污水源熱泵技術(shù)大講堂(三)
城市污水源熱泵系統(tǒng)形式與構(gòu)成
哈爾濱工業(yè)大學(xué) 張承虎 楊海濱 劉京 孫德興
摘要：本文介紹了目前常見的幾種城市污水源熱泵的系統(tǒng)形式與結(jié)構(gòu)，以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)與適用條件。
關(guān)鍵詞：污水、熱泵、系統(tǒng)形式、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
通過污水水資源勘察和熱能評估，論證了污水熱能資源的充足性和可靠性之后，需要因地制宜，因時制宜地選擇合適的污水源熱泵系統(tǒng)形式。按照城市污水熱能利用之前的水質(zhì)（或處理）情況將之分為原生污水、一級污水、二級污水。城市污水源熱泵系統(tǒng)有多種系統(tǒng)形式和結(jié)構(gòu)，按照污水是否進(jìn)入換熱機(jī)房可分為浸泡式和直流式污水源熱泵系統(tǒng)；按照污水是否進(jìn)入熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器或冷凝器可分為直接式和間接式污水源熱泵系統(tǒng)；按照污水的流動方式又可將直接式污水源熱泵系統(tǒng)分為淋激式和殼管式；按照換熱設(shè)備的不同可將間接式污水源熱泵系統(tǒng)分為輸送換熱式、寬流道式和防阻機(jī)+殼管換熱器三種形式；按照取水方式的不同可分為直接取水式系統(tǒng)和緩沖池取水式系統(tǒng)；大型系統(tǒng)按照設(shè)備的連接方式不同可分為單線式、單線跨越式、并聯(lián)式、混聯(lián)式四種形式；遠(yuǎn)距離系統(tǒng)按照輸送介質(zhì)的不同可分為引送污水式系統(tǒng)、輸送中介水系統(tǒng)、輸送末端水系統(tǒng)。下面將分別敘述之。
1、原生污水與一、二級污水
城市污水的存在過程基本上是：形成、匯集、輸運(yùn)、物理處理、生化處理、排放。上述不同階段的污水所對應(yīng)的熱能利用價值和熱能利用方法、工藝，以及需要解決的關(guān)鍵問題都是大不相同的。但是傳統(tǒng)的排水工程或者污水處理工程的污水分類方法在熱能利用工程中并不適用，因?yàn)樗麄兛紤]問題的重點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)是不相同的。因此有必要對城市污水從熱能利用的角度進(jìn)行區(qū)別。
表1 三類城市污水的簡要情況對比
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類別 |
處理措施 |
大尺度污雜物 |
微尺度污雜物 |
生化成分 |
空間的優(yōu)越性 |
堵塞情況 |
結(jié)垢情況 |
腐蝕情況 |
應(yīng)用前景 |
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原生污水 |
無 |
很多 |
很多 |
很多 |
有 |
嚴(yán)重 |
嚴(yán)重 |
嚴(yán)重 |
廣闊 |
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一級污水 |
物理處理 |
很少 |
較多 |
很多 |
無 |
輕微 |
中等 |
嚴(yán)重 |
受限 |
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二級污水 |
生化處理 |
無 |
很少 |
較少 |
無 |
無 |
輕微 |
輕微 |
受限 |
2、浸泡式與直流式系統(tǒng)
浸泡式系統(tǒng)有時也稱之為閉式污水源熱泵系統(tǒng)，顧名思義，就是將換熱管浸泡于污水池中，而污水池的體積也要求很大，一般在市區(qū)內(nèi)難以滿足。浸泡式另外兩個缺點(diǎn)是傳熱效果差，污物淤塞嚴(yán)重。浸泡式系統(tǒng)屬于間接式系統(tǒng)，清水走換熱管內(nèi)，而管外的流速很低，這導(dǎo)致污水對流換熱系數(shù)變小，而且污物污泥容易沉降淤積，更增加了管外的污垢熱阻。由于浸泡式系統(tǒng)存在投資大、換熱差、淤塞嚴(yán)重的難題，只在早期出現(xiàn)過小規(guī)模應(yīng)用。
直流式系統(tǒng)是目前應(yīng)用最多最成熟的污水源熱泵系統(tǒng)形式，也被稱之為開式系統(tǒng)。直流式系統(tǒng)利用水泵將污水送入機(jī)房的換熱器內(nèi)，進(jìn)行強(qiáng)迫對流換熱，污水“一流一過”，不循環(huán)利用。高流速不但提高了對流換熱系數(shù)，也抑制了軟垢厚度和熱阻，因此換熱面積和空間都得到減小。由于污水水質(zhì)極其惡劣，因此對污水換熱器提出了更高的要求，必須考慮防阻防腐、抑垢清垢措施并行之有效。直流式系統(tǒng)將污水送入換熱機(jī)房，為了避免對機(jī)房或環(huán)境造成二次污染，要求在對污水取水換熱的過程中，僅改變污水的溫度，而不能改變其生化成分，污水和污雜物不能暴露。
3、直接式系統(tǒng)
按照在換熱器內(nèi)與污水進(jìn)行換熱的介質(zhì)不同，直流式系統(tǒng)又可分為直接式系統(tǒng)（與污水換熱的介質(zhì)為制冷劑）和間接式系統(tǒng)（與污水換熱的介質(zhì)為中介水或防凍液）。直接式系統(tǒng)是目前污水源熱泵研究的前沿領(lǐng)域和發(fā)展方向。
目前直接式污水源熱泵系統(tǒng)主要應(yīng)用于污水處理廠的二級出水，給污水廠辦公樓供熱空調(diào)，規(guī)模較小。直接式系統(tǒng)將通過旋轉(zhuǎn)反沖洗設(shè)備處理后的污水直接進(jìn)入熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器或者冷凝器，而無需通過中間換熱，其工藝流程圖如圖1（b）所示；間接式系統(tǒng)中污水不直接進(jìn)入熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器或冷凝器，而是通過中間換熱器進(jìn)行二次換熱，污水先將冷熱量傳遞給清潔水，再由清潔水進(jìn)入熱泵機(jī)組，其工藝流程如下圖1（a）所示。
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（a） （b）
間接式系統(tǒng)可分為3個循環(huán)子系統(tǒng)：（1）污水取排與換熱子系統(tǒng)，由水源1、污水泵2、防阻設(shè)備3、污水換熱器4及其連接管路組成；（2）中間換熱子系統(tǒng)，由污水換熱器4、中介循環(huán)水泵5、熱泵機(jī)組6及其連接管路組成；（3）末端循環(huán)子系統(tǒng)，由熱泵機(jī)組6、末端循環(huán)泵7、末端散熱設(shè)備8及連接管路組成。間接式系統(tǒng)比直接式系統(tǒng)多一個中間換熱的環(huán)節(jié)。
直接式系統(tǒng)與間接式系統(tǒng)相比有很大的優(yōu)點(diǎn)，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5℃左右，熱泵機(jī)組效率得以很大提高，系統(tǒng)總的耗電量可降低15%以上。
（2）省去了污水換熱器及相應(yīng)的中介水循環(huán)水泵，機(jī)房占地面積減少，不僅大大降低了土建和設(shè)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。間接式系統(tǒng)需要考慮中間換熱的溫差損失，這就限制了污水的降溫幅度。
那么為什么到目前為止，還沒有廣泛地普及直接式系統(tǒng)呢？這是因?yàn)橹苯邮较到y(tǒng)必須要求對熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器/冷凝器做較大的改造，而相應(yīng)的機(jī)組廠家較少。故污水源熱泵技術(shù)誕生以來，基本采用間接式系統(tǒng)，這是從可靠性角度考慮而采取的保守措施。畢竟采用城市原生污水作為熱泵冷熱源是近些年才有的新技術(shù)。
直接污水源熱泵系統(tǒng)要求熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器（或者冷凝器）能夠“一器兩用”，因此對蒸發(fā)器（或者冷凝器）提出了特殊要求。根據(jù)污水源熱泵機(jī)組兩器的不同，直接污水源熱泵系統(tǒng)主要有兩種實(shí)現(xiàn)形式，即淋水式污水源熱泵系統(tǒng)（The Sprinkling Evaporator Sewage Source Heat Pump，簡稱SE-SSHP，參見圖2）和殼管式污水源熱泵系統(tǒng)（The shell-tube Sewage Source Heat Pump，簡稱ST-SSHP，參見圖3）。
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（2）殼管式蒸發(fā)/冷凝器，結(jié)構(gòu)緊湊占地少。換熱系數(shù)一般比淋激式要大。但是如果沒有較好的污垢去除措施，則其換熱系數(shù)也將減小。淋激式和殼管式污水源熱泵系統(tǒng)的對照見下表，應(yīng)該根據(jù)不同工程實(shí)際條件選用合理的系統(tǒng)形式。
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形式 |
結(jié)構(gòu) |
占地 |
污水流動方式 |
污水側(cè)換熱系數(shù) |
制冷劑供液方式 |
制冷劑側(cè)換熱系數(shù) |
污垢去除 |
凍結(jié)危險 |
腐蝕程度 |
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淋激式 |
松散 |
多 |
膜流 |
較小 |
干式 |
較小 |
容易 |
小 |
嚴(yán)重 |
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殼管式 |
緊湊 |
少 |
紊流 |
較大 |
滿液式 |
較大 |
較難 |
大 |
一般 |
間接式系統(tǒng)是目前最為成熟、應(yīng)用最多的污水源熱泵系統(tǒng)形式。按照污水/中介水換熱器的不同，可將之分為輸送換熱式系統(tǒng)、寬流道換熱器系統(tǒng)、防阻機(jī)+殼管換熱器系統(tǒng)三種常見形式。
（1）輸送換熱式系統(tǒng)如圖4所示。采用大直徑的套管，污水走管內(nèi)，中介水走管外環(huán)形空間。由于內(nèi)污水管徑較大，避免了堵塞問題，同時可以采用較高流速以提高傳熱系數(shù)。輸送換熱系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，無需特殊的防堵塞設(shè)備，機(jī)房內(nèi)沒有換熱器，污水在輸送的過程中，同時也把換熱問題解決了。輸送換熱系統(tǒng)存在一個最小“距離負(fù)荷比”，當(dāng)該比值太小時，輸送換熱技術(shù)將無法滿足換熱要求。為了避免管內(nèi)淤塞，輸送換熱系統(tǒng)存在一個最小的倒空坡度。
（2）寬流道換熱器系統(tǒng)為了避免在沒有前置防堵塞措施和設(shè)備的條件下?lián)Q熱器不堵塞，采取加大換熱流道的辦法設(shè)計(jì)換熱器。流道加寬的代價是并聯(lián)流道數(shù)目減少（一般為單流道），單流道的流程長度增加（一般為150m左右），換熱器體積增加，造價增加；此外，寬流道換熱器也必須具有方便清洗的措施和結(jié)構(gòu)，因?yàn)槲畚镌谡哿魈帢O易堵塞。可以說，寬流道換熱器只不過是在沒有前置防阻設(shè)備條件下的無奈之舉。
（3）防阻機(jī)+殼管換熱器系統(tǒng)是目前應(yīng)用最多最成功的系統(tǒng)形式。該系統(tǒng)中由防阻機(jī)負(fù)責(zé)污水前置處理，避免后面的換熱器和管路堵塞。殼管式換熱器負(fù)責(zé)高效換熱。由于已經(jīng)采用前置防阻設(shè)備，換熱器不存在堵塞難題，因此換熱器可以采用較小的管徑，避免了寬流道換熱器的諸多毛病。殼管式換熱器內(nèi)污水走平直光滑的管內(nèi)流道，潔凈的中介水走殼程空間。需要強(qiáng)調(diào)是，防阻機(jī)+換熱器組合是相互制約的，防阻機(jī)的預(yù)處理程度（濾孔直徑）決定換熱器流道的尺寸和換熱器的效率：濾孔直徑約小，防阻壓力和難度越大，而換熱流道尺寸卻可以越小，換熱效果越好。在防阻壓力和換熱效果之間存在一個平衡點(diǎn)，這也是常規(guī)板式換熱器在污水源熱泵系統(tǒng)中難以應(yīng)用的原因。
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5、直接取水與緩沖池取水
污水源熱泵的取水方式主要有直接取水和緩沖池取水兩種形式。
（1）直接取水如圖6所示。直接取水主要應(yīng)用于小型系統(tǒng)，投資省。直接將取水管插接于污水干渠，采用管道泵從頂部接入并抽水。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（也可用閘閥代替）和關(guān)斷閘閥2必須設(shè)置。
（2）緩沖池取水如圖7所示，主要用于大型系統(tǒng)。雖然緩沖池的“削峰填谷”作用有限，卻可以將機(jī)房系統(tǒng)與污水管渠系統(tǒng)隔離，保證系統(tǒng)安全。A. 可以將潛式污水泵置于緩沖池取水，也可以在緩沖池側(cè)壁開口接管道式污水泵取水。B. 緩沖池內(nèi)可以設(shè)置閘門用于檢修時關(guān)斷污水。C. 緩沖池內(nèi)可以設(shè)置機(jī)械隔柵進(jìn)行粗效過濾處理。D. 污水依靠重力流引至緩沖池，退水可以選用重力退水或有壓退水。E. 為了避免頻繁排氣、負(fù)壓集氣和有氧腐蝕，一般要求機(jī)房污水管道最高點(diǎn)不高于緩沖池水面。
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按照污水泵、防阻機(jī)、換熱器、中介水泵之間串并聯(lián)關(guān)系，可將系統(tǒng)分之為單線式系統(tǒng)、單線跨越式系統(tǒng)、并聯(lián)式系統(tǒng)、混聯(lián)式系統(tǒng)。
（1）單線式與單線跨越式系統(tǒng)
單線式系統(tǒng)即一臺一級污水泵、一臺防阻機(jī)、一臺二級污水泵、一臺換熱器、一臺中介水泵串聯(lián)成一條設(shè)備線，而設(shè)備線之間是完全獨(dú)立的。如圖8所示的一級污水管路。而單線跨越式系統(tǒng)是在單線式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，與兩條設(shè)備線之間的一級污水管路、二級污水管路、中介水管路上加設(shè)常閉的跨越連通管，該連通管正常運(yùn)行時處于關(guān)閉階段，只在部分設(shè)備故障時開啟。圖8中的中介水管路就設(shè)置了常閉跨越管。單線（跨越）式系統(tǒng)具有故障率低、故障辨識簡單、調(diào)節(jié)簡單可靠、部分負(fù)荷運(yùn)行控制簡單、閥門和電動閥門少（故障點(diǎn)）等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是水泵投資較大，占地稍多。
（2）并聯(lián)式污水源熱泵系統(tǒng)
并聯(lián)式系統(tǒng)的一級污水管路、二級污水管路、中介水管路均采用集聯(lián)管或積水器將水流合并，將防阻機(jī)、換熱器、熱泵機(jī)組并聯(lián)，如圖9所示。由于各設(shè)備處于并聯(lián)對等位置，當(dāng)一臺設(shè)備故障時，必須盡快辨識并采用電動閥門自動將之隔斷。這對自控要求和電動閥門質(zhì)量要求較高。并聯(lián)式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和監(jiān)控不到位的情況下，容易出現(xiàn)流量分配不均的現(xiàn)象。并聯(lián)式系統(tǒng)水泵臺數(shù)少，投資省，占地稍少。
（3）混聯(lián)式系統(tǒng)
混聯(lián)式系統(tǒng)即一級污水管路、二級污水管路、中介水管路一部分采用并聯(lián)式，一部分采用單線式。如圖8中的二級污水管路就采用了并聯(lián)式連接，構(gòu)成了一個單線跨越式混聯(lián)系統(tǒng)。混聯(lián)式系統(tǒng)的一個目的是為了充分利用污水換熱器的換熱面積。大型遠(yuǎn)距離系統(tǒng)一般采用中介水并聯(lián)的混聯(lián)式系統(tǒng)。
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當(dāng)污水源距離用戶較遠(yuǎn)時，如何將污水熱能輸送至用戶存在三種方案，即引送污水方式、輸送中介水方式、輸送末端水方式。
引送污水方式具有投資節(jié)省、機(jī)房規(guī)模小的特點(diǎn)。遠(yuǎn)距離的污水引退全部采用重力流，并設(shè)置必要的檢查井。重力流管道雖然直徑較大，但是造價不高，阻力不大。污水泵所需提供的能耗為管路阻力和高差（也即重力引退阻力）之和，并不比輸送中介水或末端水的能耗大。引送污水只需修建一個機(jī)房，防阻機(jī)、換熱器和熱泵機(jī)組放在一起，節(jié)省機(jī)房面積和土建投資。但是重力引送污水受地形地貌的限制較大。
輸送中介水方式需要在污水水源旁修建一個換熱機(jī)房，然后將換熱后的中介水遠(yuǎn)距離輸送至用戶附近的熱泵機(jī)房。需要修建兩個機(jī)房，土建成本增加。輸送中介水的熱損失比輸送末端水小。輸送中介水方式不適用于污水溫度較低需要添加防凍液的系統(tǒng)。
輸送末端水方式僅在污水源附近修建換熱和熱泵機(jī)房，提取污水熱能并將較高溫的末端水輸送給用戶。由于熱泵屬于低溫供熱，供回水溫差小而流量大，因此輸送管路的投資比傳統(tǒng)熱網(wǎng)要大許多。輸送末端水方式一般應(yīng)用于污水處理廠集中式污水熱能利用。
不論是輸送污水、中介水還是末端水，各自都存在一個經(jīng)濟(jì)輸送半徑，當(dāng)用戶與水源距離大于某一介質(zhì)的經(jīng)濟(jì)輸送半徑時，就不宜輸送該介質(zhì)來輸送熱能。
8 小結(jié)
城市污水的種類不同、位置不同、距離不同、水量不同、工程規(guī)模不同、應(yīng)用功能不同、地形地貌不同、便利條件不同等，就應(yīng)該選擇不同的系統(tǒng)形式和結(jié)構(gòu)。衡量污水源熱泵系統(tǒng)方案是否合理，首先要考慮技術(shù)上是否安全可靠，是否高效節(jié)能，其次要綜合考慮投資和運(yùn)行費(fèi)用是否節(jié)省，經(jīng)濟(jì)上能否創(chuàng)造更大的效益，最后還必須考慮社會效益，考慮污水源熱泵是否對周邊環(huán)境、地貌、居民生活是否造成重大影響。
注：本文為《地源熱泵》“本期專題”連載內(nèi)容，謝絕轉(zhuǎn)載。如果您對污水源熱泵空調(diào)方面有任何問題，歡迎來電或給我們發(fā)送電子郵件，我們將選擇部分典型問題擇期在《地源熱泵》雜志上統(tǒng)一刊登和解答。電話：010-64656526；電子郵箱：dyrbw # dyrbw.com(將#換為@后發(fā)送，請?jiān)卩]件主題處標(biāo)注“污水源熱泵相關(guān)問題”字樣，以免工作人員誤刪。)
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