直接式污水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)新進展
張承虎、孫德興、劉京
（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 哈爾濱 150090）
張承虎、孫德興、劉京
（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 哈爾濱 150090）
摘要：利用污水源熱泵技術(shù)為建筑物供暖空調(diào)的技術(shù)近年來取得了長足的發(fā)展，但是目前較大規(guī)模的污水源熱泵系統(tǒng)均采用含有中介水子系統(tǒng)的間接模式，投資高，效率低，供熱（冷）量小，受水量限制嚴重。取消中介換熱循環(huán)環(huán)節(jié)的直接式污水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)是該領(lǐng)域未來的主導(dǎo)發(fā)展方向。本文介紹了近年關(guān)于直接式污水源熱泵的技術(shù)積累和一些新進展。
關(guān)鍵詞：直接、污水、熱泵、進展
直接式污水源熱泵技術(shù)是未來污水源熱泵的主導(dǎo)發(fā)展方向，這取決于多方面的原因，例如系統(tǒng)簡單、可控可調(diào)性好、投資省、效率高、運行費用少等。但是總體來說，直接式污水源熱泵技術(shù)還很不成熟，雖然已應(yīng)用于幾個實際工程，但個性突出，尚需進一步的總結(jié)和突破。
總結(jié)我國污水源熱泵技術(shù)的發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)，與間接式污水源熱泵技術(shù)一樣，直接式污水源熱泵技術(shù)的發(fā)展路線也是：先工程探索、后理論研究、再工程實踐，即實踐早于理論，很長一段時間工程實踐是缺乏理論指導(dǎo)的。這說明污水源熱泵市場的廣闊和緊迫性，也體現(xiàn)了一種浮躁和急功近利的勢頭?？偟膩碚f，這種路線不是什么壞事，反而顯得動力十足，有的放矢。直接式污水源熱泵技術(shù)得以發(fā)展的一個有利條件，就是有了之前間接式系統(tǒng)的許多技術(shù)研究和工程實踐成果的支持。
1、直接式污水源熱泵系統(tǒng)分類
我們提到直接式污水源熱泵技術(shù)，容易想到的是蒸汽壓縮式的城市原生污水源直接式熱泵，這是不全面的。實際上根據(jù)熱泵熱力循環(huán)的不同，熱泵主機可以分兩大類：蒸汽壓縮式（活塞、單螺桿、雙螺桿、蝸旋、離心；單級壓縮、雙級壓縮；……），以及溴化鋰吸收式的（單效、雙效；蒸汽型、熱水型、直燃型、廢熱型；……）。熱泵熱力循環(huán)不同，對污水源條件就會提出不同的要求：
（1）對供熱而言，蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)的供熱量對污水釋熱量依賴嚴重，這導(dǎo)致：所需污水流量較大，水源穩(wěn)定性對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響很大。相對而言吸收式系統(tǒng)所需污水量較小，而且系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。
（2）對制冷而言，溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)的散熱量比空調(diào)負荷要大很多，這導(dǎo)致夏季所需污水流量較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性對水源穩(wěn)定性的依賴程度高。相對而言壓縮式所需污水量較小，而且系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。
（3）壓縮式熱泵機組的蒸發(fā)/冷凝器一般采用銅或合金銅，而吸收式熱泵機組的蒸發(fā)/冷凝器則可以采用鋼或者合金鋼。這兩種材質(zhì)對污水的抗腐蝕能力是不同，適應(yīng)的污水水質(zhì)種類和范圍也就不同。
根據(jù)污水源的水質(zhì)不同，污水源熱泵系統(tǒng)也可以劃分為兩大類：原生污水直接式/二級排放污水直接式系統(tǒng)。污水水質(zhì)的不同，對熱泵機組的設(shè)備構(gòu)成及性能就會有不同的要求：
（1）原生污水水質(zhì)惡劣，容易堵塞蒸發(fā)/冷凝器，因此必須配備有效的前置過濾裝置，而且污水流道尺寸要有所增大。使用二級排放污水則不存在這樣的困難。
（2）原生污水化學(xué)、微生物成分復(fù)雜，對金屬的腐蝕性比二級排放污水要強許多，因此原生污水熱泵系統(tǒng)換熱管的厚度要大，材質(zhì)要好，造價要高。
（3）原生污水對換熱面的軟垢污染和軟垢熱阻也要比二級排放污水大很多，因此原生污水換熱管內(nèi)流速要高、換熱面積要大。
蒸汽壓縮式二級排放污水源直接式熱泵技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用較早也較好，在一些城市生活污水處理廠內(nèi)已有一些小型工程實踐。
2、直接式污水源熱泵技術(shù)儲備
間接式污水源熱泵技術(shù)發(fā)展多年，已為直接式污水源熱泵技術(shù)儲備了充分的基礎(chǔ)，主要如下：
（1）污水水質(zhì)劃分
城市原生污水中的固體污物含量約為3‰左右，懸浮物按形狀可分為球狀、塊狀、條狀、片狀、絲狀，而片狀和絲狀污物是堵塞換熱設(shè)備的罪魁禍首；懸浮物按變形能力又可分為硬性、脆性、柔性三大類，柔性污物是最容易導(dǎo)致前置過濾設(shè)備失效和換熱設(shè)備堵塞的罪魁禍首。直接式污水源熱系統(tǒng)必須針對柔性片狀和絲狀污物，采取有效防堵措施。
污水按其成分性質(zhì)可以劃分為原生污水、污水粗濾液、污水本體。污水本體的性質(zhì)決定了污水的流動阻力特性、對流換熱特性。直接式系統(tǒng)的前置處理裝置應(yīng)該盡可能地將污水處理到接近污水本體的程度，根據(jù)污水本體物性和軟垢特性進行熱工設(shè)計。
城市原生污水中的固體污物含量約為3‰左右，懸浮物按形狀可分為球狀、塊狀、條狀、片狀、絲狀，而片狀和絲狀污物是堵塞換熱設(shè)備的罪魁禍首；懸浮物按變形能力又可分為硬性、脆性、柔性三大類，柔性污物是最容易導(dǎo)致前置過濾設(shè)備失效和換熱設(shè)備堵塞的罪魁禍首。直接式污水源熱系統(tǒng)必須針對柔性片狀和絲狀污物，采取有效防堵措施。
污水按其成分性質(zhì)可以劃分為原生污水、污水粗濾液、污水本體。污水本體的性質(zhì)決定了污水的流動阻力特性、對流換熱特性。直接式系統(tǒng)的前置處理裝置應(yīng)該盡可能地將污水處理到接近污水本體的程度，根據(jù)污水本體物性和軟垢特性進行熱工設(shè)計。
（2）污水防堵過濾技術(shù)
適用于間接式污水源熱泵系統(tǒng)的防堵塞技術(shù)必須滿足下述兩點基本要求：一，過濾面的連續(xù)再生。只有濾面的連續(xù)再生，才能保證過濾的連續(xù)正常運轉(zhuǎn)。二，污雜物的連續(xù)還原。過濾下來的污雜物應(yīng)當連續(xù)地還原給污水，不改變污水物理化學(xué)成分。
針對直接式污水源熱泵系統(tǒng)所提出的防堵過濾還應(yīng)滿足一個要求，那就是可以實現(xiàn)分級串聯(lián)過濾，只有這樣才能滿足機組對污水水質(zhì)的高標準要求。
適用于間接式污水源熱泵系統(tǒng)的防堵塞技術(shù)必須滿足下述兩點基本要求：一，過濾面的連續(xù)再生。只有濾面的連續(xù)再生，才能保證過濾的連續(xù)正常運轉(zhuǎn)。二，污雜物的連續(xù)還原。過濾下來的污雜物應(yīng)當連續(xù)地還原給污水，不改變污水物理化學(xué)成分。
針對直接式污水源熱泵系統(tǒng)所提出的防堵過濾還應(yīng)滿足一個要求，那就是可以實現(xiàn)分級串聯(lián)過濾，只有這樣才能滿足機組對污水水質(zhì)的高標準要求。
（3）污水流變特性
城市污水是一種混合物，是一種污水本體與懸浮物構(gòu)成的固液兩相流，可以采用兩相流理論來解決問題。
城市污水是一種混合物，是一種污水本體與懸浮物構(gòu)成的固液兩相流，可以采用兩相流理論來解決問題。
污水的流變特性呈現(xiàn)三個特點：一，污水粗濾液呈現(xiàn)剪切稀化的非牛頓特性；二、污水本體呈現(xiàn)弱的剪切稀化非牛頓特性；三，當剪切速率較高時，污水的粘度趨于穩(wěn)定，而且污水本體的粘度接近且稍大于清水粘度。這說明直接式污水源熱泵機組的污水設(shè)計流速應(yīng)當適度增加。
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