污水源热泵技术研究进展及应用

孙春锦，吴荣华，孙源渊，郑记莘

(青岛大学 机电工程学院，山东　青岛　266071)



污水源热泵技术研究进展及应用

孙春锦，吴荣华，孙源渊，郑记莘

(青岛大学 机电工程学院，山东青岛266071)

0引言

污水源热泵技术是一种节能环保的暖通空调技术，近年来得到较快发展。采用污水源热泵技术提取城市污水中的热能供热空调，可在一定程度上缓解能源和环境的紧张形势。然而，城市污水成分复杂，进入系统中换热很容易造成管道和设备堵塞以及换热面结垢等问题。堵塞和污垢问题能否被有效解决将决定系统能否正常运行和系统效率的高低。无论是间接式系统还是直接式系统都必须解决这些问题，近年来防堵和除垢技术的研究取得了显著进展，并应用于大量工程中，但有些技术研究得还不够深入。

1污水源热泵技术研究进展概述

上世纪80年代，污水源热泵技术在北欧和日本等国家开始应用，在我国的应用则始于2000年。几十年的热泵发展历程中，产生了多种防堵和除垢技术。

工程中常采用前置过滤技术和疏导式换热技术来解决堵塞问题。应用两种技术的污水源热泵系统原理图分别如图1、图2所示。前者采用前置过滤装置将污水中的污杂物过滤掉，再进入中间换热器或热泵机组换热，后者不经过前置过滤直接进入中间换热器或热泵机组换热。

图1　有前置过滤装置的污水源热泵系统原理图

图2　基于疏导式换热的污水源热泵系统原理图

前者应用的关键是开发切实可行的前置过滤装置，在这种系统中可以直接采用常规的水源热泵机组，但是前置过滤装置很难把微细颗粒物全部过滤掉，进入热泵机组后可能还会造成堵塞，并且前置过滤装置的开发也会增加系统的投资；后者采用疏导式换热技术，这种换热技术可使污杂物顺利通过换热装置，故无需前置过滤，从而节省了系统投资，但如何开发出具有防堵、防垢功能的疏导式污水换热器是该技术的难点。

工程中采用的前置过滤装置可分为刷式和反冲洗式，刷式过滤装置最典型的是1987年日本开发的自动滤筛器，反冲洗式过滤装置在工程中应用最为普遍，它们基于旋转滤面再生技术开发而来，首先利用该技术开发的过滤装置诞生于哈尔滨工业大学孙德兴团队，并于2003年应用于哈尔滨望江宾馆。

疏导式换热技术包括宽流道技术和疏导管式技术，这两项技术是吴荣华先后开发的两代技术，宽流道技术于2008年开发并应用，疏导管式换热技术于2010年开发并应用，目前都有示范工程。

除垢技术可分为定期除垢技术和在线除垢技术，定期除垢技术操作上较为简单，易于实现，但在污垢量较大需要频繁清洗时已经不能满足要求，它需要向在线除垢发展。上世纪70年代在线除垢技术开始在石油化工领域应用，我国一些学者也取得了一定进展，但由于原生污水水质较差，很多除垢装置在污水换热器中应用较为困难。

2前置过滤技术

刷式和反冲洗式过滤装置的基本思想是先用滤网把污水中污杂物过滤掉，然后采用毛刷或污水回水反冲洗的方式清理滤网以实现连续过滤。

2.1　刷式自清洗过滤器

日本开发的污水自动滤筛器外形如图3所示，该装置由筒状旋转滤筛、驱动电机、刮刷和排污阀组成[1]。运行时，电动机带动筒状滤筛旋转，污水中杂质在离心力的作用下甩向筒壁，被过滤筛过滤掉，黏在滤筛上的污杂物被刮刷清除掉，并被污水反冲排回污水干渠。

2.2　反冲洗式自清洗过滤器

哈尔滨工业大学孙德兴团队提出了城市原生污水热能资源化工艺与技术，利用旋转滤面再生技术发明了污水取水装置[2-4]，其原理图如图4所示。污水首先进入污水取水机的A腔中，经过旋转滤筒的过滤进入B腔中，污杂物被过滤黏在旋转滤筒上，并随着旋转滤筒旋转至C腔处，从污水换热器流出的污水进入C腔中对旋转滤筒进行反冲洗，此时滤面得以再生。

该装置最早于2003年9月应用于哈尔滨望江宾馆[5]，目前，在哈尔滨、北京、大庆、天津等城市也有工程应用，效果良好。

图3　污水自动清污过滤器

图4　闭式滤面连续再生污水取水系统原理图

采用反冲洗方法的过滤装置还有吴荣华发明的污水或地表水源热泵系统转筒式防堵装置[6]，大连理工大学王树刚和端木琳开发的旋转板式自动除污取水装置和旋转筒式自动除污取水装置[7]，大连葆光节能技术研究所有限公司刘志斌等发明的污水全自动除污机[8]，他们都创造性地采用了滤面连续再生的反清洗技术，收到了不错的效果。

3疏导式换热技术

疏导式换热技术即不采用前置过滤装置，污水直接进入换热器或热泵机组换热，悬浮物可以顺畅流过换热设备，而不发生缠绕和滞留。宽流道技术及疏导管式换热技术都是基于这种疏导的思想提出的。

3.1　宽流道技术

图5是宽流道污水换热器[9]原理图，该换热器每排管由多个方形管并列组成，管内走清水，每两排管之间形成较宽的流道，该流道内走污水，流道宽度可根据污水中污杂物状况而设计，从而可以使其顺畅通过。为了避免污水分流时悬浮物在其内部缠绕，宽流道换热器污水侧流道按单一设计。但由于其流道较宽及其结构的特殊要求，悬浮物滞留问题和结构方面的可靠性问题成为其固有的缺陷。

图5　宽流道换热器原理图

3.2　疏导管式换热技术

传统管壳式换热器作为污水换热器时污水一般走管内，这样便于污垢的清洗，但是会造成堵塞。图6是疏导管式换热技术[10-11]的原理图，该技术是在传统管壳式换热器基础上加大换热管管径，从而可以使悬浮物顺畅通过，而不发生堵塞。同时，为了防止污水分流时悬浮物缠绕，采用了流道分离结构[12]。疏导管式换热器换热面内部无焊口，耐压、无疲劳损伤，无漏水风险。由于增大了换热管的管径，必然会使换热器紧凑性下降，但因不需要使用前置过滤装置，整体上来看设备的占地面积不增反减；而且采用大管径后由于流动阻力减小，水泵能耗也会降低，综合效率提高；由于没有悬浮物滞留，不易积垢，而且相对于传统的管壳式换热器换热管的数量可减少75%左右，因此清洗工作量减少，设备维护简单。

图6　疏导管式换热器原理图

疏导管式换热技术已大量应用于工程中，表1是部分的工程项目，它们采用了不同水质的污水，都运行稳定，效果良好，清洗维护周期均在1～2个采暖季以上。

表1部分应用疏导管式换热技术的工程项目

年份项目建筑面积/万m2装机容量/kW污水水质特点2012石家庄新界住宅小区6.23000原生污水住宅,单供热2012西宁青藏铁路调度大厦5.36240原生污水酒店,供热供冷热水2013青岛前海馨苑小区31500印染废水,水质极恶劣住宅,单供热2014青岛莱西凤凰印染厂10.14000印染厂污水、蜡水、热电厂浓水住宅,单供热2014西安金盾0.98820已处理污水公建,供热供冷热水2014青岛团岛污水厂42000已处理污水住宅,单供热2013呼和浩特心想事城小区9.96800原生污水公建,供热供冷2014大连公共交易市场137000原生污水公建,供热供冷热水

4除垢技术

污水源热泵系统污垢问题会对系统性能产生很大影响，哈尔滨望江宾馆和北京悦都酒店污染后换热器换热系数为700 W/m2·K左右，仅为清洁时的一半[13]。换热系数的减小将需要增加换热器面积，从而增加系统的投资。无论是有前置过滤装置的污水源热泵技术还是疏导式污水源热泵技术，都必须解决污水污垢问题。

管壳式换热器是目前广泛采用的污水换热器，一些学者发明了针对管壳式换热器的除垢装置。

(1)传热管自动清洗装置

传热管自动清洗装置最早由日本发明。它主要由毛刷、毛刷收纳器和四通阀组成。管道内毛刷在水流带动下，在传热管两端的毛刷收纳器之间往复移动，以清洗污垢。四通阀的作用是它不断改变管道中的水流方向，使毛刷做往复运动[14]。这种方法实际运行中还存在一定运行维护缺陷，污物排放、环境污染、设备场地、电力消耗等问题也需要考虑，而污水的流动换热问题还缺少相关的研究[15]。故系统在设计时只能做保守设计以保证正常运行，投资和运行成本也会因此相应增加。

(2)胶球在线清洗

胶球在线清洗技术起源于20世纪80年代，它首先在国外凝汽器系统中使用。海绵胶球在流体的推动下在管内移动，依靠对管壁的轻微挤压而把管内污垢除去[13,16]。该装置使用时还需配置胶球清洗泵和胶球收放旁路设备。

该装置在实际应用中存在着收球率低以及二次滤网和收球网结垢腐蚀等问题[13]。很多学者[17]进行试验，对它进行了改造，但并没有从根本上解决问题。另外，该装置对由于化学反应引起的析晶污垢不能完全清除，故不能应用在水质较差的原生污水中。并且，该装置结构复杂，安装较困难。

(3)管内插入物在线清洗

管内插入物早期应用于强化传热中，近年来很多学者开始研究管内插入物在除垢方面的应用[18]。 其基本原理是，在流体的作用下，管内插入物振动或转动以达到除垢效果。但由于是在水质较清洁的情况下提出的，如果用在水质较差的污水中会有以下缺陷：该工艺较复杂，很难在换热面积较大的污水换热器中使用，并且插入物很容易在水质较差的污水中腐蚀损坏；另外，如果污物脱落，吸附在插入物上，则很容易造成管道阻塞。

(4)小水量强力轮替冲洗部分换热管

肖红侠等分析了现有的几种在线清洗装置的局限性，提出了适合污水换热器的小水量强力轮替冲洗部分换热管工艺[13]，并介绍了强力自冲洗换热器的结构及原理，对它的经济可行性作了分析。该工艺是在管壳式换热器封头内设置一个冲污注水头，小水量从注水头中强力注入换热管，而注水头在主轴电动机的带动下转动，实现对换热管轮替清洗。该工艺冲洗水量小、投资小，但它不适用于一般换热器结晶类污垢的清洗，而且受换热器结构的影响，它也不能应用于多管程的管壳式换热器。

(5)液固循环流化床技术

固体粒子与换热器表面不断地接触和碰撞，可以除去沉积在换热器换热表面的污垢，即使有污垢形成，也可将污垢的厚度控制在一定范围内，而不需经常进行清垢，这就是循环流化床技术除垢原理。但该技术目前主要应用在气固与气液固上[19]。而污水源热泵系统污水侧出现的污垢以软垢为主[20]，不同于其他行业出现的硬质污垢，因此，要想将该技术在污水换热器中推广应用，尚需要研究。

毕海洋等[21]将液固循环流化床技术引入到污水源热泵污水侧的防垢、除垢应用中，分析了流化固体粒子防垢、除垢理论机理。流化固体粒子除垢的剥离力主要是液固两相流对污垢层的剪切力和固体粒子对污垢层的碰撞应力；其中，剪切力较小，不足以使污垢层剥离，而碰撞应力通常是剪切力的3个数量级以上，足以破坏污垢层。他们搭建了液固流化床换热器实验台，验证了液固循环流化床技术对于除垢的有效性，并且钢球的效果好于沙粒。

5问题分析与结语

可见，近年来污水源热泵技术的研究取得了很大进展，但还存在很多不足之处。

(1)在前置过滤技术方面，现有的前置过滤装置很多，但这些设备都存在一定的缺陷，如目前最常见的基于旋转滤面再生技术开发的过滤装置普遍存在内泄漏的问题，反冲水混入进水，造成进水温度降低，从而影响系统效率。

(2)除垢技术方面，针对污水源热泵的除垢装置基本没有，对于管壳式换热器的除垢措施很多，但很多装置不能在水质较差的原生污水中使用。小水量轮替工艺和循环流化床技术有望应用于污水源热泵系统中，但尚停留在试验阶段，需要进一步研究。

(3)无论是前置过滤技术、疏导式换热技术还是除垢技术的应用大多是在间接式系统上，而直接式系统同样需要解决堵塞和结垢的问题。如果采用前置过滤装置，由于污水直接进入机组换热，要使机组不堵塞，对于前置过滤装置的要求必然会更高，因此直接式系统可用的前置过滤装置需要进一步研究；若把疏导式换热技术应用于热泵机组，疏导管式技术会造成机组体积增大从而增大系统投资，而宽流道技术中换热器承压以及除垢问题尚需解决。

因此，对于有前置过滤装置的污水源热泵系统来说，要保证热泵系统效率，在开发前置过滤装置时应特别注意做好密封，以防止内泄漏的发生；除垢技术方面可以研究小水量轮替工艺和循环流化床技术在污水中的应用。另外，对于直接式污水源热泵系统的研究，可以着重解决开发前置过滤装置和把疏导式换热技术应用于直入式热泵机组中时所面临的问题。

参考文献

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[21]毕海洋,端木琳.污水源热泵污水侧流化除垢与强化换热性能[J].土木建筑与环境工程,2012,34(1):80-84.

摘要：污水源热泵技术具有良好的节能环保效益，但该技术的成功应用需要解决堵塞和污垢问题。目前，常用前置过滤技术和疏导式换热技术解决堵塞问题，采用除垢装置除去管壳式换热器中的污垢。介绍了刷式、反冲洗式两类前置过滤装置和宽流道式、疏导管式两种疏导式换热技术以及疏导管式换热技术的工程应用状况，比较了前置过滤技术和疏导式换热技术的优缺点，总结了管壳式换热器的几种除垢装置。指出了各种技术所存在的不足，并提出建议，为污水源热泵技术的发展与应用提供参考。

关键词：污水源热泵；前置过滤；疏导换热；防堵；除垢

Research Progress and Application of Sewage Source Heat Pump TechnologySUN Chun-jin,WU Rong-hua,SUN Yuan-yuan,ZHENG Ji-shen

(The College of Mechanical and Electrical Engineering,Qingdao University,Qingdao 266071,China)

Abstract：Sewage-source heat pump technology has good energy saving and environmental protection benefits, but plugging and fouling problems need to be solved first. At present, pre filtering technology and unblocked heat exchange technology are commonly used to solve the plugging problem and descaling device to remove dirt in tube and shell heat exchanger. Two kinds of pre filtration (brush type and back flush type) and two kinds of unblocked heat exchange technology (wide flow type and unblocked tube-type) as well as the engineering application of unblocked tube-type heat exchange technology are introduced. The advantages and disadvantages of the pre filtering technology and unblocked heat exchange technology are compared, and several kinds of descaling devices used in tube and shell heat exchanger are summarized. The shortages of existing techniques are pointed out, with some suggestions put forward and this may provide a reference for the development and application of sewage-source heat pump technology.

Key words：sewage-source heat pump; pre-filter; unblocked heat exchange; plugging; descaling

作者简介：孙春锦(1991~)，男，硕士研究生，研究方向为清洁能源供热。

基金项目：国家科技支撑计划资助项目(2014BAJ02B03)

收稿日期2015-04-07修订稿日期2015-05-18

中图分类号：TK172

文献标识码：A

文章编号：1002-6339 (2015) 06-0512-05