污水源热泵技术大讲堂(连载十六) 直接式与间接式污水热泵技术比对分析

直接式与间接式污水热泵技术比对分析
张承虎、孙德兴、刘京
（哈尔滨工业大学  哈尔滨  150090）

    摘  要：相对于直接式而言，间接式污水源热泵系统是目前较为成熟的技术。针对目前工程界对两种系统形式和与技术的迷惑和分歧，在最新研究成果的基础上，对二者进行了对比分析，指出直接式系统必将是未来污水源热泵的发展方向和主导形式。
   
    关键词：污水源热泵  直接式 间接式 对比

    城市污水源热泵系统可分为直接式与间接式两类。若污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，若污水先与中介水换热，中介水再进入热泵机组则为间接式系统。目前许多工程在确定方案的初期，为采用直接式系统还是间接式系统而纠结，有人认为间接式系统投资省运行费用高、有人认为间接式系统投资高运行费用省、有人认为间接式系统投资高运行费用高、甚至有人认为间接式系统投资省运行费用也省，或者说直接式系统根本不可行，令人莫衷一是。本文从多年工程经验总结和研究成果分析出发，拿出自己的见解，抛砖引玉，供同行参考交流。

    1、直接式与间接式系统的构成

   
    如图1所示，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。

    1-一级污水泵；2-防阻机；3-二级污水泵；4-污水换热器；5-中介水泵；6-热泵机组；7-功能切换阀门组；8-末端循环泵；9-末端设备；E-蒸发器；C-冷凝器

    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。

    简单地从系统构成来看，直接式系统较间接式系统简单，没有中介水循环系统的水泵、管路、定压补水、调节控制以及污水换热器。一般而言，间接式系统常采用水路切换方式实现供热供冷，也可以采用制冷剂侧切换的方式来实现。出于2个原因，直接式污水源热泵系统必须采用制冷剂侧切换的方式来实现系统功能切换：（1）为了降低造价，污水流经换热器，就要求换热器有特殊的改进或改造，这些特殊措施都会增加热泵机组的造价。如果采用水路切换，那么冬季污水进蒸发器、夏季污水进冷凝器，则要求热泵机组的两器都需要增加投资，而制冷剂侧切换，仅需要对某一个换热器采用特殊措施，可降低成本；（2）保障卫生安全，如果直接式系统采用水路切换，则不能绝对保证污水不与末端循环水相互掺混，也就不能保证末端循环系统的卫生和运行安全。
    与间接式污水源热泵系统类似，直接式污水源热泵系统也可按照制冷原理的不同分为蒸汽压缩式和吸收式两种。如果是吸收式污水源热泵，则上述直接式与间接式系统的构成区别是类似。在热源条件较好时应优先选择吸收式污水源热泵系统。

    2、直接式污水源热泵系统的技术可行性

    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要求对机组原有的蒸发器做较大的改造，而一段时间内还没有机组厂家作出了这样的改造。故污水源热泵技术诞生以来，一直在采用间接式系统，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。在全世界范围内，不采用大规模的水处理措施（这样做费用太高，已没有实用价值）而使用原生污水作冷热源为建筑物供暖与空调，始于哈尔滨工业大学于2003年建成的哈尔滨望江宾馆热泵空调工程。

    直接式系统和间接式系统的主要区别在于污水是进机组的蒸发器还是进中间换热器。中间换热器是管壳式，目前已有诸多工程证明了其运行的可靠性。而直接式系统满液式蒸发器的结构形式其实也是管壳式的。如果二者的结构参数再相同，污水就没有理由不能直接进入热泵机组了。

    直接式污水源热泵系统技术的突破在于解决以下几个问题：

   （1）可靠的前置过滤措施，保证各种性状的大尺度污杂物不经过热泵机组的换热器。这要求前置过滤措施必须能够做到：连续滤面再生、连续污物还原，且可实现可行多级过滤。也就是说，直接式系统对前置过滤的要求是高于间接式系统的。

   （2）可靠的防腐蚀和耐腐蚀措施，保证热泵机组在使用寿命内不被“烂透穿孔”。而所采用的防腐材质或方法既要考虑污水，也要针对制冷剂或溴化锂溶液。机组的防腐既要得益于先进材料和表面处理技术的进步，也要依靠系统设计和科学的运行管理维护。防腐措施可以采用“一劳永逸”式的材料，也可以采取“周期”性的表层处理工艺。例如纳米涂层就可以增强换热表面的憎水性和憎垢性，极大地抑制软垢在换热面上的生长，减小热阻，同时保护换热管不与污水接触、不被污水腐蚀，保证污水源热泵机组与普通清水源热泵机组具有相同或更长的使用寿命。

   （3）“一器两用”。要强调下述的“一器两用”要求既对污水侧有效，也对末端循环水侧有效。蒸发与冷凝是两种不同的相变换热形式，它们强化换热的机理也是不同的，不但要在同一个换热器内既实现蒸发强化，又实现冷凝强化，还必须保证该换热器在蒸发换热与冷凝换热条件下的换热量与机组的制热量与制冷量相匹配（不能过于悬殊）。此外，“一器两用”所带来制冷剂“盈余亏缺”的问题也必须予以解决。

   （4）可靠的故障诊断与监测报警技术。直接式污水源热泵系统的最大缺陷就是风险代价太高。其风险不但来源于腐蚀，也来源于堵塞、过热、冻结、过载、回油等。可能存在于污水侧，也可能存在于制冷剂侧。必须对直接式污水源热泵机组，也包括前置过滤装置，提高诊断和报警要求。

   （5）规范的系统设计与可靠的清理维护措施。直接式污水源热泵机组的维护频率肯定高于间接式系统。系统的清理维护必须简单轻快、高效可靠，安全无损伤、不影响系统正常使用和出力。这些要求不但针对热泵机组，也是对前置过滤措施的更高要求。

    通过学术文献和科技报道的总结可以发现，上述技术难题的解决都已不存在实质性困难，科学技术的交叉应用已经为直接式污水源热泵的“出世”奠定了坚实的基础。

 
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