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生态环境与热泵技术

贺益英

（中国水利水电科学研究院 水力学所）

摘要: 人类生活、生产活动消耗了大量一次能源，也源源不断派生了可观的废热，对水域生态环境造成负面的热影响，也使大气环境遭受温室气体的破坏。必须正视其严重后果，减少化石能源消耗，减少污染源的排放量。热泵技术是可实现这一目标的先进、高效手段，是节能、环保的绿色再生能源。

关键词: 热污染、水域生态、废热、温室效应、热泵技术

1. 生态环境污染的两个重大方面
    1. 生态环境污染的两个重大方面
随着人口的快速增长、经济建设的飞速发展和人类生活水平的提高，能源的大量消耗，特别是一次能源的巨量消费，不仅加剧了世界能源危机，而且导致生态环境的持继恶化。利用化石燃料燃烧产生能量的过程，必定产生大量的CO2、SO2、…以及可观的尘埃等固体颗粒，释放到大气环境而造成大气污染。CO2气体更是造成地球温室效应的罪魁祸首。
    能量生产以及其他工业生产过程产生的废热不少都随排污水进入江、河、湖、海等水域，对生态水域造成热影响，严重情况便构成了热污染。
    本文浅论生态环境污染的这两个重大方面及热泵技术在此的积极作用。
1.1 水域热污染
    供给城市的能量的大部分最终变为废热排放到大气或水域中。这种废热的品位（温度）较低，一般为50℃以下，但排放流量巨大，因而废热量十分可观。下表为低温废热排放的一些行业。

    表中排热量大的火、核电厂；钢铁、化工厂以及污水处理厂在生产产品过程，时刻向排放水域倾泻大量温、污排水，致使江、河、湖、海等受纳水域受污并升温。
    以火、核电厂循环冷却水（温排水）为例，说明其排放热量的巨大及对水域可能造成的热影响。
    对1000MW火电汽轮机组，循环冷却水量约35～45m3／s，温升（即超过环境水域的温度）8～10℃，温升所对应的热量约1.5×106～1.9×106kJ/s (日均1.2～1.7×1011kJ/d；按年运行7 000h计，年均3.8～4.6×1013kJ/a，折合标准煤约150万t/a)。排出的温排水温度视电厂所处地区而异，冬季20～35℃；夏季25～45℃。属于50℃以下的低品位热能。核电机组循环水量是火电机组的1.2～1.5倍，弃热量会更多。
    一座现代火、核电厂的装机容量多在2 000～6 000MW，排出的冷却水量相当于2个至6个东京市区排污水量。如此巨量的热负荷是一般小水域无法承受的。即使对大江、大河、海湾等大水域也需精心研究、设计冷却水排、取水口的布局，才可使电厂排热在环境中合理消散。
    一般来说，人们对电厂环境影响的认识，多注意其火电厂排烟对大气环境的污染，即随烟气向大气中排放的大量二氧化硫、烟尘和氮氧化物等污染物，会严重污染大气环境；对核电厂而言，则警惕低放射性污水排放对水环境的污染等等问题。因此，在电厂环境污染治理中一直十分注重电厂烟气的除尘、脱硫，燃煤的洁净处理，以及严格控制核素的排污标准。但容易忽视电厂循环冷却水所含巨大热量弃置于环境可能带来的热污染的危害。
    火、核电厂循环冷却向环境排热的影响随循环冷却水冷却形式而不同。
对冷却塔而言，其蒸发散热加以风吹影响，使大量热量和水滴进入大气环境，会使空气局部温度、湿度升高。电厂长期运行，失散的热量和水滴会对局部小气候产生影响。
    对水面冷却而言，温排水对局部受纳水域的水质产生影响，主要表现在水温、溶解氧等指标的变化；对水生生物产生影响，主要表现在改变藻类、鱼类等的生活条件方面；对水域富营养化程度产生影响，主要表现在水温升高可能加剧水中富营养化藻种的生长、溶解氧下降。冷却水废热对水环境的影响较大时，会发生严重的热污染。1978年夏季，望亭发电厂的温排水排入望虞河使水温高达40℃以上。造成渔业损失73t，三水作物损失1.8万t，蚌珠损失4.4万只。装机容量大的电站，有时还会引起大范围水域内生物的消失。例如，美国佛罗里达州的比斯坎湾，一座核电站排放的温排水使附近水域水温增加了8℃，造成1.5km海域内生物消失［1］。
    近20余年来火电装机容量有了的高速发展，2005年全国发电装机总容量达5.172亿kW。其中，火电约3.91亿kw比上年增长18.78 %，约占总容量的75.67%；核电685万kw，约占总容量的1.32%［2］。预计到2020年，中国发电装机容量应该到9～10亿kW；年均新增发电装机容量应为3 000～3 600万kW，年均增长率5.3%～5.9%。容量如此迅速地增长，其排放的废热量亦将随之猛增，必定对环境产生累积的、持久的负面影响。
    城市污水排放也是水域遭受热污染和其他污染的成因之一。城市污水的特点是：全年水温变化幅度较小。冬季污水水温为13－17摄氏度，高出气温20多度，夏季污水水温为22－25摄氏度，又比气温低了10多度。　城市污水排放量巨大,如北京高碑店污水处理厂排放量为100 ×104 m3/ d 。随着我国国民生产的发展，城市污水厂处理量的增长急剧加快；到2002年，全国新增城市污水处理能力2000万吨／日，集中处理率达25％； 2005年污水处理量将达到200×108m3左右；至2010年，城市集中污水处理率将达40％，新增城市污水处理厂1000余座；到2015年城市污水年处理量将达到360亿立方米的目标[3]。
    钢铁厂、化工厂污水排放量虽不如电厂和城市污水多，但一般说来温度要高许多。因此，排放热量也很大。
    从以上温排放的热量规模看，不仅仅是存在对生态环境的热影响，而且是能源上的巨大浪费。对火电厂而言，循环冷却水携带的低温热量几乎占电厂燃煤发热量的一半。即火电厂中燃料燃烧总发热量中只有35%左右转变为电能，而60%以上的热能主要通过锅炉烟囱和汽轮机凝汽器的循环冷却水失散到环境中。相比之下，循环冷却水携带走的废热量占其中绝大部分。
    要减轻工业及生活废水对生态环境的热影响，首先是从排放源减量着手。从生产流程、工艺上减少废热、余热的生成是更本的解决途径。但往往这些废热、余热的产生是产品生产中无法避免的。如电厂循环冷却水的排水温度一定高于环境水温8～10℃，这一损失热量对热机生产过程不可避免。只有通过其它途径加以利用，以期部分回收，实现对环境的减量热污染。同时，达到提高热机综合热效率、降低电厂煤耗的节能目标。
    现代热泵技术完全可以将这些低温热源的热量提升品位后回收利用，既减轻了废热、余热对生态环境的热污染；更可以回收能量，节约能源，是开发“ 未利用能”的重要手段。
1.2 化石燃烧燃烧带来的大气污染
    我国能源结构是以煤为主体。燃煤电厂约占全国发电总装机容量的75.67%。其他工业、建筑采暖和生活用热也大多采用燃烧煤或油等化石燃料获取。烟尘和二氧化碳排放量的70%、二氧化硫的90%、氮氧化物的67%均来自于燃烧。这些都是造成大气污染的根本原因。目前，我国二氧化硫排放量居世界第一位，二氧化碳排放量仅次于美国居世界第二位。
    从环境容量看，要使二氧化硫排放量处在生态系统能承受的降解能力之内，全国最多能容纳1620万吨左右；氮氧化物的环境容量也不会高于1880万吨，这些标准应是“环境小康”的最低要求。目前这两者排放量己经超标，即己经存在着环境“透支”［3］。因此，必需及早调整我国能源结构，减轻火电占有比例，大力发展水电及可再生能源。我国水能资源居世界第一位，技术可开发量约4×105MW，但目前水电开发远远落后于发达国家，2005年我国水力发电仅占总容量的22.70%。除调整我国能源结构的主体战略外，还要尽可能削减中、低温热量获取使用燃料燃烧的途径。随着经济发展和人民生活水平的提高，民用能源、建筑采暖及轻工业生产中对中、低温热能的消费越来越多。大部分民用能源并不要求高温热源，许多工业生产过程也只需要70～110℃范围的热能；建筑采暖所需热量的温度还低一些。目前这些热能大多是通过电力或石油、天然气和煤炭等燃料的燃烧来获得。这不仅降低“燃料”这种高品位的非再生能源为低品位能，属不合理的能源分配，使目前我国能源综合利用率不超过40%；而且燃烧释放的大量烟尘、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等成为大气质量严重污染的重要原因。利用热泵技术可以将低品位的工业废热、余热或城市污水的热能提高品位后供给这些民用能源、建筑采暖及轻工业生产，将会节约大量的不可再生燃料，并极大地改善大气环境质量。

2. 热泵技术简介
2.1热泵
    热泵是一种把处于低温位的热能输送至高温位的机械或装置，如同把水自低水头送至高水头的械机称为“水泵” ；把气体自低压区送至高压区的机械称为“气泵”。
    20世纪70年代初期，“能源危机”出现，人们己普遍认识到化石燃料在地球上的储量有限，热泵能回收低温废热，节约能源的优势深受重视，各国争相开发新型热泵系统。1992年京都国际环发大会提出以可持续发展思路，综合解决能源和环保问题。明确提出了开发利用再生能源，改善能源结构，减少温室气体排放的策略。在此形势下，热泵技术在国内的开发研究得以快速推进。
    热泵的工作原理与制冷机实际上是一样的。它们都是从低温热源吸取热量并向高温热源排放，在此过程中消耗一定的有用能。两者的不同仅在于使用的目的，制冷机利用吸取热量而使所服务的对象降温达到制冷目的；而热泵则利用排放热量向服务的对象供热。制冷和供热实际上是热泵（或制冷机）热力循环过程中的两个必不可少的环节，也正是充分利用这两个环节，使热泵技术在余、废热回收利用中既可供热，又可制冷。本文所提及的“热泵”技术实为“制冷/供热”技术的统称。    热泵的主要分类如下：
1） 按循环驱动方式分类：
    压缩式热泵――以机械能驱动压缩机的热泵。多为电能驱动、柴油、汽油机驱动或蒸汽透平驱动；
    吸收式热泵――以热能直接驱动；
    蒸汽喷射式热泵――以热能直接驱动；
    固体吸附式热泵――以热能直接驱动。
2） 按低温热源种类分类：
    气源热泵――以空气作为低温热源；
    水源热泵――以地下水（如深井水、浅层地下水、泉水、地热尾水等）、地表水（如江、河、湖、海水等）、生活污水、工业污水、工业设备冷却水等为低温热源；
    地源热泵――即土壤源热泵，以土壤中蕴藏的浅层地热为低温热源；
    太阳能热泵――以被太阳光加热至20℃左右的介质为低温热源。
    水源热泵技术的近期发展，使其业内人士越来越把注意力从浅层地热为热源的地源热泵转向以电厂循环冷却水、城市污水为低温热源的水源热泵。因为这两种热源的流量大，温度相对较高，且全年基本稳定，可使热泵机组的效能系数保持较高值；此外，低温热源水引入热泵比较简易，不必打深井、埋设地热盘管。

2.2 热泵的节能与环保效益
2.2.1热泵节能
    按热力学第二定律，热量不会自动从低温区向高温区传递。
    因此，热泵要完成自己的任务，就必须自外界吸收一部分有用的能量，以实这种热量的传递。最终将所吸收的有用能量和自低温热源吸取的热量(以汽化潜热或凝结热的形式)一并输送至高温热源。按热力学第一定律，高温热源所获得的热量Qh为采自低温热源的热量QO和输入的有用能E的总和，即：
    Qh = QO＋E
    为说明这种能量转换的优劣，用“性能参数”
Cop（coefficient of performance）来表示，定义为：“排出热量”Qh与“输入有用能”E之比，即：
    Cop = Qh / E （1）
    在压缩式热泵中，输入的有用能为电能或机械能，所做功为W，其性能系数特称为“供热系数”Ф，
Ф = QH / W （2）
    若用表示制冷机的制冷系数，则
 = QO / W （3）
    由上述三式可知： Ф=1+ （4）
（4）式表明：供热系数恒大于1。说明热泵可消耗较少的有用能而获得较多的热量。一台机器同时作供热 / 制冷使用时，供热系数比制冷系数恒大于1。
    其他类型热泵也如此。
    对机械压缩式热泵机组，供热系数一般可达2～5，理论值可达8以上。即输入一份有用能，可获得2～5倍的热能输出，这正是从低温废热能中获得的能量，因而节能效益相当高。
    电动热泵用于暖通空调，在向用户供应相同热量情况下，与燃油锅炉比可以节省40%左右的燃料，节能效果显著。
2.2.2 热泵的环保效益
    利用水源热泵机组回收排向自然水域的工业废水或城市污水所蕴含的废热、余热，使其变成城市新的低温热源。使废热、余热作为新能源得以循环利用，将大大提高一次能源的利用率，减少中、低温生产对煤、石油等化石燃料及电力的需求，有可观的节能效益，其环保效益更不可小视。
    如建筑采暖及一般空调中冷热源采用的能源主要是煤、燃气、燃油、电力（燃煤获得）等，可以认为均属矿物能源。其能量的消耗量很大，日本暖通空调系统的能耗量占总能源消耗的近14%，美国为26.3%。上海高层建筑暖通空调耗能占总耗能量的1/4～1/3。此外，许多轻工业，如食品、酿酒、干燥、纺织等等生产过程中也不乏使用矿物燃料产生所需热能的工艺过程。如前所述，矿物燃料燃烧所产生的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、尘埃等是造成大气污染、地球温室效益的重要原因之一。
    报刊的最新报道，由英国财政部委托世界银行首席经济学家斯特恩撰写的报告指出：如世界不在10年左右的时间及时采取措施解决温室气体的排放，那么气候变暖引发的洪水、暴风雪等自然灾害将把世界拖入一场1929年经济危机以来最严重的经济衰退。人类因此承受的损失将高达3.68万亿英镑，合7万亿美元。（北京晚报07年1月3日）。
    热泵用于建筑暖通空调，可以把自然界或工业、生活生成的废弃热量转变为较高温度的可用再生热能，既减轻了人类活动产生的废热对自然环境，特别是水域生态的热影响；也合理利用了能源，缓和了对大气环境的增温效应。与燃料锅炉比，CO2排放量可减少68%；SO2排放量可减少93%；NO2排放量可减少73%，大大改善大气环境。同时，对城市内的排热约可减少77%，极大地缓解了城市热岛现象［4］。

4.热泵技术在缓解水域热污染方面的某些应用
4.1热泵技术用于火、核电厂循环冷却水余热回收回用
    可以说，热力电厂排放的循环冷却水所携带的热量对水环境热影响之大是首屈一指的。因此，回收其热能，不仅是电力行业节能提效、和谐电力建设的一环；对保护水域环境免受增温之害也是当务之急。
  大连发电总公司所建电力住宅大厦总建筑面积44000 m2 ，拟用电厂循环冷却水余热采暖、供冷。冬季大连发电总厂循环冷却水温约25℃，用作水源热泵热源，热泵制热系数稳定在4.2，节能效果好，无需辅助热源。与热电联产的运行经济性比较：节煤量：标煤5.7kg/ (m2﹒a)。电力大厦供暖面积4.2×104 m2 ，与常规采暖方案比，每年节省标煤239×103 kg/a。
  大连作为全国水源热泵唯一的示范城市，在开拓水源热泵的工程应用方面卓有成效。如大连开发区某小区改扩建，计划以临近小区的国力热电厂的循环冷却水（海水）为低温热源，用海水水源热泵向小区供热制冷。小区规划总建筑面积124.877万平方米。
  大庆市北源热力公司利用热泵技术把炼化公司产生的37℃左右的工业循环冷却水的热量经热泵升温后，对小区集中供热。整个工程总投资达2.1亿元，分两期进行，可供热面积达300万平方米。

4.2 热泵技术用于城市污水热能回收回用
    污水处理资源化的三大支柱（中水、热能、污泥）之一便是污水热能回收利用，这是环境保护及资源循环利用先导者们面对世界生态环境日趋恶劣、可用资源日渐匮乏的严酷现实所提出的战略。热能回收回用的最有效手段便是走热泵技术之路。污水源热泵就是利用城市污水作为冷热源，实现向城镇居民建筑供冷供热。
    北京污水源热泵工程现有：由北京排水集团和北京工业大学联合开发的重点科研项目“城市污水水源热泵系统”在北京高碑店污水处理厂获得成功(供热供冷面积约900 m2)，这是热泵技术在我国污水处理方面首次成功应用。其他如：北小河污水处理厂(供热供冷面积约6000 m2) 、卢沟桥污水处理厂(供热供冷面积约4500 m2) 和河北秦皇岛污水处理厂(供热供冷面积约3500 m2) 等。
    目前，北京市的高碑店、酒仙桥等7座污水处理厂采用污水水源热泵供热；清河北岸有近400户居民享受了“污水空调”的便捷和实惠。到2008年，北京市每天将有近250万立方米的污水水源，能为1500—2000万平方米的建筑物提供冷暖空调服务，每年将节约大量地下水资源和用电量［5］。

5.结语
    热影响严重时便构成了热污染。自然水域遭受各种排放所携带的废热、余热，将使水体升温而带来许许多多的负面效果。人类生产、生活等行为时时刻刻在消耗着地球己所存不多的、不可再生的一次能源；与此同时，又时时刻刻生成排向环境的废热和造成地球温室效应的有害气体。热泵技术在这近二十年飞速发展，己为各种废热、余热的回收再用提供了高效实用的途径。是控制水体热污染，改善大气环境的新生绿色能源。

参考文献
1. 贺益英，关于火、核电厂循环冷却水的余热利用问题，中国水利水电科学研究院学报，2004年，第4期；
2. 中国电力企业联合会，中国电力行业年度发展报告2006，2006年9月；
3. 污水资源化有新途，水源热泵系统前景广，中国环境报，2001年8月30，第4版
4. 杨自强，热泵技术与应用，浅层地能（热）的开发与利用（汇编），北京恒有源科技发展有限公司，2004年8月；
5. 董菁菁，从污水中淘金，中国财经报 2006年8月16日。