污水源熱泵技術(shù)大講堂(連載十)
城市污水源熱泵規(guī)范化設(shè)計(jì)技術(shù)
張承虎1、楊海濱2、劉京1、孫德興1
（1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150090；2．國內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100069）
摘要：本文介紹了城市污水源熱泵系統(tǒng)規(guī)范化設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)和研究成果，在系統(tǒng)形式、換熱方式、設(shè)備連接、管路設(shè)計(jì)、熱水供應(yīng)、控制調(diào)節(jié)、大型系統(tǒng)形式等方面進(jìn)行了較為詳盡闡述。
關(guān)鍵詞：污水、熱泵、規(guī)范化、設(shè)計(jì)
引言
城市污水源熱泵供熱空調(diào)是一項(xiàng)新技術(shù)，在我國還處于起步階段，但是發(fā)展十分迅速。近年來先后攻克了污水換熱的防阻塞技術(shù)、流動阻力與換熱計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式、公共資源利用合作模式等難題。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能源利用效率，國內(nèi)眾多廠家和研究人員的目光已經(jīng)集中投向了直接式污水源熱泵的開發(fā)與試驗(yàn)。直接式與間接式系統(tǒng)的根本區(qū)別在于中介水循環(huán)，因此這兩種系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等多方面仍然具有許多共性。本文介紹從多個間接式污水源熱泵供熱空調(diào)工程中總結(jié)出的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，與同行交流學(xué)習(xí)，共同推動技術(shù)進(jìn)步。
1、系統(tǒng)形式的分類與選擇
地表水源熱泵系統(tǒng)可分為直接式與間接式兩類。若水源水直接進(jìn)入熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器或冷凝器換熱則為直接式系統(tǒng)，若水源水先與中介水換熱，中介水再進(jìn)入機(jī)組則為間接式系統(tǒng)。
直接與間接式系統(tǒng)各有優(yōu)、缺點(diǎn)，方案選擇時需考慮以下幾個方面：
（1）適用范圍：直接式系統(tǒng)對水源水的水質(zhì)有較高的要求，或者說對蒸發(fā)器、冷凝器適應(yīng)較差水質(zhì)的能力有較高的要求。水質(zhì)方面，一般限定為城市污水站中的二級出水、江河湖水、海水、地下水、部分工企業(yè)廢水等，這類水源水中僅含有少量粒徑在1mm以下的固體懸浮物，水質(zhì)相對潔凈。蒸發(fā)器或冷凝器則須有可靠的防堵，防污染與腐蝕能力，而且必須考慮水側(cè)換熱能力的減弱。
間接式系統(tǒng)：由于使用水源水換熱器替代了蒸發(fā)器/冷凝器直接換熱，因此對水源水水質(zhì)的處理要求大大降低。筆者的工程實(shí)踐已經(jīng)證明，即使是水質(zhì)極差，完全不加處理的城市原生污水，只要使用恰當(dāng)?shù)姆雷杓夹g(shù)，整個系統(tǒng)可長期連續(xù)安全運(yùn)行。
實(shí)際中有時會遇到水源水水量不足的情況。若污水量不足，可在中介水中加乙二醇的方法，將蒸發(fā)溫度設(shè)為零下，則可大大增大水源水的降溫幅度以提高取熱量。因此，間接式系統(tǒng)又可分為中介水為清水的間接式系統(tǒng)與中介水為乙二醇水溶液的間接式系統(tǒng)。
需要指出，在最高負(fù)荷期間蒸發(fā)溫度為零下所引起機(jī)組COP的降低并非是全局性的。蒸發(fā)溫度是可調(diào)的。在整個采暖季大部分的部分負(fù)荷時段，仍可令蒸發(fā)溫度在零上運(yùn)行。
（2）初投資：由于直接式系統(tǒng)對蒸發(fā)器與冷凝器的抗堵塞、抗污染與防腐蝕的能力有很高的要求，故蒸發(fā)器與冷凝器必須使用合金鋼材質(zhì)，而且無法強(qiáng)化換熱，這都增加了蒸發(fā)器與冷凝器的制造成本。
與此相比，雖然間接式系統(tǒng)需多設(shè)一級換熱器，但該換熱器完全可以使用碳鋼材質(zhì)，而水在蒸發(fā)器與冷凝器中是閉式循環(huán)，其造價可大大降低。因此總的來看直接式系統(tǒng)的初投資與間接式系統(tǒng)相當(dāng)，但是壽命和可靠性存在差別。
（3）能源利用效率與運(yùn)行費(fèi)用：間接式系統(tǒng)比直接式多了一級中間換熱，顯然會增大整個系統(tǒng)的效率損失；這就意味著系統(tǒng)能源利用效率的降低以及相應(yīng)運(yùn)行費(fèi)用的提高。
2、換熱方式與工況
可能的換熱方式有3種，分述如下：
（1）緊湊式換熱器換熱
緊湊式換熱器與非潔凈的地表水換熱存在堵塞、污染與腐蝕三個關(guān)鍵問題。考慮到上述三個問題，筆者認(rèn)為在所有的緊湊式換熱器形式當(dāng)中，殼管換熱器是最適合于非潔凈水的。而且需特殊指明，非潔凈水只能走其管程（殼空間無法清理）。其他換熱器形式，例如板式，螺旋板式等，解決上述三個問題的難度都很大。
可靠，經(jīng)濟(jì)地解決無堵塞換熱問題是使用緊湊式換熱器從非潔凈水中換熱的關(guān)鍵。但是污水對換熱設(shè)備的腐蝕與污染問題的嚴(yán)重性在一些方案論證的場合被夸大了。實(shí)際上地表水和城市污水對換熱設(shè)備的腐蝕與污染問題在實(shí)際工程中都不是很顯著。城市的生活污水雖然水質(zhì)極差，但其PH值卻近似為7。地面水的酸堿度也近似為中性。這就決定了它們對碳鋼的腐蝕不會很嚴(yán)重，特別是在密閉運(yùn)行的情況下。因此筆者建議換熱設(shè)備采用通常的碳鋼材質(zhì)即可。關(guān)于污染問題：當(dāng)水質(zhì)較差或很差時，對換熱表面的污染也是不可避免的。污染帶來的直接影響是換熱熱阻增大，換熱效果降低。據(jù)筆者總結(jié)，使用城市原生污水的殼管換熱器的傳熱系數(shù)，在經(jīng)歷一個采暖季運(yùn)行后，約降低20%。設(shè)計(jì)時可按常規(guī)做法將換熱面積取一個余量系數(shù)，同時將總的換熱面積分為幾臺，幾用一備。換季時將換熱器打開清洗或在任何使用者認(rèn)為方便的時刻對換熱器進(jìn)行人工清洗，這些措施已足以保證換熱器長期可靠的工作。殼管換熱器的人工清洗是正常的維護(hù)程序。操作方便，效果可靠，成本很低。達(dá)到同樣效果時，最經(jīng)濟(jì)的方案就是最科學(xué)的方案。
（2）非緊湊換熱的特殊設(shè)計(jì)
發(fā)明專利：“含污水源低溫?zé)崮芾霉苁綋Q熱法”（申請?zhí)枺?00510009836.9），給出了一種與非潔凈地面水非緊湊換熱的方法。該方法拋棄了換熱器應(yīng)該緊湊的概念——既然是在使用易堵的非潔凈水，為什么一定還要追求換熱器的緊湊？
當(dāng)水源與建筑物有一定的距離時，若采用緊湊式換熱器換熱，須專設(shè)污水管路輸運(yùn)。該方法將在地下埋設(shè)的疏運(yùn)管路改為環(huán)管，污水走有足夠管徑防堵的內(nèi)管，載熱介質(zhì)走環(huán)形空間。該環(huán)管代替了專門的輸運(yùn)管路和機(jī)房中的換熱器，輸運(yùn)兼換熱。當(dāng)污水渠距離建筑物較遠(yuǎn)時，該方法是經(jīng)濟(jì)的。
（3）浸泡換熱法
浸泡法是將換熱管束浸泡于水源水池、坑、井、箱等大空間中進(jìn)行換熱的方法。這個方法看似原理簡單，實(shí)施容易，但實(shí)際上使用起來很受局限。在流動的污水渠中一般不可以設(shè)換熱盤管浸泡，因?yàn)檫@樣做會占據(jù)排水渠的流通面積而影響正常排水。在大容積的池、罐、坑中安排浸泡盤管通常是可以的。但有如下問題：
在大容積環(huán)境中水基本上不流動，與盤管只能進(jìn)行自然對流換熱，加之傳熱溫差很小，（往往3℃以下）因此需很大的換熱面積。池、坑的體積很大，考慮防止環(huán)境污染的措施，土建費(fèi)用較高，污雜物嚴(yán)重掛壁污染換熱表面難以清理。
由于上述原因，筆者建議僅在有現(xiàn)成的大體積坑、罐時可以采用浸泡法（不宜專門建設(shè)）。在污水處理廠的二級出水罐或池中使用浸泡法是可以的。
換熱工況設(shè)計(jì)
由系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)（污水的進(jìn)、出口，中介水的進(jìn)、出口，蒸發(fā)器，冷凝器等）的溫度和各環(huán)路（污水環(huán)路，中介水環(huán)路、末端環(huán)路）的流量體現(xiàn)，上述參數(shù)直接決定著機(jī)組、各換熱器、水泵等設(shè)備的投資和系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。
水源水冬季的最低溫度與夏季的最高溫度是確定的，在供暖或制冷高峰負(fù)荷時段的最小水量也是確定的。因此換熱工況各參數(shù)的確定是受限制的。在限制范圍內(nèi)，這些參數(shù)又可有一些變化。較好的換熱工況設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧系統(tǒng)的投資與運(yùn)行費(fèi)用。蒸發(fā)溫度高些，冷凝溫度低些，能夠使機(jī)組具有較高的能源效率。但是，冷凝溫度受末端使用條件的限制，通常末端是風(fēng)機(jī)盤管或地面采暖。蒸發(fā)溫度受污水水溫和水量的限制。污水降溫后最低溫度應(yīng)為1℃以上，以避免凍壞管路。在考慮使用效果、運(yùn)行效率的同時，須避免選用過大的換熱面積，兼顧換熱設(shè)備的初投資。在考慮使用大水量運(yùn)行以提高換熱效果的時候，也須顧及水泵的能耗。
每一具體工程換熱工況的設(shè)計(jì)都是一個需綜合考慮初投資與運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)化課題，需進(jìn)行反復(fù)的計(jì)算比較再最后確定。
3、設(shè)備連接方式
建議污水源熱泵采用跨越式單線串聯(lián)連接方式。即一套一級污水泵、防阻機(jī)、二級污水泵、中間換熱器、中介水泵、熱泵機(jī)組等設(shè)備串聯(lián)構(gòu)成一條相對獨(dú)立的系統(tǒng)線路，兩條線路之間設(shè)置常閉跨越連通管。如圖1所示。
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。
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