开发水源技术，解决热泵发展的瓶颈问题
水源热泵技术是既节能，又环保供暖、空调的理想技术（一级）
以电力驱动的压缩式水源热泵为例，如果考虑使用的是火电，即所使用的电力原来也是燃煤发出的，则有如下粗略计算： 燃煤发电的效率为1/3左右，水源热泵的COP值可达4以上，即其能源利用效率为400%左右，两者综合得到热泵供热的能源利用效率为4/3=1.33。而直接燃煤供热的能源利用效率仅为0.6左右（考虑到锅炉效率，输运损失，不平衡时调节不利的损失等）。两者比较可知热泵供热比燃煤供热节煤55%！如果按使用的是水电考虑，则与燃煤完全无关。 每使用一吨天然水源的水作为热泵的热源，以取热过程中降温5℃计算，（注：不同水源水利用热泵的可降温幅度大不一样，这里仅以此降温幅度为例计算出一个数据供参考），人们可获取5000千卡热能，这大约相当于1kg燃煤中蕴含的化学热能。考虑到燃煤供热过程的各种损失，约可节煤将近2kg。每燃烧1kg煤，将向大气排放3kg以上，此外还有大量粉尘、等各种有害物质。节省了燃煤，自然就避免了相应的大气污染。另外，热泵的应用过程无排渣，不排烟，纯属清洁能源。 城市污水与江、河、湖、海等天然水体中蕴含有极大量的环境能源（一级） 全国城市污水的排放总量约在500亿吨/年左右。仍以可降温5℃提取的显热估算，它相当于0.5亿吨燃煤的化学热值。当然由于主、客观各方面的原因，它不可能被完全地开发，但从技术与客观条件方面看，可开发量至少应在10%以上。 全国江、河、湖、海等天然水体中的总水量可用无穷大来形容[1]。这些水体中有多少热能可开采是一个与技术有关的问题。笔者于2005年12月底派人实际调查了我国部分地区地面水体的温度情况，如下表1所示。表中数据表明，这些天然水体在冬季最冷时段都已接近0℃。受冰点的限制，如果说4℃～5℃的水采用大水量的方法勉强还可用来提取一点显热的话，从2℃的水中提取显热就不再具有工程上的可行性。 这些情况引发了提取冷水凝固热的需求。一公斤水结冰时释放的凝固热为80千卡，而一公斤水降温一度人们才获取1千卡热量。若能开发出提取冷水凝固热的热泵机组，则我国广大地区包括东北、西北严寒地区在严寒的冬季就有了取之不尽，用之不竭的水源热源，所有天然水体封冻表面以下的江、河、湖水全都可以成为水源热泵的热源。在采用城市污水作热源时，将不再存在建筑物附近水量不足的问题。用提取凝固热的方法，本栋楼排放生活污水中所含的热能将可绰绰有余地供应本栋楼采暖。如果提取冷水凝固热的技术成熟，用水源热泵在全国完全取代燃煤为建筑物供热在水源方面将不再存在量的问题。 表1 我国部分地区地面水冬季最低水温（℃）
| 地区 | 地面水体名称 | 水温 |
| 天津 | 海河4m深处 | 2 |
| 北京 | 护城河1.5m深处 | 2 |
| 西安 | 产河2m深处 | 4.5 |
| 上海 | 西沟河3.5m深处 | 4 |
| 上海 | 黄浦江江边 | 5 |
| 杭州 | 护城河与京杭大运河4m深处 | 5 |
| 南京 | 秦淮河2m深处 | 4.5 |
不良水质对换热设备的堵塞、腐蚀与污染问题是障碍水源热泵发展的瓶颈（一级）
与机组主机相关的技术与制冷技术同生共存，已有上百年历史，虽还在不断改进，但不存在技术障碍。真正存在的问题是不良水质在换热过程中可能引发的各种问题。 堵塞问题（二级）
通常概念下的换热设备都是紧凑的，无论板式，壳管或螺旋板式，都属于紧凑式换热器（compactheatexchanger）。不良水质的水进入这类换热器，自然会引起堵塞问题。
笔者在实际工程中作过的试验表明，将城市污水干渠中的原生污水引入常规的壳管换热器，换热器内特别是封头部分将在很短的时间内被堵塞。从江、河、、湖、海中引来的天然水，虽然其水质要比城市污水好许多，但仍不能避免堵塞问题。假定每立方米水中只有一片树叶或其他大尺度污杂物，当工程的运行流量在每小时数百或上千吨时，长时间运行，污杂物的总量对换热器的堵塞是足够的。进行给排水专业意义上的水处理是不可行的。实施任何该类水处理措施每吨水都需花费几元钱。附带说明，国外的某些利用城市污水作热泵热源的技术，走的就是这条传统路线，因此他们方案的初投资与运行费用都极高。实际上，每吨水中的可提取热能按普通的热价计算仅值几角钱，且这个效益不全属于污水，因为为获取这个效益还必须投入许多设备，耗费一定的电能。可靠，经济地解决无堵塞换热问题是开发上述诸多水源作热泵冷热源的关键。 腐蚀与污染问题（二级）
就暖通空调所用水源热泵而言，不良水质对换热设备腐蚀与污染问题的严重性在一些专业人士的心目中往往被夸大了。实际上地面的自然水和城市污水对换热设备的腐蚀与污染问题在实际工程中都不很显著。
首先，关于腐蚀问题，城市的生活污水虽然水质极差，但其PH值却近似为7。地面水的酸碱度也近似为中性。这就决定了它们对碳钢的腐蚀不会很严重，特别是在密闭运行的情况下（不暴露大气）。同腐蚀问题一样，当水质较差或很差时，对换热表面的污染也是不可避免的。污染带来的直接影响是换热热阻增大，换热效果降低。据笔者的工程实践数据总结，使用城市原生污水壳管换热器的传热系数，在经历一个采暖季运行后，降低将近20%。
解决换热设备堵塞、腐蚀与污染问题的一些方法和措施（一级）
关于腐蚀与污染问题（二级）
海水是特例，其腐蚀问题必须认真解决。由于海水对人类并非新事物，因此对海水的防腐措施也已成熟，有很多船体防腐，海内构筑物防腐的经验可供参考。一般须采用合金材质制作换热器，并辅之以电化学防腐措施。
对地面淡水的防腐与防污染问题，则大可不必过分地应对。换热设备采用通常的碳钢材质即可。完全不腐蚀是不可能的。轻度的腐蚀仅会些许降低换热系数，假定运行一个相当长的周期后换热器腐蚀到了即将泄漏的程度，换一台换热器也比当初采用特种钢材经济。设计时按常规做法将换热面积取一个余量系数，即可保证整个采暖或空调季的换热效果。换季时将换热器打开清洗是正常的维护程序，壳管换热器的人工清洗操作方便，成本很低，是很容易的事情。设计时最好将总的换热面积分为几台，几用一备，这样即可在任何时刻对换热器进行人工清洗了。这里主张的人工清洗似乎不够高级，没有推崇国外的诸如拉球等自动方案，但笔者赞同一个很精辟的观点：达到同样效果时，最经济的方案就是最科学的方案。
关于防堵塞问题（二级）
笔者的几个发明专利已经成功地解决了这个问题，并已经历了工程实际几年的验证。总计有三种方法，分别被记录在1）发明专利：“城市污水冷热源的应用方法与装置”申请号：ZL03132553.X；
2）发明专利：“设置有滚筒格栅的城市污水水力自清装置”申请号：2004100436549；3）发明专利：“城市污水冷热源应用空气载热法”申请号：200510009670.0；4）发明专利：“含污水源低温热能利用管式换热法”申请号：200510009836.9。
第一种方法是属于过滤范畴的方法，不同点在于过滤面是被原污水反冲洗而连续获得再生的。再根据专利原理研制的专利设备“污水处理机”中，过滤面在污水换热器的供、回水通道间旋转，（中间有隔板）在大部分过滤面位于供水通道执行过滤功能的同时，小部分过滤面位于回水通道被用过的污水反冲洗，然后连同全部污杂物返回污水渠。整个过程是密闭运行的，从总体上看对污水除了取热外，没有进行任何处理，甚至可以说并没有过滤，因为并没有把污杂物取出来。这也是该设备运行简便，费用很低的原因之一。
第二种方法是一种利用空气获取污水中热量的方法。将污水渠本身看作是换热设备，抽取渠内的空气作为空气源热泵的热源。该空气在机组与污水渠间循环，在渠中吸收热量，到机组蒸发器中交给机组。为了提高污水与渠中空气的换热速率，可在渠中设叶片，并将污水往叶片上淋洒。需用污水渠的长度是足够的，具体长度，即空气进、出口之间的距离可由换热计算确定。可以想见：包括在我国严寒的北方，该空气源温度也在0℃以上，这是其他空气源热泵与之无法相比的。
第三种方法是抛弃了换热器应该紧凑的概念，既然是在使用易堵的污水，为什么一定还要追求换热器的紧凑？采用套管型的换热部件，污水走有足够管径防堵的内管，载热介质走环形空间。看来换热器的总体积会很大，但当污水渠距离建筑物较远时，采用上述第一种方法须专设污水管路输运，该方法利用在地下埋设的环管输运兼换热，省去了专门输运的管路，总的来看很经济的。
取冷水冷凝热的方法（二级）
笔者在提取低温冷水凝固潜热方面提出并设计了三种创新的方法，分别属于三个发明专利，它们是：
1）发明专利：冷水凝固热的采集装置申请号：200610009616.0；2）发明专利：基于壁面弹性变形剥冰提取凝固潜热制取流体冰的方法申请号：200610009618.X3）发明专利：利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵申请号：200610009617.5。
第一个专利的主要内容为设计了一种新的、实用的机械刮冰装置。该装置的核心部件为圆管及管中的螺旋状蛟龙，通过蛟龙的旋转将管内壁面上结的冰刮下来。设计计算的主要内容为：A.结冰的换热温差，结冰换热量，所需换热面积以及相应所需的管径、管长和管的根数；B.刮冰耗功问题。为降低刮冰的耗功确定优化的管径（与刮冰力矩成正比）以及蛟龙的转数，其中管径是与所需的换热面积相关的；C.诸多换热管的排列方法，水与冷媒空间的布置及它们之间的隔绝方式；D.各根管中蛟龙旋转的驱动方法及它们之间的联动问题。设计计算表明，刮冰的耗功仅为所获取冷凝热的1%以下，冰水混合流体中冰的体积比份可保持在2%以内，确保流动过程无堵塞发生。管外的冷媒采用乙二醇水，温度控制在-3℃～-5℃，蒸发温度为-7℃左右。
第二个专利的主要内容为给出一个将冰从壁面上剥离的新思路与新方法。令换热壁面缓慢地、间歇或连续地弹性变形，当壁面上结的冰达到一定的厚度时，它们将因壁面的变形而产生脆裂，并可在水流、气流、重力、浮力等的作用下从壁面上脱落至水中。笔者已经开发出多种变形剥冰的系统形式，可弹性变形换热面的一个实例为螺旋形弹簧管，设计计算表明，虽然过程中冰层始终有一定的厚度，但其导热热阻在传热的总热阻中仍只占一个很小的比例。用机械力令其缓慢地弹性变形耗功很小，不构成附加的能耗问题。弹性变形类蒸发换热器不仅可应用于凝固潜热型热泵中，也可以应用于冰蓄冷和食品冷藏中。
第三个专利的主要内容为给出一个产生流体冰的新方法。将热源水喷射成雾滴状至温度为零下的空气流中，将这些雾滴状的水冷凝成冰粒；该空气流是在喷雾结冰室与机组蒸发器之间循环流动并不断被蒸发器取走热量而保持低温的。含冰粒的空气流在离开喷雾结冰室时，其中的大部分冰粒通过惯性力和分离装置被分离到热源的回水中。含有剩余冰粒并且相对湿度近100%的空气流进入蒸发器被冷却以保持低温。可以想见，在这样的空气流被冷却时，蒸发器的金属表面一定会严重结霜。为解决除霜问题，该专利的办法是设两个蒸发器交替工作，在一个蒸发器冷却空气流的同时，另一个蒸发器内停止制冷剂的供应，并使用进行清霜。该方法充分利用了系统自身的固有资源，能耗小，运行可靠。
注：本文披露的专利内容均涉及哈尔滨工业大学的知识产权，欢迎合作，望勿侵权。
