1、第六章 熱污染及其控制第六章第一節(jié) 概述第二節(jié) 水體熱污染第三節(jié) 熱島效應(yīng)第四節(jié) 溫室效應(yīng)第五節(jié) 熱污染評(píng)價(jià)與標(biāo)準(zhǔn)第六節(jié) 熱污染控制技術(shù)第一節(jié) 概述 一、熱環(huán)境 二、熱污染 環(huán)境熱學(xué) 環(huán)境物理學(xué) 分支 熱環(huán)境 研究 影響 人類活動(dòng) 人體健康 影響熱環(huán)境又稱環(huán)境熱特性， 是提供給人類生產(chǎn)、生 活及生命活動(dòng)的生存空 間的溫度環(huán)境。 自然環(huán) 境 城市環(huán)境建筑環(huán)境 一、熱環(huán)境 表 6-1 熱環(huán)境分類名 稱熱 源特 征自然熱環(huán)境主要熱源是太陽(yáng) 熱特性取決于環(huán)境接收太陽(yáng)輻射的情況并與環(huán)境中大氣同地表間的熱交換有關(guān)也受氣象條件的影響。人工熱環(huán)境房屋、火爐、機(jī)械、化學(xué)等設(shè)施人類為防御、緩和外界環(huán)境劇烈的熱特性

2、變化，創(chuàng)造的更適于生存的熱環(huán)境。人類的各種生產(chǎn)、生活和生命活動(dòng)都是在人工熱環(huán)境中進(jìn)行的。定義：地球大氣圈外層空間垂直于太陽(yáng)光線束的單位面積上單位時(shí)間內(nèi)接受的太陽(yáng)輻射能量的大小數(shù)值：約為1.95cal/cm2min（1cal=4.1840J）。太陽(yáng)輻射通量（或稱太陽(yáng)常數(shù)）：圖6-2 太陽(yáng)輻射通量分配狀況圖 太陽(yáng)表面的有效溫度為5497地殼以外的大氣層影響地球接受太陽(yáng)輻射的因素 ：地表形態(tài) 大氣上界 大氣 地球表面 太陽(yáng)輻射中到達(dá)地表的主要是短波輻射 距地表2050km的臭氧層主要吸收對(duì)地球生命系統(tǒng)構(gòu)成極大危害的紫外線 氣體分子、塵埃和云，則對(duì)大氣輻射起反射和散射作用地表的形態(tài)決定了吸收和反射太陽(yáng)

3、輻射能量之間的比例關(guān)系，不同的地表類型差異較大。地表在吸收部分太陽(yáng)發(fā)射的同時(shí)，又對(duì)太陽(yáng)輻射起反射作用。而且吸熱后溫度升高的地表也同樣以長(zhǎng)波的形式向外輻射能量 表6-2 大氣中主要物質(zhì)吸收輻射能量的波長(zhǎng)范圍物質(zhì)種類 吸收能量的波長(zhǎng)范圍 / m N2, O2, NO 0.1短波距地100km, 對(duì)紫外光完全吸收O2 351 30 31 32 322 28 29 30 303 26 27 28 284 25 26 27 27人體的能量代謝等級(jí)可通過(guò)測(cè)量獲得；沒(méi)有能量代謝數(shù)據(jù)時(shí)，也可根據(jù)勞動(dòng)強(qiáng)度將其劃分為相應(yīng)的5個(gè)等級(jí)，即休息、低代謝率、中代謝率、高代謝率和極高代謝率（表6-15）。 級(jí) 別平均能量代

4、謝率M示 例W/m2 kcal/minm2kJ/minm20休息650.9303.892休息1低代謝率651300.9301.8593.8927.778坐姿：輕手工作業(yè)(書寫、打字、繪畫、縫紉、薄記、記帳),手和臂勞動(dòng)(小修理工具、材料的檢驗(yàn)、組裝或分類), 臂和腿勞動(dòng)(正常情況駕駛車輛腳踏開(kāi)關(guān)或踏腳)立姿：鉆孔(小型), 碾磨機(jī)(小件),繞線圈, 小功率工具加工, 閑步(速度3.5km/h)2中代謝率1302001.8592.8627.77811.974手和臂持續(xù)動(dòng)作(敲釘子或填充), 臂和腿的工作(卡車、拖拉機(jī)或建筑設(shè)備等非運(yùn)輸操作), 臂和軀干工作(風(fēng)動(dòng)工具操作, 拖拉機(jī)裝配、粉刷、間斷

5、搬運(yùn)中等重物、除草、鋤田、摘水果和蔬菜), 推或拉輕型獨(dú)輪或雙輪小車(速度3.55.5km/h), 鍛造3高代謝率2002602.8623.72111.97415.565臂和軀干負(fù)荷工作, 搬重物、鏟、錘鍛、鋸刨或鑿硬木, 割草、挖掘、以5.57 km/h速度行走, 推或拉重型獨(dú)輪或雙輪車, 清砂、安裝混凝土板塊4極高代謝率2603.72115.565快到極限節(jié)律的極強(qiáng)活動(dòng), 劈砍工作, 大強(qiáng)度的挖掘, 爬梯、小步急行、奔跑、行走速度超過(guò)7km/h表6-15 能量代謝率分級(jí) 2.干-濕-黑球溫度 濕球黑球溫度（WBGT）指數(shù)儀 溫濕指數(shù)（THI） 計(jì)算式 根據(jù)THI進(jìn)行的熱環(huán)境評(píng)價(jià)（表6-16

6、） 2.干-濕-黑球溫度相對(duì)濕度，% 表6-16 溫濕指數(shù) (THI)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 范圍 / 感覺(jué)程度范圍 / 感覺(jué)程度28.0炎熱17.024.9舒適27.028.0熱15.016.9涼25.026.9暖15.0冷（6-4） （6-5） 是平均輻射溫度和空氣溫度關(guān)于各自對(duì)應(yīng)的 換熱系數(shù)的加權(quán)平均值。計(jì)算式3.操作溫度（OT）平均輻射溫度（艙室墻壁溫度）； 熱輻射系數(shù)； 熱對(duì)流系數(shù)。 （6-6） 丹麥工業(yè)大學(xué)P.O. Fanger等（1972）：ISO-7730標(biāo)準(zhǔn)室中熱環(huán)境PMV與PPD指標(biāo)的 確定及熱舒適條件的確定中提出； 計(jì)算式根據(jù)PMV進(jìn)行的熱環(huán)境評(píng)價(jià)（表6-17）4.預(yù)測(cè)平均熱反應(yīng)指標(biāo)

7、（PMV）人體的總產(chǎn)熱量 表6-17 PMV指標(biāo)對(duì)熱環(huán)境的判斷 很熱熱溫暖適中涼冷很冷感覺(jué)3210-1-2-3PMV（6-7） 中國(guó)，葉海（2004）：表示顯熱散熱占總產(chǎn)熱量的比值；可以用于普通熱環(huán)境的客觀評(píng)價(jià)；也可以作為PMV的一種簡(jiǎn)易計(jì)算方法；計(jì)算式根據(jù)HB進(jìn)行的熱環(huán)境評(píng)價(jià)（表6-18）5.熱平衡數(shù)（HB）服裝的基本熱阻 5.熱平衡數(shù)（HB）表6-18 HB的熱感覺(jué)等級(jí) HB熱感覺(jué)PMVHB熱感覺(jué)PMV0.91稍涼10.55微暖0.380.83略涼0.690.46略暖0.690.75微涼0.830.38稍暖10.65熱中性0HB包含了影響熱舒適的5個(gè)基本參數(shù)：空氣溫度、平均輻射溫度、風(fēng)速、

8、活動(dòng)量和服裝熱阻；可用于對(duì)熱環(huán)境進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，其值在01之間，值越高表示環(huán)境給人的熱感覺(jué)越?jīng)鏊?第六節(jié) 熱污染控制技術(shù)一、節(jié)能技術(shù)與設(shè)備 三、二氧化碳固定技術(shù) 二、生物能技術(shù) 一、節(jié)能技術(shù)與設(shè)備 （一）熱泵 節(jié)能技術(shù)與設(shè)備（二）熱管 （三）隔熱材料 （四）空冷技術(shù) （一）熱泵 熱泵：將熱由低溫位傳輸?shù)礁邷匚坏难b置。熱泵技術(shù)：一種高效、節(jié)能、環(huán)保技術(shù)；熱泵設(shè)備的開(kāi)發(fā)利用始于20世紀(jì)2030年代；70年代能源危機(jī)的出現(xiàn)，使熱泵技術(shù)得以迅速發(fā)展。工作原理：卡諾循環(huán)（圖6-10）利用機(jī)械能、熱能等外部能量，通過(guò)傳熱工質(zhì)把低溫?zé)嵩粗袩o(wú)法被利用的潛熱和廢熱，通過(guò)熱泵機(jī)組集中后再傳遞給要加熱的物質(zhì)。圖6-

9、10 典型壓縮式熱泵的工作原理（一）熱泵 熱泵用途：住宅取暖，提高生活熱水，食品干燥加工、木材和種子干燥，工業(yè)鍋爐的蒸汽加熱等。 熱泵的熱量來(lái)源：空氣、水、地?zé)岷吞?yáng)能。以各種廢水、廢氣為熱源的余熱回收型熱泵不僅節(jié)能，同時(shí)直接減少人為熱的排放，減輕環(huán)境熱污染。采用熱泵與直接電加熱相比，可節(jié)電80%以上。對(duì)于100以下的熱量，采用熱泵比鍋爐供熱可節(jié)約燃料50%。 熱泵在北美和歐洲的應(yīng)用最廣（表6-19）表6-19 歐洲一些國(guó)家熱泵機(jī)組的應(yīng)用95% 85%15%30 000法國(guó)91% 55%5%40%67 000瑞士90% 16%12%72%370 000瑞典43% 29 500荷蘭63% 17%

10、11%72%100 000德國(guó)空氣源水源地源用于住宅供暖熱泵類型2000年總量國(guó)家（一）熱泵 圖6-11 莫斯科市烏赫托斯基生活區(qū)電-熱-冷三聯(lián)供系統(tǒng)能源及功率分配 整個(gè)系統(tǒng)的能量都來(lái)自當(dāng)?shù)氐摹岸文茉础?，不需消耗任何化石燃料?城市污水地下干管 天然氣的壓力由2MP減至0.30.6MPa 美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的G.M.Grover于1963年發(fā)明了熱管。（二）熱管 熱管：利用密閉管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝進(jìn)行傳熱的裝置。熱管的結(jié)構(gòu)：由管殼、吸液芯（毛細(xì)多孔材料構(gòu)成）和工質(zhì)（傳遞熱能的液體）三部分組成。 工作原理：圖6-12圖6-12 熱管的工作原理熱管一端為蒸發(fā)端，另一端為冷凝端。當(dāng)

11、一端受熱時(shí)，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不止，即將分散的熱量集中起來(lái)。 （二）熱管 散熱器熱管解剖 熱管的工作原理 （二）熱管 優(yōu)點(diǎn)：與熱泵相比，熱管不需從外部輸入能量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性，而且熱傳輸量大，可以遠(yuǎn)距離傳熱。應(yīng)用：廣泛用于余熱回收，主要用作空氣預(yù)熱器、工業(yè)鍋爐和利用廢熱加熱生活用水，在太陽(yáng)能集熱器、地?zé)釡厥业确矫娑既〉昧撕芎玫男б??？諝忸A(yù)熱器螺旋式空氣預(yù)熱器回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器工業(yè)鍋爐太陽(yáng)能集熱器地?zé)岣魺岵牧?隔熱材料的種類 2隔熱材料的基本性能 （4）低溫工程隔

12、熱技術(shù)（1）礦井巷道隔熱技術(shù)（3）建筑工程隔熱技術(shù) （2）工業(yè)爐窯隔熱技術(shù)（三）隔熱材料 (1)多孔纖維質(zhì)材料 1隔熱材料的種類 隔熱材料按內(nèi)部 組織和構(gòu)造分類 (2)多孔質(zhì)顆粒類材料 (3)發(fā)泡類隔熱材料 1隔熱材料的種類 (1)多孔纖維質(zhì)材料 由無(wú)機(jī)纖維制成的單一纖維氈或纖維布或者幾種纖維復(fù)合而成的氈布。常見(jiàn)的有超細(xì)玻璃棉、石棉、礦巖棉等。 超細(xì)玻璃棉石棉 礦巖棉 1隔熱材料的種類 (1)多孔纖維質(zhì)材料 隔熱布碳纖維隔熱材料1隔熱材料的種類 常見(jiàn)的有膨脹蛭石、膨脹珍珠巖等材料。 (2)多孔質(zhì)顆粒類材料 膨脹珍珠巖 膨脹蛭石 1隔熱材料的種類 常見(jiàn)的有三類：無(wú)機(jī)類:泡沫玻璃、泡沫水泥等；有機(jī)

13、類:聚氯脂泡沫、聚乙烯泡沫、酚醛泡沫及聚胺酯泡沫等；混合型:由空心玻璃微球或陶瓷微球與樹(shù)脂復(fù)合熱壓而成的閉孔泡沫材料。(3)發(fā)泡類隔熱材料 (3)發(fā)泡類隔熱材料 無(wú)機(jī)類泡沫玻璃泡沫水泥(3)發(fā)泡類隔熱材料 有機(jī)類發(fā)泡橡膠酚醛泡沫聚胺酯泡沫聚乙烯閉孔泡沫(3)發(fā)泡類隔熱材料 混合型空心玻璃微球陶瓷微球復(fù)合發(fā)泡隔熱材料2隔熱材料的基本性能 不同領(lǐng)域中隔熱材料的選擇及隔熱技術(shù)的應(yīng)用也各不相同。導(dǎo)熱率：隔熱材料最基本的指標(biāo)；衡量隔熱效果的主要參數(shù)；通常導(dǎo)熱率越低越好空心微珠導(dǎo)熱率僅0.080.1W/（mK），隔熱性能極好。密度（表觀密度和壓縮密度）：隔熱材料的密度一般都比較?。幻芏冗^(guò)高會(huì)增加隔熱層重量

14、。強(qiáng)度：隔熱材料需具備一定的強(qiáng)度；強(qiáng)度太低易導(dǎo)致變形其他：耐熱性、防水性、耐火性、 抗腐蝕性和施工方便性等。2隔熱材料的基本性能 不同領(lǐng)域中隔熱材料的選擇及隔熱技術(shù)的應(yīng)用也各不相同。（1）礦井巷道隔熱技術(shù)礦井巷道隔熱材料要求導(dǎo)熱系數(shù)和密度小，具有 一定的強(qiáng)度和防水性能。一般導(dǎo)熱率低于0.23W/（mK）時(shí)，才能起到較 高的隔熱作用。巷道隔熱材料的組成：表6-20膠凝材料：隔熱材料的強(qiáng)度組成；集料：改善隔熱性能；外摻料：用于減少水泥用量；外加劑：提高隔熱材料的各項(xiàng)性能。自來(lái)水增強(qiáng)劑、發(fā)泡劑減水劑、防水劑粉煤灰硅灰石、膨脹珍珠巖水泥、生石灰水外加料外摻料集料膠凝材料表6-20 巷道隔熱材料的組成（

15、2）工業(yè)爐窯隔熱技術(shù)爐襯結(jié)構(gòu)使用的隔熱材料須耐高溫（2000 ）。輕質(zhì)碳磚隔熱技術(shù)性能：表6-21不同隔熱材料優(yōu)化組合，分區(qū)段匹配使用。18001.520.01.235.093.06.0TKQ-2160020001.522.51.2530.084.015.0TKQ-1使用溫度/ 導(dǎo)熱系數(shù)/ W/mK抗壓強(qiáng)度/ MPa體積密度/ gcm-3氣孔率/ %固定碳/ %灰分/ %性能指標(biāo)種類表6-21 輕質(zhì)炭磚技術(shù)性能指標(biāo) 自來(lái)水增強(qiáng)劑、發(fā)泡劑減水劑、防水劑粉煤灰硅灰石、膨脹珍珠巖水泥、生石灰水外加料外摻料集料膠凝材料表6-20 巷道隔熱材料的組成（3）建筑工程隔熱技術(shù) 各建筑部位常用的隔熱材料：表6

16、-22 。分類 圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用部位 內(nèi)墻保溫隔熱材料 外墻保溫隔熱材料 材料的狀態(tài)及工藝 板塊狀保溫隔熱材料 漿體保溫隔熱材料 （4）低溫工程隔熱技術(shù)隔熱材料的蓄熱系數(shù)越大，冷卻降溫速度越慢。速凍間選擇蓄熱系數(shù)小的材料做隔熱內(nèi)層，有利于提高降 溫速度、減少冷負(fù)荷、節(jié)省投資和運(yùn)行費(fèi)用。冷藏間則應(yīng)選用蓄熱系數(shù)較大的隔熱材料，以減少庫(kù)內(nèi)壁 表面的溫度波動(dòng)，保持庫(kù)內(nèi)溫度穩(wěn)定，節(jié)省動(dòng)力消耗。氧化鋁輕質(zhì)耐火磚高鋁聚輕磚高強(qiáng)高粘土質(zhì)隔熱耐磚 莫來(lái)石聚輕隔熱磚 硅質(zhì)隔熱磚輕質(zhì)磚房頂隔熱磚隔熱材料（四）空冷技術(shù) 優(yōu)點(diǎn)：顯著節(jié)約水資源有助于控制水體熱污染。缺點(diǎn)：耗電量大增加燃料消耗適用：能源豐富、水源短缺的地區(qū)。

17、生物能技術(shù)（三）生物質(zhì)氣化技術(shù) （四）生物質(zhì)燃料酒精 二、生物能技術(shù) （五）生物質(zhì)熱裂解液化技術(shù) （一）生物能的特點(diǎn)及開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀 （二）生物質(zhì)壓縮成型技術(shù) （一）生物能的特點(diǎn)及開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀 動(dòng)物 生物質(zhì) 植物 排泄物 有機(jī)廢水 有機(jī)垃圾 以生物質(zhì)為載體的能量是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物中的能量形式。生物能 載體是以實(shí)物形式存在的有機(jī)物；是惟一一種能夠儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)目稍偕Y源；可減少CO2、SO2和NOx等污染物的排放量；分布最廣，開(kāi)發(fā)和利用對(duì)常規(guī)能源具有很大的 替代潛力。特點(diǎn) （一）生物能的特點(diǎn)及開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀 一、建立以沼氣為中心的農(nóng)村新能源；二、建立“能量林場(chǎng)”、“能量農(nóng)場(chǎng)”和 “海洋能量農(nóng)場(chǎng)”，以植

18、物為能源發(fā)電，常 用能源植物或作物有綠玉樹(shù)，續(xù)隨子等；三、種植甘蔗，木薯，海草，玉米，甜菜， 甜高粱等，發(fā)展食品工業(yè)的同時(shí)，用殘?jiān)?制造酒精來(lái)代替石油。開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀 （一）生物能的特點(diǎn)及開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀 沼氣罐太陽(yáng)能沼氣罐建立以沼氣為中心的農(nóng)村新能源 建立以沼氣為中心的農(nóng)村新能源沼氣綜合利用技術(shù)能源植物或作物綠玉樹(shù)綠玉樹(shù)種子能源植物或作物蓖麻續(xù)隨子甘蔗 能源植物或作物能源植物或作物 木薯 能源植物或作物 海草能源植物或作物 甜菜 玉米能源植物或作物 甜高粱能源植物或作物（二）生物質(zhì)壓縮成型技術(shù) 生物質(zhì)壓縮成型 利用設(shè)備和模具，將結(jié)構(gòu)疏松的生物質(zhì)原料制成成型燃料品。 秸稈壓塊生物質(zhì)壓縮設(shè)備 （二）生物質(zhì)壓縮

19、成型技術(shù) 成型生物質(zhì)燃料的優(yōu)點(diǎn)（表6-23）大氣污染物、固體排放量少，鍋爐腐蝕程度小、節(jié)能、成本低。表6-23 0.5t鍋爐采用不同燃料的耗能情況 41.418 63616.540032成型燃料30.4209302040040煤30.718 40622.540040刨花、木屑熱效率/%熱值/%耗能/kJkg-1水量/kg升溫時(shí)間/min項(xiàng) 目燃料（二）生物質(zhì)壓縮成型技術(shù) 生物質(zhì)壓縮成型工藝流程（圖6-13）（三）生物質(zhì)氣化技術(shù) 生物質(zhì)氣化 在一定熱力條件下，使生物質(zhì)的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為含一氧化碳和氫氣等可燃?xì)怏w的過(guò)程。 工藝系統(tǒng)：圖6-14 圖6-14 燃?xì)獍l(fā)生的工藝系統(tǒng) 1-加料器；2-氣化器

20、；3-凈化器；4-燃?xì)廨斔蜋C(jī) 生物質(zhì)經(jīng)氣化后排出的粗燃?xì)庵谐：幸恍╇s質(zhì)，直接進(jìn)入供氣系統(tǒng)會(huì)影響設(shè)施和管網(wǎng)的運(yùn)行，須進(jìn)行凈化。燃?xì)廨斔蜋C(jī)：控制系統(tǒng)運(yùn)行和啟停，提供使燃?xì)饬鲃?dòng)的壓力。 （三）生物質(zhì)氣化技術(shù) 生物質(zhì)氣化的優(yōu)勢(shì)國(guó)內(nèi)，生物質(zhì)集中供氣系統(tǒng)投資與天然氣基本相 當(dāng)，但環(huán)境效益和社會(huì)效益高得多，更具應(yīng)用前景。生物質(zhì)氣化后可用于發(fā)電，綜合發(fā)電成本已接近 典型常規(guī)能源的發(fā)電水平。系統(tǒng)技術(shù)靈活，環(huán)境污染少；目前，中型氣化發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成熟。生物質(zhì)秸稈氣化供氣系統(tǒng)（三）生物質(zhì)氣化技術(shù) 山東省生物質(zhì)氣化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（三）生物質(zhì)氣化技術(shù) 含木質(zhì)素的生物質(zhì)廢棄物。 主要原料 與汽油比，燃燒酒精釋放的有害氣體少得多，CO2凈排放量也很少。作為汽油添加劑，摻入1015%酒精可使汽油燃燒更完全，減少CO的排放。生產(chǎn)工藝原理比較簡(jiǎn)單， 優(yōu)點(diǎn) （四）生物質(zhì)燃料酒精 常用工藝：酸水解、酶水解和發(fā)酵 SCF酶水解工藝流程：圖6-15 該工藝生產(chǎn)酒精成