直接式污水源熱泵系統(tǒng)技術優(yōu)勢與新進展

段萬軍，馬世君，丁力群，張承虎

(1.沈陽渾南熱力有限責任公司，遼寧 沈陽110004;2.哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱150090)

城市污水源熱泵系統(tǒng)可分為直接式與間接式兩類。若污水直接進入熱泵機組的蒸發(fā)器或冷凝器換熱則為直接式系統(tǒng)，若污水先與中介水換熱，中介水再進入熱泵機組則為間接式系統(tǒng)。本文從多年工程經驗總結和研究成果分析出發(fā)，介紹直接式污水源熱泵的構成、分類，與間接式系統(tǒng)的對比優(yōu)勢，以及直接式污水源熱泵技術的最新進展。

1 直接式與間接式系統(tǒng)的構成與分類

如圖1所示，直接式系統(tǒng)可分為2個循環(huán)子系統(tǒng):即污水取排與換熱子系統(tǒng)和末端循環(huán)子系統(tǒng)。而間接式系統(tǒng)可分為3個循環(huán)子系統(tǒng):污水取排與換熱子系統(tǒng)、中間換熱子系統(tǒng)、末端循環(huán)子系統(tǒng)。簡單地從系統(tǒng)構成來看，直接式系統(tǒng)較間接式系統(tǒng)簡單，沒有中介水循環(huán)系統(tǒng)的水泵、管路、定壓補水、調節(jié)控制以及污水換熱器。

圖1 間接式系統(tǒng)(左)與直接式系統(tǒng)(右)

根據(jù)熱泵熱力循環(huán)的不同，污水源熱泵主機可分兩大類:蒸汽壓縮式和溴化鋰吸收式［1］，二者具有不同的特點和要求:

(1)對供熱而言，蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)對污水量依賴嚴重;而吸收式所需污水量較小，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

(2)對制冷而言，溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)夏季所需污水流量較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性對水源穩(wěn)定性的依賴程度高。

根據(jù)污水源的水質不同，也可以劃分為兩大類:原生污水直接式熱泵系統(tǒng)和二級污水直接式污水源熱泵系統(tǒng)。

(1)原生污水水質惡劣，容易堵塞蒸發(fā)/冷凝器，因此必須配備有效的前置過濾裝置，而且污水流道尺寸要有所增大。

(2)原生污水化學、微生物成分復雜，對金屬的腐蝕性比二級排放污水要強許多，因此原生污水換熱管的厚度要大，材質要好，造價要高。

(3)原生污水對換熱面的軟垢污染和軟垢熱阻也要比二級排放污水大很多，因此原生污水換熱管內流速要高、換熱面積要大。

就目前的發(fā)展情況來看，蒸汽壓縮式的二級排放污水源直接式熱泵技術發(fā)展和應用較早也較好，在一些污水處理廠內已有一些小型工程實踐。

2 直接式系統(tǒng)與間接式系統(tǒng)的比對優(yōu)勢

定性分析，直接式系統(tǒng)與間接式系統(tǒng)相比有很大的優(yōu)點，主要是:

(1)在同樣的水源條件下供出同樣多的熱量，蒸發(fā)溫度可提高3～5℃左右，系統(tǒng)總的耗電量可降低9%～15%以上。熱泵機組效率得以很大提高，帶來節(jié)能減排的更大效果。

(2)省去了污水換熱器及相應的中介水循環(huán)水泵，機房占地面積減少，不僅大大降低了土建和設備初投資，而且也減少水泵能耗。

(3)獲取同樣多的熱量，所需的污水量可減小一倍左右。一般來說，直接式比間接式可利用的空間大3～5℃。

定量分析，將直接式與間接式進行對比分析，前提是二者的換熱量相同，兩種系統(tǒng)的污水進出口溫度和平均溫度相同。在此前提下不難看出換熱器面積之間存在如下關系［2］

式中Ki——直接式機組換熱器的傳熱系數(shù);

Ai——直接式機組換熱器的換熱面積;

tei——直接式機組的蒸發(fā)溫度;

Kd——間接式機組換熱器的傳熱系數(shù);

Ad——間接式機組換熱器的換熱面積;

ted——間接式機組的蒸發(fā)溫度;

tsi——污水進口溫度;

tso——污水出口溫度;

Δtmm——污水換熱器平均傳熱溫差，一般為4～5℃;

Ks——污水換熱器的傳熱系數(shù);

As——污水換熱器的換熱面積。

2.1 關于傳熱系數(shù)的比對

基于以下三個原因，我們有理由相信Ki≈Kd，或者至少二者相差不是非常懸殊:

(1)污水作為一種弱的剪切稀化的非牛頓流體，在剪切速率較高時粘度趨于穩(wěn)定且減小至接近實際清水粘度。蒸發(fā)器內的污水流速一般在2～3 m/s左右，管直徑在10～15 mm，這導致管內污水的剪切速率很大，污水與實際清水近似相等。從而導致污水的流動阻力和表面對流換熱系數(shù)與常規(guī)實際清水條件下的數(shù)值近似相等或接近［3］。

(2)軟垢的削弱作用。即使是常規(guī)的實際清水熱泵機組，水側表面也會形成軟垢，軟垢熱阻在總熱阻中也占有重要比例。而污水的軟垢特點是:流速越高，軟垢平衡厚度和熱阻越小，即軟垢熱阻與流速呈負的指數(shù)關系，當流速較高，達到2～3 m/s左右時，軟垢熱阻與常規(guī)機組的軟垢熱阻相當。

(3)常規(guī)實際清水機組水側的表面強化換熱措施，通常是一些淺肋(＜1 mm)，在軟垢形成過程之后，這些淺肋都將被填平淹沒，淺肋管將變成光管(甚至更易誘發(fā)軟垢)，因此實際上淺肋的強化換熱效果非常不明顯，幾乎可以忽略不計。這將導致污水和實際清水都幾乎是光管換熱，效果相當。

粘度相當、軟垢熱阻相當、強化效果微弱，這三者綜合在一起導致直接式與間接式的熱泵機組換熱器的傳熱系數(shù)是相當?shù)?，相差不大，這也與工程實測數(shù)據(jù)相符。工程實測數(shù)值為Ki/Kd=1.3，Ki/Ks=3(污水換熱器內流速較低)。

2.2 保證機組COP相等時的投資比對

假設污水的平均溫度為10℃，污水換熱器的平均傳熱溫差為4℃，為了保證直接式與間接式具有相同的蒸發(fā)溫度(2℃)和COP，那么根據(jù)式(1)，直接式與間接式的蒸發(fā)器面積之比為:Ad/Ai=0.65。即直接式機組的換熱器面積比間接式機組要小。根據(jù)式(2)式，同時增加的中介污水換熱器的面積為間接式機組蒸發(fā)器面積的3倍。

一般而言，中介水子系統(tǒng)的總投資是污水換熱器的2倍，間接式機組換熱器單位面積造價是普通鋼材的10倍，而直接式機組換熱器采用海軍銅，造價將比間接式還要增加70%左右。則直接式系統(tǒng)與間接式系統(tǒng)的投資比較結果為

式中c——單位面積普通碳鋼換熱面積的造價。

可以看出，間接式系統(tǒng)比直接式系統(tǒng)增加的造價，是污水換熱器造價(3cAi)的1.65倍左右。

2.3 保證投資相等時的COP比對

如果在投資相同的條件下，Ad/Ai=16/17。那么根據(jù)式(3)，可得直接式機組的蒸發(fā)溫度為

也就是說，在初投資相等的條件下，直接式機組的蒸發(fā)溫度將比間接式機組提高2.5℃，相對應的機組COP提高5%左右。不但如此，直接式系統(tǒng)還比間接式系統(tǒng)少消耗了中介水循環(huán)的水泵功耗，而這部分功耗約占機組功耗的5%～7%。

通過上述比對，可以明確一點的是:直接式污水源熱泵系統(tǒng)在充分考慮了材質改進所帶來的成本增加和軟垢熱阻之后，直接式系統(tǒng)在初投資和系統(tǒng)效率、運行費用方面，仍然是比間接式系統(tǒng)優(yōu)越的，因此，直接式系統(tǒng)是未來污水源熱泵的發(fā)展方向和主導技術。

3 直接式污水源熱泵系統(tǒng)的技術可行性

污水源熱泵技術誕生以來，一直在采用間接式系統(tǒng)，這是從可靠性角度考慮而采取的保守措施。直接式系統(tǒng)的突破在于解決以下幾個問題:

(1)可靠的前置過濾措施，保證各種性狀的大尺度污雜物不經過熱泵機組的換熱器。

(2)可靠的防腐蝕和耐腐蝕措施，保證熱泵機組在使用壽命內不被“爛透穿孔”。

(3)熱泵機組的換熱器實現(xiàn)“一器兩用”。

(4)可靠的故障診斷與監(jiān)測報警技術。

(5)規(guī)范的系統(tǒng)設計與可靠的清理維護措施。

間接式污水源熱泵技術發(fā)展了這么多年，已為直接式污水源熱泵技術儲備了充分的基礎成果:

(1)污水水質與水性研究［4］

城市原生污水中的固體污物含量約為3‰左右，而其中的柔性污物是導致前置過濾設備失效和換熱設備堵塞的罪魁禍首。直接式污水源熱泵系統(tǒng)必須針對柔性片狀和絲狀污物，采取有效防堵措施。

污水按其成分性質可以劃分為原生污水、污水粗濾液、污水本體。直接式系統(tǒng)的前置處理裝置應盡可能地將污水處理到接近污水本體的程度，根據(jù)污水本體物性和軟垢特性進行熱工設計。

(2)污水防堵過濾技術

適用于直接式污水源熱泵系統(tǒng)的防堵塞技術必須滿足三點基本要求:(a)過濾面的連續(xù)再生;(b)污雜物的連續(xù)還原;(c)實現(xiàn)分級串聯(lián)過濾。

(3)污水流變特性［6］

污水的流變特性呈現(xiàn)以下特點:(a)污水本體呈現(xiàn)弱的剪切稀化非牛頓特性;(b)當剪切速率較高時，污水的粘度趨于穩(wěn)定，而且污水本體的粘度接近且稍大于清水粘度。

(4)污水流動特性

污水的流動阻力計算有三種方法:謝才－曼寧公式、當量粗糙高度法，以及廣義雷諾數(shù)法。

(5)污水換熱特性［7］

污水的對流換熱計算可以采用兩種方法計算，分別是當量粘度法和清水參數(shù)修正法

(6)污水污垢特性［8］

污水軟垢是一種有機生物垢。影響污水軟垢的因素主要有:水質、流速、流道尺寸、表面特性、溫度及含氧量。研究發(fā)現(xiàn)污水軟垢具有漸近型指數(shù)增長的特點，可用下式表達

(7)污水腐蝕特性

腐蝕和結垢問題是相輔相成的，腐蝕促進了污垢的形成，而污垢層下由于缺氧容易產酸，又為進一步的腐蝕創(chuàng)造了條件。但是軟垢是一種有機生物垢，其形成與生長是需氧條件的，因此控制污水系統(tǒng)內的含氧量是抑制軟垢和腐蝕的有效措施。

4 直接式污水源熱泵技術新進展

近年來，直接式污水源熱泵機組的新進展主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)連續(xù)再生－還原的分級串聯(lián)過濾技術

連續(xù)再生、連續(xù)還原、分級串聯(lián)是直接式污水源熱泵機組對前置處理裝置的基本要求，雖然與熱泵機組自身無關，但是該問題解決不好，直接式原生污水源熱泵也就無從談起。我國科技工作者經過三年多的攻關，成功地解決了該項難題，可以在毫無混水的前提下實現(xiàn)8 mm、4 mm、2 mm孔徑的串聯(lián)過濾，同時實現(xiàn)濾面連續(xù)再生、污物連續(xù)還原。

(2)機側切換的可實現(xiàn)性

污水源熱泵通過制冷劑側閥門開關切換操作實現(xiàn)機組制冷、制熱運行模式的切換。污水和空調水始終都在固定的換熱器內流動，避免了普通水路切換水源熱泵機組因制冷、制熱水路切換而帶來的二次污染問題。四閥門組的切換裝置目前已替代傳統(tǒng)四通閥，廣泛應用于機側切換的熱泵機組中。

(3)水側切換的可實現(xiàn)性

我國科技工作者通過研究，成功地實現(xiàn)了不會造成二次污染的水側切換方法和系統(tǒng)結構。那么，究竟選擇機側切換還是水側切換將僅取決于蒸發(fā)/冷凝器的設計。機側切換的機組僅有一個換熱器針對污水水質設計，但是兩器必須既能滿足蒸發(fā)要求，又能滿足冷凝要求;水側切換的機組每個換熱器只有一種功能(要么蒸發(fā)，要么冷凝)，但是兩器都必須能夠適應污水。

(4)壓縮機技術的改進與效率的提高

熱泵機組制熱時的壓縮比要比制冷工況高許多。對于螺桿機，壓縮比變化就會有可能產生“過壓縮”或“欠壓縮”的現(xiàn)象。目前采用變頻壓縮機技術或者改變壓縮機的級數(shù)已經可以實現(xiàn)機組在部分負載運行時充分利用換熱面積，使壓縮機的部分負載性能系數(shù)充分提高。而且針對螺桿壓縮機，調控壓縮比的比較先進的設計方案是采用滑閥改變螺桿的有效長度，即改變內容積比，以達到改變壓縮比的目的。

(5)降膜蒸發(fā)技術與分區(qū)冷凝技術

水平管降膜蒸發(fā)器技術如圖2(a)所示，擁有較高換熱系數(shù)，可簡化回油系統(tǒng)，降低成本;管外制冷劑流體壓降很小，從而可以減小飽和溫度差;減少制冷劑的充注量，在相同的制冷量下，采用降膜蒸發(fā)器的充注量要比滿液式蒸發(fā)器少大約30%。

冷凝器可采用分段設計。臥式殼管式冷凝器上部分為過熱蒸汽區(qū)，設置多個折流板，使蒸氣高速橫掠換熱管流動，以強化換熱;下部為兩相區(qū)，設置多根管子以合理的換熱面積和強化傳熱表面，達到合理的溫度匹配，見圖2(b)。

圖2 降膜蒸發(fā)器和分區(qū)冷凝器

(6)雙孔板節(jié)流技術

孔板節(jié)流是最簡單的節(jié)流裝置。雙孔板節(jié)流原理見圖3。在滿負荷運行時，第一個孔板后不產生閃蒸氣體，通過第二個孔板時壓力下降并伴隨大量的氣泡產生，保證最大的制冷劑流量。部分負荷運行時，制冷劑通過第一個節(jié)流孔板后產生部分閃發(fā)氣體，增加了制冷劑通過第二個孔板的阻力，制冷劑的循環(huán)量減少，恰恰滿足制冷劑循環(huán)量的要求。

圖3 雙孔板節(jié)流原理

(7)蒸發(fā)/冷凝雙功能換熱器設計

機側切換直接式污水源熱泵機組的換熱器要求既確保蒸發(fā)效果，又確保冷凝效果，較為困難。這可以從換熱管表面的形狀和氣、液流組織兩個方面來解決。據(jù)報道目前已開發(fā)出了一種蒸發(fā)、冷凝兩用管，該換熱管管外利用翅根腔體強化蒸發(fā)性能，利用翅側和翅頂部腔體強化冷凝性能，這樣可充分兼顧蒸發(fā)冷凝兩種效果。

5 結論

直接式污水源熱泵技術雖然還很不成熟，但是在多年來的間接式污水源熱泵的技術積累基礎上，目前在污水前置處理技術、功能切換技術、蒸發(fā)冷凝器設計、強化傳熱、壓縮機變頻與壓縮比調控、熱力循環(huán)、節(jié)流等多個方面取得了較大的進展，筆者相信在未來的3到5年內，較為成熟的直接式污水源熱泵系統(tǒng)技術就可以大范圍地進行推廣了。

［1］張承虎，吳榮華，孫德興.關于城市污水熱能資源化相關概念和分類探討［J］.暖通空調，2006，36(3):10－16.

［2］吳學慧，錢劍鋒，張承虎，等.基于遺傳算法的污水換熱器的優(yōu)化研究［J］.節(jié)能技術，2008，26(1):12－14.

［3］徐猛，徐瑩，孫德興.原生污水源熱泵的關鍵技術與工程實踐［J］.節(jié)能技術，2009，27(1):74－77.

［4］張承虎，吳榮華，莊兆意，等.城市污水固態(tài)成分相關概念定義與參數(shù)測定［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2008，40(8):1218－1221.

［5］蒙建東，張承虎，孫德興.開式地表水源熱泵系統(tǒng)工程實踐若干問題探討［J］.節(jié)能技術，2008，26(2):99－103.

［6］徐瑩，張承虎，孫德興.城市污水源熱泵工質流變特性研究［J］.節(jié)能技術，2009，27(3):201－206.

［7］吳學慧，孫德興，楊維好.污水在納米涂層管內的流動與換熱特性［J］.節(jié)能技術，2010，28(3):195－198.

［8］吳學慧，孫德興.污水換熱器污垢生長特性試驗研究［J］.節(jié)能技術，2008，26(4):300－304.