污水源热泵技术大讲堂(连载十)
城市污水源热泵规范化设计技术
张承虎1、杨海滨2、刘京1、孙德兴1
（1．哈尔滨工业大学，哈尔滨150090；2．国内贸易工程设计研究院，北京 100069）
摘要：本文介绍了城市污水源热泵系统规范化设计方面的经验和研究成果，在系统形式、换热方式、设备连接、管路设计、热水供应、控制调节、大型系统形式等方面进行了较为详尽阐述。
关键词：污水、热泵、规范化、设计
引言
城市污水源热泵供热空调是一项新技术，在我国还处于起步阶段，但是发展十分迅速。近年来先后攻克了污水换热的防阻塞技术、流动阻力与换热计算经验公式、公共资源利用合作模式等难题。为了进一步提高系统的能源利用效率，国内众多厂家和研究人员的目光已经集中投向了直接式污水源热泵的开发与试验。直接式与间接式系统的根本区别在于中介水循环，因此这两种系统在设计、施工、运行等多方面仍然具有许多共性。本文介绍从多个间接式污水源热泵供热空调工程中总结出的设计经验，与同行交流学习，共同推动技术进步。
1、系统形式的分类与选择
地表水源热泵系统可分为直接式与间接式两类。若水源水直接进入热泵机组的蒸发器或冷凝器换热则为直接式系统，若水源水先与中介水换热，中介水再进入机组则为间接式系统。
直接与间接式系统各有优、缺点，方案选择时需考虑以下几个方面：
（1）适用范围：直接式系统对水源水的水质有较高的要求，或者说对蒸发器、冷凝器适应较差水质的能力有较高的要求。水质方面，一般限定为城市污水站中的二级出水、江河湖水、海水、地下水、部分工企业废水等，这类水源水中仅含有少量粒径在1mm以下的固体悬浮物，水质相对洁净。蒸发器或冷凝器则须有可靠的防堵，防污染与腐蚀能力，而且必须考虑水侧换热能力的减弱。
间接式系统：由于使用水源水换热器替代了蒸发器/冷凝器直接换热，因此对水源水水质的处理要求大大降低。笔者的工程实践已经证明，即使是水质极差，完全不加处理的城市原生污水，只要使用恰当的防阻技术，整个系统可长期连续安全运行。
实际中有时会遇到水源水水量不足的情况。若污水量不足，可在中介水中加乙二醇的方法，将蒸发温度设为零下，则可大大增大水源水的降温幅度以提高取热量。因此，间接式系统又可分为中介水为清水的间接式系统与中介水为乙二醇水溶液的间接式系统。
需要指出，在最高负荷期间蒸发温度为零下所引起机组COP的降低并非是全局性的。蒸发温度是可调的。在整个采暖季大部分的部分负荷时段，仍可令蒸发温度在零上运行。
（2）初投资：由于直接式系统对蒸发器与冷凝器的抗堵塞、抗污染与防腐蚀的能力有很高的要求，故蒸发器与冷凝器必须使用合金钢材质，而且无法强化换热，这都增加了蒸发器与冷凝器的制造成本。
与此相比，虽然间接式系统需多设一级换热器，但该换热器完全可以使用碳钢材质，而水在蒸发器与冷凝器中是闭式循环，其造价可大大降低。因此总的来看直接式系统的初投资与间接式系统相当，但是寿命和可靠性存在差别。
（3）能源利用效率与运行费用：间接式系统比直接式多了一级中间换热，显然会增大整个系统的效率损失；这就意味着系统能源利用效率的降低以及相应运行费用的提高。
2、换热方式与工况
可能的换热方式有3种，分述如下：
（1）紧凑式换热器换热
紧凑式换热器与非洁净的地表水换热存在堵塞、污染与腐蚀三个关键问题。考虑到上述三个问题，笔者认为在所有的紧凑式换热器形式当中，壳管换热器是最适合于非洁净水的。而且需特殊指明，非洁净水只能走其管程（壳空间无法清理）。其他换热器形式，例如板式，螺旋板式等，解决上述三个问题的难度都很大。
可靠，经济地解决无堵塞换热问题是使用紧凑式换热器从非洁净水中换热的关键。但是污水对换热设备的腐蚀与污染问题的严重性在一些方案论证的场合被夸大了。实际上地表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是很显著。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。因此笔者建议换热设备采用通常的碳钢材质即可。关于污染问题：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。据笔者总结，使用城市原生污水的壳管换热器的传热系数，在经历一个采暖季运行后，约降低20%。设计时可按常规做法将换热面积取一个余量系数，同时将总的换热面积分为几台，几用一备。换季时将换热器打开清洗或在任何使用者认为方便的时刻对换热器进行人工清洗，这些措施已足以保证换热器长期可靠的工作。壳管换热器的人工清洗是正常的维护程序。操作方便，效果可靠，成本很低。达到同样效果时，最经济的方案就是最科学的方案。
（2）非紧凑换热的特殊设计
发明专利：“含污水源低温热能利用管式换热法”（申请号：200510009836.9），给出了一种与非洁净地面水非紧凑换热的方法。该方法抛弃了换热器应该紧凑的概念——既然是在使用易堵的非洁净水，为什么一定还要追求换热器的紧凑？
当水源与建筑物有一定的距离时，若采用紧凑式换热器换热，须专设污水管路输运。该方法将在地下埋设的疏运管路改为环管，污水走有足够管径防堵的内管，载热介质走环形空间。该环管代替了专门的输运管路和机房中的换热器，输运兼换热。当污水渠距离建筑物较远时，该方法是经济的。
（3）浸泡换热法
浸泡法是将换热管束浸泡于水源水池、坑、井、箱等大空间中进行换热的方法。这个方法看似原理简单，实施容易，但实际上使用起来很受局限。在流动的污水渠中一般不可以设换热盘管浸泡，因为这样做会占据排水渠的流通面积而影响正常排水。在大容积的池、罐、坑中安排浸泡盘管通常是可以的。但有如下问题：
在大容积环境中水基本上不流动，与盘管只能进行自然对流换热，加之传热温差很小，（往往3℃以下）因此需很大的换热面积。池、坑的体积很大，考虑防止环境污染的措施，土建费用较高，污杂物严重挂壁污染换热表面难以清理。
由于上述原因，笔者建议仅在有现成的大体积坑、罐时可以采用浸泡法（不宜专门建设）。在污水处理厂的二级出水罐或池中使用浸泡法是可以的。
换热工况设计
由系统中各节点（污水的进、出口，中介水的进、出口，蒸发器，冷凝器等）的温度和各环路（污水环路，中介水环路、末端环路）的流量体现，上述参数直接决定着机组、各换热器、水泵等设备的投资和系统的运行费用。
水源水冬季的最低温度与夏季的最高温度是确定的，在供暖或制冷高峰负荷时段的最小水量也是确定的。因此换热工况各参数的确定是受限制的。在限制范围内，这些参数又可有一些变化。较好的换热工况设计应兼顾系统的投资与运行费用。蒸发温度高些，冷凝温度低些，能够使机组具有较高的能源效率。但是，冷凝温度受末端使用条件的限制，通常末端是风机盘管或地面采暖。蒸发温度受污水水温和水量的限制。污水降温后最低温度应为1℃以上，以避免冻坏管路。在考虑使用效果、运行效率的同时，须避免选用过大的换热面积，兼顾换热设备的初投资。在考虑使用大水量运行以提高换热效果的时候，也须顾及水泵的能耗。
每一具体工程换热工况的设计都是一个需综合考虑初投资与运行费用的优化课题，需进行反复的计算比较再最后确定。
3、设备连接方式
建议污水源热泵采用跨越式单线串联连接方式。即一套一级污水泵、防阻机、二级污水泵、中间换热器、中介水泵、热泵机组等设备串联构成一条相对独立的系统线路，两条线路之间设置常闭跨越连通管。如图1所示。
阅读全文：城市污水源热泵规范化设计.pdf
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。
咨询电话：010-64656526；电子邮箱：services#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。)
Email: direjia@126.com（投稿），direjia@163.com（合作）,
直线电话：18515158288（同微信）
