直接式污水源热泵系统技术优势与新进展

段万军，马世君，丁力群，张承虎

(1.沈阳浑南热力有限责任公司，辽宁 沈阳110004;2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨150090)

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。本文从多年工程经验总结和研究成果分析出发，介绍直接式污水源热泵的构成、分类，与间接式系统的对比优势，以及直接式污水源热泵技术的最新进展。

1 直接式与间接式系统的构成与分类

如图1所示，直接式系统可分为2个循环子系统:即污水取排与换热子系统和末端循环子系统。而间接式系统可分为3个循环子系统:污水取排与换热子系统、中间换热子系统、末端循环子系统。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。

图1 间接式系统(左)与直接式系统(右)

根据热泵热力循环的不同，污水源热泵主机可分两大类:蒸汽压缩式和溴化锂吸收式［1］，二者具有不同的特点和要求:

(1)对供热而言，蒸汽压缩式热泵系统对污水量依赖严重;而吸收式所需污水量较小，系统稳定性良好。

(2)对制冷而言，溴化锂吸收式热泵系统夏季所需污水流量较大，系统稳定性对水源稳定性的依赖程度高。

根据污水源的水质不同，也可以划分为两大类:原生污水直接式热泵系统和二级污水直接式污水源热泵系统。

(1)原生污水水质恶劣，容易堵塞蒸发/冷凝器，因此必须配备有效的前置过滤装置，而且污水流道尺寸要有所增大。

(2)原生污水化学、微生物成分复杂，对金属的腐蚀性比二级排放污水要强许多，因此原生污水换热管的厚度要大，材质要好，造价要高。

(3)原生污水对换热面的软垢污染和软垢热阻也要比二级排放污水大很多，因此原生污水换热管内流速要高、换热面积要大。

就目前的发展情况来看，蒸汽压缩式的二级排放污水源直接式热泵技术发展和应用较早也较好，在一些污水处理厂内已有一些小型工程实践。

2 直接式系统与间接式系统的比对优势

定性分析，直接式系统与间接式系统相比有很大的优点，主要是:

(1)在同样的水源条件下供出同样多的热量，蒸发温度可提高3～5℃左右，系统总的耗电量可降低9%～15%以上。热泵机组效率得以很大提高，带来节能减排的更大效果。

(2)省去了污水换热器及相应的中介水循环水泵，机房占地面积减少，不仅大大降低了土建和设备初投资，而且也减少水泵能耗。

(3)获取同样多的热量，所需的污水量可减小一倍左右。一般来说，直接式比间接式可利用的空间大3～5℃。

定量分析，将直接式与间接式进行对比分析，前提是二者的换热量相同，两种系统的污水进出口温度和平均温度相同。在此前提下不难看出换热器面积之间存在如下关系［2］

式中Ki——直接式机组换热器的传热系数;

Ai——直接式机组换热器的换热面积;

tei——直接式机组的蒸发温度;

Kd——间接式机组换热器的传热系数;

Ad——间接式机组换热器的换热面积;

ted——间接式机组的蒸发温度;

tsi——污水进口温度;

tso——污水出口温度;

Δtmm——污水换热器平均传热温差，一般为4～5℃;

Ks——污水换热器的传热系数;

As——污水换热器的换热面积。

2.1 关于传热系数的比对

基于以下三个原因，我们有理由相信Ki≈Kd，或者至少二者相差不是非常悬殊:

(1)污水作为一种弱的剪切稀化的非牛顿流体，在剪切速率较高时粘度趋于稳定且减小至接近实际清水粘度。蒸发器内的污水流速一般在2～3 m/s左右，管直径在10～15 mm，这导致管内污水的剪切速率很大，污水与实际清水近似相等。从而导致污水的流动阻力和表面对流换热系数与常规实际清水条件下的数值近似相等或接近［3］。

(2)软垢的削弱作用。即使是常规的实际清水热泵机组，水侧表面也会形成软垢，软垢热阻在总热阻中也占有重要比例。而污水的软垢特点是:流速越高，软垢平衡厚度和热阻越小，即软垢热阻与流速呈负的指数关系，当流速较高，达到2～3 m/s左右时，软垢热阻与常规机组的软垢热阻相当。

(3)常规实际清水机组水侧的表面强化换热措施，通常是一些浅肋(＜1 mm)，在软垢形成过程之后，这些浅肋都将被填平淹没，浅肋管将变成光管(甚至更易诱发软垢)，因此实际上浅肋的强化换热效果非常不明显，几乎可以忽略不计。这将导致污水和实际清水都几乎是光管换热，效果相当。

粘度相当、软垢热阻相当、强化效果微弱，这三者综合在一起导致直接式与间接式的热泵机组换热器的传热系数是相当的，相差不大，这也与工程实测数据相符。工程实测数值为Ki/Kd=1.3，Ki/Ks=3(污水换热器内流速较低)。

2.2 保证机组COP相等时的投资比对

假设污水的平均温度为10℃，污水换热器的平均传热温差为4℃，为了保证直接式与间接式具有相同的蒸发温度(2℃)和COP，那么根据式(1)，直接式与间接式的蒸发器面积之比为:Ad/Ai=0.65。即直接式机组的换热器面积比间接式机组要小。根据式(2)式，同时增加的中介污水换热器的面积为间接式机组蒸发器面积的3倍。

一般而言，中介水子系统的总投资是污水换热器的2倍，间接式机组换热器单位面积造价是普通钢材的10倍，而直接式机组换热器采用海军铜，造价将比间接式还要增加70%左右。则直接式系统与间接式系统的投资比较结果为

式中c——单位面积普通碳钢换热面积的造价。

可以看出，间接式系统比直接式系统增加的造价，是污水换热器造价(3cAi)的1.65倍左右。

2.3 保证投资相等时的COP比对

如果在投资相同的条件下，Ad/Ai=16/17。那么根据式(3)，可得直接式机组的蒸发温度为

也就是说，在初投资相等的条件下，直接式机组的蒸发温度将比间接式机组提高2.5℃，相对应的机组COP提高5%左右。不但如此，直接式系统还比间接式系统少消耗了中介水循环的水泵功耗，而这部分功耗约占机组功耗的5%～7%。

通过上述比对，可以明确一点的是:直接式污水源热泵系统在充分考虑了材质改进所带来的成本增加和软垢热阻之后，直接式系统在初投资和系统效率、运行费用方面，仍然是比间接式系统优越的，因此，直接式系统是未来污水源热泵的发展方向和主导技术。

3 直接式污水源热泵系统的技术可行性

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。直接式系统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。

(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”。

(3)热泵机组的换热器实现“一器两用”。

(4)可靠的故障诊断与监测报警技术。

(5)规范的系统设计与可靠的清理维护措施。

间接式污水源热泵技术发展了这么多年，已为直接式污水源热泵技术储备了充分的基础成果:

(1)污水水质与水性研究［4］

城市原生污水中的固体污物含量约为3‰左右，而其中的柔性污物是导致前置过滤设备失效和换热设备堵塞的罪魁祸首。直接式污水源热泵系统必须针对柔性片状和丝状污物，采取有效防堵措施。

污水按其成分性质可以划分为原生污水、污水粗滤液、污水本体。直接式系统的前置处理装置应尽可能地将污水处理到接近污水本体的程度，根据污水本体物性和软垢特性进行热工设计。

(2)污水防堵过滤技术

适用于直接式污水源热泵系统的防堵塞技术必须满足三点基本要求:(a)过滤面的连续再生;(b)污杂物的连续还原;(c)实现分级串联过滤。

(3)污水流变特性［6］

污水的流变特性呈现以下特点:(a)污水本体呈现弱的剪切稀化非牛顿特性;(b)当剪切速率较高时，污水的粘度趋于稳定，而且污水本体的粘度接近且稍大于清水粘度。

(4)污水流动特性

污水的流动阻力计算有三种方法:谢才－曼宁公式、当量粗糙高度法，以及广义雷诺数法。

(5)污水换热特性［7］

污水的对流换热计算可以采用两种方法计算，分别是当量粘度法和清水参数修正法

(6)污水污垢特性［8］

污水软垢是一种有机生物垢。影响污水软垢的因素主要有:水质、流速、流道尺寸、表面特性、温度及含氧量。研究发现污水软垢具有渐近型指数增长的特点，可用下式表达

(7)污水腐蚀特性

腐蚀和结垢问题是相辅相成的，腐蚀促进了污垢的形成，而污垢层下由于缺氧容易产酸，又为进一步的腐蚀创造了条件。但是软垢是一种有机生物垢，其形成与生长是需氧条件的，因此控制污水系统内的含氧量是抑制软垢和腐蚀的有效措施。

4 直接式污水源热泵技术新进展

近年来，直接式污水源热泵机组的新进展主要体现在以下几个方面:

(1)连续再生－还原的分级串联过滤技术

连续再生、连续还原、分级串联是直接式污水源热泵机组对前置处理装置的基本要求，虽然与热泵机组自身无关，但是该问题解决不好，直接式原生污水源热泵也就无从谈起。我国科技工作者经过三年多的攻关，成功地解决了该项难题，可以在毫无混水的前提下实现8 mm、4 mm、2 mm孔径的串联过滤，同时实现滤面连续再生、污物连续还原。

(2)机侧切换的可实现性

污水源热泵通过制冷剂侧阀门开关切换操作实现机组制冷、制热运行模式的切换。污水和空调水始终都在固定的换热器内流动，避免了普通水路切换水源热泵机组因制冷、制热水路切换而带来的二次污染问题。四阀门组的切换装置目前已替代传统四通阀，广泛应用于机侧切换的热泵机组中。

(3)水侧切换的可实现性

我国科技工作者通过研究，成功地实现了不会造成二次污染的水侧切换方法和系统结构。那么，究竟选择机侧切换还是水侧切换将仅取决于蒸发/冷凝器的设计。机侧切换的机组仅有一个换热器针对污水水质设计，但是两器必须既能满足蒸发要求，又能满足冷凝要求;水侧切换的机组每个换热器只有一种功能(要么蒸发，要么冷凝)，但是两器都必须能够适应污水。

(4)压缩机技术的改进与效率的提高

热泵机组制热时的压缩比要比制冷工况高许多。对于螺杆机，压缩比变化就会有可能产生“过压缩”或“欠压缩”的现象。目前采用变频压缩机技术或者改变压缩机的级数已经可以实现机组在部分负载运行时充分利用换热面积，使压缩机的部分负载性能系数充分提高。而且针对螺杆压缩机，调控压缩比的比较先进的设计方案是采用滑阀改变螺杆的有效长度，即改变内容积比，以达到改变压缩比的目的。

(5)降膜蒸发技术与分区冷凝技术

水平管降膜蒸发器技术如图2(a)所示，拥有较高换热系数，可简化回油系统，降低成本;管外制冷剂流体压降很小，从而可以减小饱和温度差;减少制冷剂的充注量，在相同的制冷量下，采用降膜蒸发器的充注量要比满液式蒸发器少大约30%。

冷凝器可采用分段设计。卧式壳管式冷凝器上部分为过热蒸汽区，设置多个折流板，使蒸气高速横掠换热管流动，以强化换热;下部为两相区，设置多根管子以合理的换热面积和强化传热表面，达到合理的温度匹配，见图2(b)。

图2 降膜蒸发器和分区冷凝器

(6)双孔板节流技术

孔板节流是最简单的节流装置。双孔板节流原理见图3。在满负荷运行时，第一个孔板后不产生闪蒸气体，通过第二个孔板时压力下降并伴随大量的气泡产生，保证最大的制冷剂流量。部分负荷运行时，制冷剂通过第一个节流孔板后产生部分闪发气体，增加了制冷剂通过第二个孔板的阻力，制冷剂的循环量减少，恰恰满足制冷剂循环量的要求。

图3 双孔板节流原理

(7)蒸发/冷凝双功能换热器设计

机侧切换直接式污水源热泵机组的换热器要求既确保蒸发效果，又确保冷凝效果，较为困难。这可以从换热管表面的形状和气、液流组织两个方面来解决。据报道目前已开发出了一种蒸发、冷凝两用管，该换热管管外利用翅根腔体强化蒸发性能，利用翅侧和翅顶部腔体强化冷凝性能，这样可充分兼顾蒸发冷凝两种效果。

5 结论

直接式污水源热泵技术虽然还很不成熟，但是在多年来的间接式污水源热泵的技术积累基础上，目前在污水前置处理技术、功能切换技术、蒸发冷凝器设计、强化传热、压缩机变频与压缩比调控、热力循环、节流等多个方面取得了较大的进展，笔者相信在未来的3到5年内，较为成熟的直接式污水源热泵系统技术就可以大范围地进行推广了。

［1］张承虎，吴荣华，孙德兴.关于城市污水热能资源化相关概念和分类探讨［J］.暖通空调，2006，36(3):10－16.

［2］吴学慧，钱剑锋，张承虎，等.基于遗传算法的污水换热器的优化研究［J］.节能技术，2008，26(1):12－14.

［3］徐猛，徐莹，孙德兴.原生污水源热泵的关键技术与工程实践［J］.节能技术，2009，27(1):74－77.

［4］张承虎，吴荣华，庄兆意，等.城市污水固态成分相关概念定义与参数测定［J］.哈尔滨工业大学学报，2008，40(8):1218－1221.

［5］蒙建东，张承虎，孙德兴.开式地表水源热泵系统工程实践若干问题探讨［J］.节能技术，2008，26(2):99－103.

［6］徐莹，张承虎，孙德兴.城市污水源热泵工质流变特性研究［J］.节能技术，2009，27(3):201－206.

［7］吴学慧，孙德兴，杨维好.污水在纳米涂层管内的流动与换热特性［J］.节能技术，2010，28(3):195－198.

［8］吴学慧，孙德兴.污水换热器污垢生长特性试验研究［J］.节能技术，2008，26(4):300－304.