式，运行工况，连续过滤与还原技术，疏导式换热技术，传热系数、污垢及材质，压缩式热泵机组，污水及地表水引退水，输送能耗与系统设计，经济与社会效益分析，工程实例等。全书着重介绍污水及地表水热泵的关键技术和系统设计，展现了我国在该领域的原创性技术成果。
本书可供该领域的工程设计、施工、研究及应用的技术人员参考，还可作为高等学校热能动力工程、建筑环境与能源应用工程等专业师生的参考书和教材。

目　　录

序
前言
符号表
第1章绪论
1.1 我国能源消耗与环境污染现状
1.1.1 我国能源消耗现状
1.1.2 我国采暖能耗现状
1.1.3 我国环境污染现状
1.1.4 采暖燃煤污染现状
1.2 热泵的原理、发展历程及分类
1.2.1 热泵的原理
1.2.2 热泵的发展历程
1.2.3 热泵的分类
1.3 热泵研究应用状况

序 
前言 
符号表 
第1章  绪论 
  1.1 我国能源消耗与环境污染现状 
    1.1.1 我国能源消耗现状 
    1.1.2 我国采暖能耗现状 
    1.1.3 我国环境污染现状 
    1.1.4 采暖燃煤污染现状 
  1.2 热泵的原理、发展历程及分类 
    1.2.1 热泵的原理 
    1.2.2 热泵的发展历程 
    1.2.3 热泵的分类 
  1.3 热泵研究应用状况 
    1.3.1 国外发展应用状况 
    1.3.2 我国研究应用状况 
    1.3.3 热泵应用的行业 
  1.4 污水及地表水热泵的优势 
  1.5 污水及地表水热泵的需求分析 
  参考文献 
第2章  污水及地表水热泵技术分析 
  2.1 污水及地表水的水温、水质与水量 
    2.1.1 城市原生污水 
    2.1.2 已处理污水 
    2.1.3 工业污废水 
    2.1.4 地表水 
  2.2 悬浮物堵塞 
    2.2.1 城市原生污水的堵塞 
    2.2.2 已处理污水的堵塞 
  2.3 污垢 
    2.3.1 原生污水污垢 
    2.3.2 已处理污水及地表水污垢 
  2.4 污水及地表水换热的特点 
  2.5 国外技术及应用状况 
    2.5.1 防堵与换热技术 
    2.5.2 工程应用状况 
  2.6 国内技术及应用状况 
    2.6.1 防堵技术 
    2.6.2 换热及系统 
    2.6.3 工程应用状况 
  2.7 防污垢换热技术 
  2.8 关键问题及难点分析 
  参考文献 
第3章  系统形式 
  3.1 直接式与间接式系统 
  3.2 两种间接式系统 
  3.3 一机一泵与大并联 
    3.3.1 直接式系统 
    3.3.2 间接式系统 
    3.3.3 应用条件及综合比较 
  3.4 直接式与间接式理论分析 
  参考文献 
第4章  运行工况 
  4.1 原生污水 
  4.2 已处理污水 
  4.3 湖水 
  4.4 冬夏工况匹配 
    4.4.1 冬夏负荷匹配 
    4.4.2 水泵及流量匹配 
    4.4.3 流量与温差匹配 
  参考文献 
第5章  连续过滤与还原技术 
  5.1 静态过滤 
    5.1.1 静态过滤的试验研究 
    5.1.2 静态过滤的数学模型 
    5.1.3 静态过滤模型的应用分析 
  5.2 连续过滤与还原 
    5.2.1 连续过滤与还原的原理 
    5.2.2 连续过滤与还原的数学模型 
  5.3 连续过滤与还原装置 
    5.3.1 结构与运行参数 
    5.3.2 装置各物理量的关联关系 
  5.4 连续过滤与还原技术的运行特点 
  5.5 连续过滤与还原技术的实施方案 
    5.5.1 转轮式与转筒式取水装置 
    5.5.2 转轮式与转筒式取水系统 
  参考文献 
第6章  疏导式换热技术 
  6.1 疏导式换热方法 
    6.1.1 基本原理 
    6.1.2 优势及基本理论问题 
    6.1.3 两类换热器的形成 
  6.2 疏导管式换热器结构 
  6.3 宽流道换热器结构 
  6.4 换热器的承压问题 
    6.4.1 压力设计的主要因素 
    6.4.2 系统工作压力 
    6.4.3 相关规范要求 
    6.4.4 污水换热器压力确定 
  6.5 工况适应性 
  参考文献 
第7章  传热系数、污垢及材质 
  7.1 污水侧换热系数 
    7.1.1 污水侧流道特点 
    7.1.2 经验计算公式 
    7.1.3 两传类比定律 
  7.2 污垢系数 
    7.2.1 污垢分类及特点 
    7.2.2 污垢系数取值 
  7.3 总传热系数 
  7.4 几种误区 
  7.5 材质问题 
    7.5.1 几种材质的适应性 
    7.5.2 污水换热器材质比较 
  参考文献 
第8章  压缩式热泵机组 
  8.1 流程及主要部件 
    8.1.1 压缩机 
    8.1.2 两器 
    8.1.3 膨胀阀 
    8.1.4 其他部件 
  8.2 工质循环 
  8.3 热泵常用工质 
  8.4 主要参数选择和设定 
    8.4.1 冷凝器温度、压力 
    8.4.2 蒸发器温度、压力 
    8.4.3 其他参数 
  8.5 部件选型及管路设计 
    8.5.1 部件选型 
    8.5.2 管路设计 
  8.6 机组的自动保护 
  8.7 机组的故障分析 
  参考文献 
第9章  污水及地表水引退水 
  9.1 城市原生污水引退水 
    9.1.1 潜水泵取水 
    9.1.2 干式污水泵取水 
  9.2 污水处理厂引退水 
  9.3 湖水引退水 
  9.4 海水引退水 
  9.5 小结 
  参考文献 
第10章  输送能耗与系统设计 
  10.1 输送能耗比例问题 
  10.2 输送距离界限模型 
    10.2.1 模型建立 
    10.2.2 经济比摩阻 
  10.3 资用输送能耗比例及其设计方法 
  10.4 系统运行调节方法 
    10.4.1 冷热水侧一次泵变流量调节 
    10.4.2 水源侧一次泵变流量调节 
  10.5 小结 
  参考文献 
第11章  经济与社会效益分析 
  11.1 系统节能性分析 
    11.1.1 一次能源利用率 
    11.1.2 单位污水节能性 
    11.1.3 单位污水节能效益 
  11.2 系统环保性评价 
  11.3 系统经济性分析 
    11.3.1 系统初投资评价 
    11.3.2 系统运行费评价 
    11.3.3 初投资对比定量估算 
    11.3.4 年运行费用对比定量计算 
  参考文献 
第12章  工程实例 
  12.1 石家庄新界住宅小区 
  12.2 西宁青藏铁路调度大厦 
  12.3 青岛前海馨苑小区 
  12.4 大连公共资源交易市场 
  12.5 西安金盾及周边区域（一期） 
  12.6 青岛团岛污水厂海湾花园小区 
  12.7 青岛莱西凤凰印染厂热泵供热站 
  12.8 呼和浩特心想是城小区 
  12.9 西安东南郊水厂 
  12.10 青岛科创新能源厂区 
附录 
  附录1 疏导式污水换热器介绍及技术参数 
  附录2 热泵压缩机的选型系列 
  附录3 常用污垢热阻数据（单位面积） 
  附录4-1 R22饱和气与饱和液的热力性质 
  附录4-2 R22过热蒸气的热力性质 
  附录4-3 R22饱和气与饱和液的传递性质 
  附录4-4 R22lgp-h图 
  附录5-1 R134a饱和气与饱和液的热力性质 
  附录5-2 R134a过热蒸汽的热力性质 
  附录5-3 R134a饱和气与饱和液的传递性质 
  附录5-4 R134lgp-h图 
  附录6 乙二醇、丙二醇、丙三醇防冻液物性参数 
  附录7 制冷量单位换算 
  附录8 温度单位换算 
  附录9 热泵驱动能源的折算系数和环境负荷 
  附录10 水的热物性参数 
  附录11 热水管道水力计算表

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　　第1章绪论
　　能源与环境是可持续发展的两大主题，是当前国际社会共同关注的焦点。而我国是世界上最大的能源消耗国，年煤炭消耗量占世界总量的50%［1］，能源消耗与环境污染问题极其严峻，迫切需要提高能源利用效率和开发利用新能源。
　　热泵系统是目前世界上唯一能把一次能源（煤、石油、天然气）的利用效率提高到100%以上的用能装置，较燃煤锅炉、城市热网可节能35%～55%，污染物的排放也成比例减少。
　　污水及地表水源热泵空调系统则是以污水或地表水作为热泵冷热源为建筑物供暖的空调，具有50%的节能潜力和30%的经济效益，是缓解供热空调能源消耗与环境污染问题、防治雾霾的有效途径。
　　1.1我国能源消耗与环境污染现状
　　1.1.1我国能源消耗现状
　　2050年我国能源需求量统计将达50亿t标准煤，相当于100个三峡电站的全年发电总量，按目前水平可开采量为30亿t标准煤，水力、风力等发电开发量为5亿t标准煤，届时有15亿t标准煤缺口量，该量只能靠进一步开发核能铀资源、太阳能及其他可再生性能源填补，能源问题将面临严峻挑战［1］。
　　英国石油的《世界能源统计年鉴》数据中显示，2010年我国成为世界上最大的能源消耗大国，消耗量占全球总量的20.3%，超过了美国19%的比例。2012年我国一次能源总消耗折合36.2亿t标准煤，约占全球的21.3%。到2035年，我国人均能源需求增长40%，达到与欧洲相同的水平，能源消耗总量将比当前水平增长50%。预计到2020年，全国煤炭消耗总量为48亿～53亿t，我国短期煤炭供应宽松与长期总量不足的矛盾将会逐渐明显［2］。
　　来自美国能源部的统计数字显示，我国的工业生产耗能占能源总消耗量的70%以上，但能源利用率仅为33%，单位GDP能耗是国际的2倍，是发达国家的4倍。在我国消耗全球近一半的煤炭资源情况下，其综合能效不足40%，比世界发达国家低15%～20%。人均资源水平低、能源结构不合理及综合利用效率低下是我国的基本国情和“软肋”。
　　数据显示，能耗的问题体现在多种行业中，而建筑能耗占整个社会总能耗的较大比例。在发达国家，建筑能耗占社会能源总消耗的40%以上，在西欧，这个比例甚至达到了52％，为此欧盟在2002年欧洲议会和欧盟理事会上通过了关于建筑能耗的法律性文件，要求计算建筑物的整体能耗，为新建建筑和既有建筑颁发能效证书，并定期对建筑中的锅炉和空调系统进行检查和能耗评估，通过制定法律提高能源利用率，降低建筑能耗。

第1章绪论 
　　能源与环境是可持续发展的两大主题，是当前国际社会共同关注的焦点。而我国是世界上最大的能源消耗国，年煤炭消耗量占世界总量的50%［1］，能源消耗与环境污染问题极其严峻，迫切需要提高能源利用效率和开发利用新能源。 
　　热泵系统是目前世界上唯一能把一次能源（煤、石油、天然气）的利用效率提高到100%以上的用能装置，较燃煤锅炉、城市热网可节能35%～55%，污染物的排放也成比例减少。 
　　污水及地表水源热泵空调系统则是以污水或地表水作为热泵冷热源为建筑物供暖的空调，具有50%的节能潜力和30%的经济效益，是缓解供热空调能源消耗与环境污染问题、防治雾霾的有效途径。 
　　1.1我国能源消耗与环境污染现状 
　　1.1.1我国能源消耗现状 
　　2050年我国能源需求量统计将达50亿t标准煤，相当于100个三峡电站的全年发电总量，按目前水平可开采量为30亿t标准煤，水力、风力等发电开发量为5亿t标准煤，届时有15亿t标准煤缺口量，该量只能靠进一步开发核能铀资源、太阳能及其他可再生性能源填补，能源问题将面临严峻挑战［1］。 
　　英国石油的《世界能源统计年鉴》数据中显示，2010年我国成为世界上最大的能源消耗大国，消耗量占全球总量的20.3%，超过了美国19%的比例。2012年我国一次能源总消耗折合36.2亿t标准煤，约占全球的21.3%。到2035年，我国人均能源需求增长40%，达到与欧洲相同的水平，能源消耗总量将比当前水平增长50%。预计到2020年，全国煤炭消耗总量为48亿～53亿t，我国短期煤炭供应宽松与长期总量不足的矛盾将会逐渐明显［2］。 
　　来自美国能源部的统计数字显示，我国的工业生产耗能占能源总消耗量的70%以上，但能源利用率仅为33%，单位GDP能耗是国际的2倍，是发达国家的4倍。在我国消耗全球近一半的煤炭资源情况下，其综合能效不足40%，比世界发达国家低15%～20%。人均资源水平低、能源结构不合理及综合利用效率低下是我国的基本国情和“软肋”。 
　　数据显示，能耗的问题体现在多种行业中，而建筑能耗占整个社会总能耗的较大比例。在发达国家，建筑能耗占社会能源总消耗的40%以上，在西欧，这个比例甚至达到了52％，为此欧盟在2002年欧洲议会和欧盟理事会上通过了关于建筑能耗的法律性文件，要求计算建筑物的整体能耗，为新建建筑和既有建筑颁发能效证书，并定期对建筑中的锅炉和空调系统进行检查和能耗评估，通过制定法律提高能源利用率，降低建筑能耗。 
　　建筑相关能耗已成为我国三大能耗大户之一，随着我国经济的发展，建筑能耗占社会总能耗的比例逐渐提高，目前我国城镇建筑消耗(采暖、空调、照明、炊事、办公等伴随建筑运行使用的能耗)的能源占全国商品能源的23％～26％，这还不包括建筑材料制造用能及建筑施工过程耗能。 
　　随着我国城市化进程的加速、建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升，建筑能耗呈急剧上升趋势，而由于建筑能耗主要集中在暖通空调能耗，据预测，2020年我国暖通空调能耗量将达10亿t标准煤，预计最终会接近发达国家的水平，节能降耗的形势非常严峻。而在建筑能耗中则又以建筑采暖和空调能耗为主，因此，建筑节能的首要问题之一就是解决暖通空调领域的能耗问题。 
　　1.1.2我国采暖能耗现状 
　　我国建筑能耗历年平均为总能耗的19.8%，建筑能耗中，暖通空调能耗约占85%，能耗效率极低，同纬度气候条件接近地带，单位面积的平均制冷供暖耗能量为发达国家的3倍。目前住房建筑面积为347亿m2，以每年13亿～14亿m2速度增长，预计2020年我国暖通空调的能耗量将达10亿t标准煤，占总能耗量的30%以上。暖通空调在能源消耗中将占有举足轻重的位置。 
　　我国北方城镇建筑采暖能耗占全国总能耗的最大组成部分，单位面积采暖平均能耗折合标准煤为20kg/（m2 年），为北欧同纬度条件下建筑采暖能耗的2～4倍。目前有5亿m2左右的大型公共建筑，其耗电量为70～300kW h/(m2 年)，为住宅的10～20倍，是建筑能源消耗的高密度领域，调查表明，这类建筑能源浪费现象严重，具有很大的节能潜力。城镇的住宅总面积约100亿m2，除采暖的住宅能耗包括照明、炊事、生活热水、家电、空调等，折合用电量为10～30kW h/(m2 年)，用电量约占我国全年供电量的10%。普通的公共建筑总面积约55亿m2，用电量约占我国全年供电量的8%［3］。农村建筑面积约占240亿m2，总耗电约900亿kW h/年，生活用标准煤0.3亿t/年。目前我国农村的煤炭、电力等商品能源消耗量较低［3］。根据调查，目前农村建筑使用初级生物质能源的能源利用效率很低，并在陆续被燃煤等常规商品能源所替代。如果这类非商品能源完全被常规商品能源所替代，则我国建筑能耗将增加一倍。 
　　能耗高的主要原因有三个：一是围护结构保温不良；二是供热系统效率不高，各输配环节热量损失严重；三是热源效率较低。由于大量小型燃煤锅炉效率低下，热源目前还有平均15%～20%的节能潜力。 
　　如果我国将来城镇建筑总量增加一倍，建筑能耗总量很可能要增加不止一倍。在美国、欧洲和日本等发达国家，建筑运行能耗水平已经从其处于制造大国时期的20%～25%发展到目前“金融与技术”大国的近40%。在建筑能耗中，暖通空调系统与热水系统所占的比例接近60%，而且随着人民生活水平的提高，还有继续上升趋势。 
　　1.1.3我国环境污染现状 
　　在我国粗放式经济发展模式下，当人均GDP达到5000美元这一中等发达水平时，我国同时也进入了环境污染严重的高压时期。以前的环境污染仅是个别局部现象，现今的环境污染已是全国性的普遍现象。2012年入冬以来的全国性雾霾天气，清楚地反映了我国环境污染问题的严重性、紧迫性。蓝色的天空、清新的空气、洁净的水源已成为民众的期待。 
　　我国城市大气环境中总悬浮颗粒物浓度普遍超标；二氧化硫污染保持在较高水平；机动车尾气污染物排放总量迅速增加；氮氧化物污染呈加重趋势；全国形成华中、西南、华东、华南多个酸雨区，以华中酸雨区为重。据亚洲开发银行和清华大学最新发布的《中华人民共和国国家环境分析》报告，我国500个大型城市中，只有不到1%达到世界卫生组织空气质量标准。博鳌亚洲论坛2014年年会中的数据指出，我国的煤炭消耗量过去10年时间就增长了近5倍，二氧化碳的排放量已经增加到了每年400亿t。 
　　据新华网报道，对118个城市连续监测数据显示，约64%的城市地下水遭受严重污染，33%的地下水受到轻度污染，基本清洁的地下水只有3%。在水资源总量2/3的地表水中，污染问题同样严重［4］。根据全国水资源综合规划评价成果，84个湖泊中常年呈现富营养化状态的湖泊有48个，达到52.4%；2000年评价的633个水库中，62%为中营养水库，38%为富营养水库，贫营养水库不及1%。 
　　全国耕种土地面积的10%以上已受重金属污染，共约1.5亿亩1亩=666.7m2，下同。。因污水灌溉而污染的耕地有3250万亩，因固体废弃物堆存而占地和毁田的约有200万亩，其中多数集中在经济较发达地区。每年因重金属污染的粮食高达1200万t，造成的直接经济损失超过200亿元。 
　　从环境污染的地域来看，已经从经济发达的东部地区和南部地区向中西部地区与北部地区迅速蔓延至全国。最近几年，中西部地区加大了开发力度，低端产业向中西部转移，在经济快速增长的同时，环境污染问题也凸显出来。从环境污染的空间分布看，从天空到海洋、从陆地到河流、从地表到地下，无论空气、水源还是土壤，都被严重污染。我国大气污染主要表现为煤烟型污染。过去20年以来，我国67%的能源来源于煤炭。为了满足需求，我国的煤炭生产者所提供的煤炭质量下降，污染性越来越大。 
　　我国目前生产的煤炭的含硫量已经达到了1%，更多的硫被释放到空气中。二氧化碳是一种主要的污染物，是造成全球变暖的温室气体之一。以目前的趋势发展，到2025年，我国将超越美国而成为世界最大的温室气体排放国。其中在居住区里，随着人口的集中，大量的民用生活炉灶和采暖锅炉也需要耗用大量的煤炭，特别在冬季采暖时期，往往使受污染地区烟雾弥漫，这是一种不容忽视的大气污染源。 
　　根据美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的卫星数据（数据来源于2001～2006年）得知的全球空气颗粒物污染情况，我国的局部地区处于重污染地区，并且近年来不断加重。 
　　1.1.4采暖燃煤污染现状 
　　从目前情况看，煤炭仍然在我国一次能源构成中占70％以上，成为我国主要的能源。我国工业燃料动力的80％依靠煤炭。全国每年用于直接燃烧的煤炭占总煤耗的84％，其中农村生产和生活耗煤1.2亿t，占煤产量的20％；城市居民燃煤1.5亿t，占全年煤产量的25％。同时还要指出，煤炭在我国城市的能源构成中所占的比例也相当大。据26个城市的统计资料，其中超过90％的有8个市，80％～90％的有7个市，70％～79％的有3个市，60％～69％的有5个市，50％～59％的有2个市，40％～49％的有1个市［5］。 
　　以煤为主的能源构成，以及多在陈旧的设备和炉灶中、沿用落后的技术直接燃烧使用，而且这种使用方式占直接燃煤总量的62％，成为我国大气污染严重的主要根源。据历年的资料估算，燃煤排放的主要大气污染物，如粉尘、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等，总量约占整个燃料燃烧排放量的96％，其中，燃煤排放的二氧化硫占各类污染源（燃料燃烧源、工业废气源、流动源）总排放量的87％（占燃料燃烧排放量的93％）；排放的粉尘占总排放量的60％（占燃料燃烧排放量的99％）；排放的氮氧化物占总排放量的67％（占燃料燃烧排放量的87％）；排放的一氧化碳占总排放量的71％（占燃料燃烧排放量的87％）［6］。 
　　在以煤为主的能源结构下，暖通空调用能是大气污染的主要因素之一。在全球空气污染最严重的10个城市中，我国占5个，包括北京、上海、沈阳、西安和广州，北京冬季供暖期总悬浮颗粒物TSP、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等严重超标。资料表明，70%的总悬浮颗粒物、90%的二氧化硫、60%的氮氧化物和85%的矿物燃料生成的二氧化碳来自燃煤，暖通空调引起的污染物排放量占总排放量的15%以上。燃煤排放二氧化硫引起的酸雨污染已扩展到全国整个面积的30%～40%，造成的经济损失接近国民生产总值的2%。另外，全球二氧化碳等温室气体的排放给人类带来重大损失，全球温暖化的经济成本是全球经济总产值（GWP）的10%～20%。暖通空调的能源消耗给环境带来了巨大压力。 
　　1.2热泵的原理、发展历程及分类 
　　1.2.1热泵的原理热泵技术是近年来在全世界备受关注的新能源技术。人们所熟悉的“泵”是一种可以提高位能的机械设备，如水泵主要是将水从低位抽到高位。而“热泵”是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过高位能源做功，提供可被人们所用的高品位热能的装置。热泵空调技术是根据逆卡诺循环原理，将低温热源或低位能源中的低品位热能进行回收，转换为高品位热能的一种节能与环保性技术，利用这项技术的逆过程同时还可以达到制冷的目的，以存在合适的低位能源为必要条件。 
　　图1-1所示为一种水源热泵向建筑物供热的工作原理。所谓水源热泵，就是指以环境中的水（污水、地表水、地下水等）作为热源。热泵工质（如氟利昂）在压缩机的驱动下，在压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器几个主要部件中循环运动。工质的热力性质决定了蒸发器中的工质温度可以保持在如2℃（称为蒸发温度）左右，而冷凝器中则为60℃（称为冷凝温度）左右。这里的水源虽然在冬季可能仅为11℃，但却可以作为热泵系统的热源，因为当将它引入温度为2℃的蒸发器时，它必然要把自身中的热能（称为内能）交给机组，变为如6℃排放出去。获取了水源热能的工质被压缩机压缩到如60℃，在冷凝器中加热来自建筑物的系统循环水，由该水将热量带到建筑物的散热设备中。


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