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污水源热泵技术大讲堂(三)

城市污水源热泵系统形式与构成

哈尔滨工业大学张承虎杨海滨刘京孙德兴

摘要：本文介绍了目前常见的几种城市污水源热泵的系统形式与结构，以及各自的优缺点与适用条件。
关键词：污水、热泵、系统形式、系统结构

    通过污水水资源勘察和热能评估，论证了污水热能资源的充足性和可靠性之后，需要因地制宜，因时制宜地选择合适的污水源热泵系统形式。按照城市污水热能利用之前的水质（或处理）情况将之分为原生污水、一级污水、二级污水。城市污水源热泵系统有多种系统形式和结构，按照污水是否进入换热机房可分为浸泡式和直流式污水源热泵系统；按照污水是否进入热泵机组的蒸发器或冷凝器可分为直接式和间接式污水源热泵系统；按照污水的流动方式又可将直接式污水源热泵系统分为淋激式和壳管式；按照换热设备的不同可将间接式污水源热泵系统分为输送换热式、宽流道式和防阻机+壳管换热器三种形式；按照取水方式的不同可分为直接取水式系统和缓冲池取水式系统；大型系统按照设备的连接方式不同可分为单线式、单线跨越式、并联式、混联式四种形式；远距离系统按照输送介质的不同可分为引送污水式系统、输送中介水系统、输送末端水系统。下面将分别叙述之。
    1、原生污水与一、二级污水
    城市污水的存在过程基本上是：形成、汇集、输运、物理处理、生化处理、排放。上述不同阶段的污水所对应的热能利用价值和热能利用方法、工艺，以及需要解决的关键问题都是大不相同的。但是传统的排水工程或者污水处理工程的污水分类方法在热能利用工程中并不适用，因为他们考虑问题的重点和出发点是不相同的。因此有必要对城市污水从热能利用的角度进行区别。

表1 三类城市污水的简要情况对比

类别	处理措施	大尺度污杂物	微尺度污杂物	生化成分	空间的优越性	堵塞情况	结垢情况	腐蚀情况	应用前景
原生污水	无	很多	很多	很多	有	严重	严重	严重	广阔
一级污水	物理处理	很少	较多	很多	无	轻微	中等	严重	受限
二级污水	生化处理	无	很少	较少	无	无	轻微	轻微	受限

    2、浸泡式与直流式系统
    浸泡式系统有时也称之为闭式污水源热泵系统，顾名思义，就是将换热管浸泡于污水池中，而污水池的体积也要求很大，一般在市区内难以满足。浸泡式另外两个缺点是传热效果差，污物淤塞严重。浸泡式系统属于间接式系统，清水走换热管内，而管外的流速很低，这导致污水对流换热系数变小，而且污物污泥容易沉降淤积，更增加了管外的污垢热阻。由于浸泡式系统存在投资大、换热差、淤塞严重的难题，只在早期出现过小规模应用。
    直流式系统是目前应用最多最成熟的污水源热泵系统形式，也被称之为开式系统。直流式系统利用水泵将污水送入机房的换热器内，进行强迫对流换热，污水“一流一过”，不循环利用。高流速不但提高了对流换热系数，也抑制了软垢厚度和热阻，因此换热面积和空间都得到减小。由于污水水质极其恶劣，因此对污水换热器提出了更高的要求，必须考虑防阻防腐、抑垢清垢措施并行之有效。直流式系统将污水送入换热机房，为了避免对机房或环境造成二次污染，要求在对污水取水换热的过程中，仅改变污水的温度，而不能改变其生化成分，污水和污杂物不能暴露。
    3、直接式系统
    按照在换热器内与污水进行换热的介质不同，直流式系统又可分为直接式系统（与污水换热的介质为制冷剂）和间接式系统（与污水换热的介质为中介水或防冻液）。直接式系统是目前污水源热泵研究的前沿领域和发展方向。
    目前直接式污水源热泵系统主要应用于污水处理厂的二级出水，给污水厂办公楼供热空调，规模较小。直接式系统将通过旋转反冲洗设备处理后的污水直接进入热泵机组的蒸发器或者冷凝器，而无需通过中间换热，其工艺流程图如图1（b）所示；间接式系统中污水不直接进入热泵机组的蒸发器或冷凝器，而是通过中间换热器进行二次换热，污水先将冷热量传递给清洁水，再由清洁水进入热泵机组，其工艺流程如下图1（a）所示。

（a）（b）

图1污水源热泵间接与直接式系统

    由图1可以看出，直接式系统可分为2个循环子系统，（1）污水取排与换热子系统，由污水源1、污水泵2、旋转反冲洗设备3、热泵机组4及其连接管路组成；（2）末端循环子系统，由热泵机组4、末端循环泵5、末端散热设备6及其连接管路组成。
    间接式系统可分为3个循环子系统：（1）污水取排与换热子系统，由水源1、污水泵2、防阻设备3、污水换热器4及其连接管路组成；（2）中间换热子系统，由污水换热器4、中介循环水泵5、热泵机组6及其连接管路组成；（3）末端循环子系统，由热泵机组6、末端循环泵7、末端散热设备8及连接管路组成。间接式系统比直接式系统多一个中间换热的环节。
    直接式系统与间接式系统相比有很大的优点，主要是：
    （1）在同样的水源条件下供出同样多的热量，蒸发温度可提高5℃左右，热泵机组效率得以很大提高，系统总的耗电量可降低15%以上。
    （2）省去了污水换热器及相应的中介水循环水泵，机房占地面积减少，不仅大大降低了土建和设备初投资，而且也减少水泵能耗；
    （3）获取同样多的热量，所需的污水量可减小一倍左右。间接式系统需要考虑中间换热的温差损失，这就限制了污水的降温幅度。
     那么为什么到目前为止，还没有广泛地普及直接式系统呢？这是因为直接式系统必须要求对热泵机组的蒸发器/冷凝器做较大的改造，而相应的机组厂家较少。故污水源热泵技术诞生以来，基本采用间接式系统，这是从可靠性角度考虑而采取的保守措施。毕竟采用城市原生污水作为热泵冷热源是近些年才有的新技术。
    直接污水源热泵系统要求热泵机组的蒸发器（或者冷凝器）能够“一器两用”，因此对蒸发器（或者冷凝器）提出了特殊要求。根据污水源热泵机组两器的不同，直接污水源热泵系统主要有两种实现形式，即淋水式污水源热泵系统（The Sprinkling Evaporator Sewage Source Heat Pump，简称SE-SSHP，参见图2）和壳管式污水源热泵系统（The shell-tube Sewage Source Heat Pump，简称ST-SSHP，参见图3）。

（1）淋激式蒸发/冷凝器，体积庞大占地较多。污水主要是呈膜状流动并与空心板或管内的制冷剂进行换热。运行时可用高压水冲洗换热管和机械方法去除软垢。由于金属直接曝露在污水和空气当中，腐蚀将会更加严重。
（2）壳管式蒸发/冷凝器，结构紧凑占地少。换热系数一般比淋激式要大。但是如果没有较好的污垢去除措施，则其换热系数也将减小。淋激式和壳管式污水源热泵系统的对照见下表，应该根据不同工程实际条件选用合理的系统形式。

表2 淋水式与壳管式系统的简要情况对比

形式	结构	占地	污水流动方式	污水侧换热系数	制冷剂供液方式	制冷剂侧换热系数	污垢去除	冻结危险	腐蚀程度
淋激式	松散	多	膜流	较小	干式	较小	容易	小	严重
壳管式	紧凑	少	紊流	较大	满液式	较大	较难	大	一般

    4、间接式系统
    间接式系统是目前最为成熟、应用最多的污水源热泵系统形式。按照污水/中介水换热器的不同，可将之分为输送换热式系统、宽流道换热器系统、防阻机+壳管换热器系统三种常见形式。
    （1）输送换热式系统如图4所示。采用大直径的套管，污水走管内，中介水走管外环形空间。由于内污水管径较大，避免了堵塞问题，同时可以采用较高流速以提高传热系数。输送换热系统的优势在于，无需特殊的防堵塞设备，机房内没有换热器，污水在输送的过程中，同时也把换热问题解决了。输送换热系统存在一个最小“距离负荷比”，当该比值太小时，输送换热技术将无法满足换热要求。为了避免管内淤塞，输送换热系统存在一个最小的倒空坡度。
    （2）宽流道换热器系统为了避免在没有前置防堵塞措施和设备的条件下换热器不堵塞，采取加大换热流道的办法设计换热器。流道加宽的代价是并联流道数目减少（一般为单流道），单流道的流程长度增加（一般为150m左右），换热器体积增加，造价增加；此外，宽流道换热器也必须具有方便清洗的措施和结构，因为污物在折流处极易堵塞。可以说，宽流道换热器只不过是在没有前置防阻设备条件下的无奈之举。
    （3）防阻机+壳管换热器系统是目前应用最多最成功的系统形式。该系统中由防阻机负责污水前置处理，避免后面的换热器和管路堵塞。壳管式换热器负责高效换热。由于已经采用前置防阻设备，换热器不存在堵塞难题，因此换热器可以采用较小的管径，避免了宽流道换热器的诸多毛病。壳管式换热器内污水走平直光滑的管内流道，洁净的中介水走壳程空间。需要强调是，防阻机+换热器组合是相互制约的，防阻机的预处理程度（滤孔直径）决定换热器流道的尺寸和换热器的效率：滤孔直径约小，防阻压力和难度越大，而换热流道尺寸却可以越小，换热效果越好。在防阻压力和换热效果之间存在一个平衡点，这也是常规板式换热器在污水源热泵系统中难以应用的原因。

     5、直接取水与缓冲池取水
    污水源热泵的取水方式主要有直接取水和缓冲池取水两种形式。
    （1）直接取水如图6所示。直接取水主要应用于小型系统，投资省。直接将取水管插接于污水干渠，采用管道泵从顶部接入并抽水。要求水泵吸入口比污水干渠水面低1m左右（自灌高差）；盲板4（也可用闸阀代替）和关断闸阀2必须设置。
    （2）缓冲池取水如图7所示，主要用于大型系统。虽然缓冲池的“削峰填谷”作用有限，却可以将机房系统与污水管渠系统隔离，保证系统安全。A. 可以将潜式污水泵置于缓冲池取水，也可以在缓冲池侧壁开口接管道式污水泵取水。B. 缓冲池内可以设置闸门用于检修时关断污水。C. 缓冲池内可以设置机械隔栅进行粗效过滤处理。D. 污水依靠重力流引至缓冲池，退水可以选用重力退水或有压退水。E. 为了避免频繁排气、负压集气和有氧腐蚀，一般要求机房污水管道最高点不高于缓冲池水面。

    6、系统设备连接方式
    按照污水泵、防阻机、换热器、中介水泵之间串并联关系，可将系统分之为单线式系统、单线跨越式系统、并联式系统、混联式系统。
    （1）单线式与单线跨越式系统
    单线式系统即一台一级污水泵、一台防阻机、一台二级污水泵、一台换热器、一台中介水泵串联成一条设备线，而设备线之间是完全独立的。如图8所示的一级污水管路。而单线跨越式系统是在单线式系统的基础上，与两条设备线之间的一级污水管路、二级污水管路、中介水管路上加设常闭的跨越连通管，该连通管正常运行时处于关闭阶段，只在部分设备故障时开启。图8中的中介水管路就设置了常闭跨越管。单线（跨越）式系统具有故障率低、故障辨识简单、调节简单可靠、部分负荷运行控制简单、阀门和电动阀门少（故障点）等优点。缺点是水泵投资较大，占地稍多。
    （2）并联式污水源热泵系统
    并联式系统的一级污水管路、二级污水管路、中介水管路均采用集联管或积水器将水流合并，将防阻机、换热器、热泵机组并联，如图9所示。由于各设备处于并联对等位置，当一台设备故障时，必须尽快辨识并采用电动阀门自动将之隔断。这对自控要求和电动阀门质量要求较高。并联式系统在设计和监控不到位的情况下，容易出现流量分配不均的现象。并联式系统水泵台数少，投资省，占地稍少。
    （3）混联式系统
    混联式系统即一级污水管路、二级污水管路、中介水管路一部分采用并联式，一部分采用单线式。如图8中的二级污水管路就采用了并联式连接，构成了一个单线跨越式混联系统。混联式系统的一个目的是为了充分利用污水换热器的换热面积。大型远距离系统一般采用中介水并联的混联式系统。

     7、远距离输送介质方式
    当污水源距离用户较远时，如何将污水热能输送至用户存在三种方案，即引送污水方式、输送中介水方式、输送末端水方式。
    引送污水方式具有投资节省、机房规模小的特点。远距离的污水引退全部采用重力流，并设置必要的检查井。重力流管道虽然直径较大，但是造价不高，阻力不大。污水泵所需提供的能耗为管路阻力和高差（也即重力引退阻力）之和，并不比输送中介水或末端水的能耗大。引送污水只需修建一个机房，防阻机、换热器和热泵机组放在一起，节省机房面积和土建投资。但是重力引送污水受地形地貌的限制较大。
    输送中介水方式需要在污水水源旁修建一个换热机房，然后将换热后的中介水远距离输送至用户附近的热泵机房。需要修建两个机房，土建成本增加。输送中介水的热损失比输送末端水小。输送中介水方式不适用于污水温度较低需要添加防冻液的系统。
输送末端水方式仅在污水源附近修建换热和热泵机房，提取污水热能并将较高温的末端水输送给用户。由于热泵属于低温供热，供回水温差小而流量大，因此输送管路的投资比传统热网要大许多。输送末端水方式一般应用于污水处理厂集中式污水热能利用。
不论是输送污水、中介水还是末端水，各自都存在一个经济输送半径，当用户与水源距离大于某一介质的经济输送半径时，就不宜输送该介质来输送热能。
    8 小结
    城市污水的种类不同、位置不同、距离不同、水量不同、工程规模不同、应用功能不同、地形地貌不同、便利条件不同等，就应该选择不同的系统形式和结构。衡量污水源热泵系统方案是否合理，首先要考虑技术上是否安全可靠，是否高效节能，其次要综合考虑投资和运行费用是否节省，经济上能否创造更大的效益，最后还必须考虑社会效益，考虑污水源热泵是否对周边环境、地貌、居民生活是否造成重大影响。

注：本文为《地源热泵》“本期专题”连载内容，谢绝转载。如果您对污水源热泵空调方面有任何问题，欢迎来电或给我们发送电子邮件，我们将选择部分典型问题择期在《地源热泵》杂志上统一刊登和解答。电话：010-64656526；电子邮箱：dyrbw # dyrbw.com(将#换为@后发送，请在邮件主题处标注“污水源热泵相关问题”字样，以免工作人员误删。)

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