污水源熱泵技術(shù)及工程應(yīng)用

城市污水源熱泵關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用摘要：城市污水中蘊(yùn)含了大量低品位熱能，利用成熟的熱泵技術(shù)將之加以利用，可為建筑物供暖空調(diào)并營造舒適健康的室內(nèi)人工環(huán)境，因此污水源熱泵技術(shù)是一項(xiàng)開發(fā)新型建筑環(huán)境能源的新技術(shù)。由于城市污水屬于開式直流水源、水質(zhì)極其惡劣、水溫偏低等特殊性，決定了污水源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有污水取排技術(shù)、防阻塞技術(shù)、軟垢抑除技術(shù)、流動(dòng)與換熱工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式、大型污水源熱泵系統(tǒng)方案等。本文總結(jié)介紹了在上述城市污水源熱泵關(guān)鍵技術(shù)方面的研究歷程、方法和成果。關(guān)鍵詞：污水、熱能資源化、熱泵、關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)例工程城市污水從能源品位、熱容量、換熱性能、時(shí)空分布和獲取難易程度上來說，是一種比較優(yōu)良的低位冷熱源，但惡劣水質(zhì)和開式循環(huán)給工程應(yīng)用帶來了許多難題，比如與惡劣水質(zhì)有關(guān)的腐蝕問題、堵塞問題、軟垢問題，與開式循環(huán)有關(guān)的取排問題、排氣問題、水力穩(wěn)定問題，此外污水的流動(dòng)與換熱特性從熱工角度來看也是個(gè)新問題。哈工大的孫德興教授近五年來帶領(lǐng)其課題組一直從事污水源熱泵關(guān)鍵技術(shù)的研究和推廣，現(xiàn)將主要成果介紹如下：1腐蝕問題關(guān)于腐蝕問題，城市污水對(duì)換熱設(shè)備腐蝕的嚴(yán)重性在一些方案論證的場合往往被夸大了。工程師們通常想到的解決腐蝕問題的方法無非兩個(gè)，第一就是采用新材質(zhì)，例如不銹鋼、鈦合金、氟塑料或氟-石墨塑料，但是它們不但價(jià)格昂貴，而且傳熱系數(shù)較?。坏诙褪遣捎眯峦苛?，例如納米涂料，這種方法同樣成本提高，而且加工與施工難度增加，質(zhì)量難以掌控。實(shí)際上，城市的生活污水雖然水質(zhì)極差，但其PH值卻近似為7，這就決定了它們對(duì)碳鋼的腐蝕不會(huì)很嚴(yán)重，特別是在系統(tǒng)密閉而不暴露于大氣的運(yùn)行情況下更是如此。因此通過系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)大部分管道和換熱設(shè)備在運(yùn)行期間處于充滿狀態(tài)，則可保證碳鋼系統(tǒng)的防腐性能。因此，通過我們對(duì)已經(jīng)實(shí)施并運(yùn)行良好的實(shí)際工程的觀察和測定（最早的工程投運(yùn)于2003年），我們建議換熱設(shè)備采用通常的碳鋼材質(zhì)即可。完全不腐蝕是不可能的。輕度的腐蝕僅會(huì)些許降低換熱系數(shù)，假定運(yùn)行一個(gè)相當(dāng)長的周期后換熱器腐蝕到了即將泄漏的程度，換一臺(tái)換熱器也比當(dāng)初采用合金鋼材要經(jīng)濟(jì)節(jié)省。2堵塞問題通過對(duì)城市原生污水的污雜物的分級(jí)濃度的測定發(fā)現(xiàn)，城市原生污水中污雜物的總濃度在2.63kg/m3~3.44kg/m3之間，其中>4mm的污雜物總濃度在1.03kg/m3~1.13kg/m3之間，對(duì)換熱器容易造成堵塞的柔性絲條狀雜物普遍集中在>4mm的污雜物內(nèi)。1.1kg/m3左右的污雜物濃度是一般普通過濾裝置難以承受的，例如，1萬m2的某工程大約需要污水150m3/h，則每天污雜物截留量為4.08噸，這是傳統(tǒng)過濾方法無法承受的。目前在國內(nèi)許多學(xué)者都在進(jìn)行污水防堵塞換熱技術(shù)的研究。其中孫德興教授提出了濾面水力連續(xù)再生技術(shù)，并在工程實(shí)踐中廣泛采用，并獲得了中國發(fā)明專利：“城市污水冷熱源的應(yīng)用方法與裝置”（專利號(hào)：ZL03132553.X）和“設(shè)置有滾筒格柵的城市污水水力自清方法與裝置”（專利號(hào)：ZL200410043654.9）已經(jīng)成功地解決了這個(gè)問題，并已經(jīng)歷了多年工程實(shí)際運(yùn)行的驗(yàn)證。圖1濾面水力連續(xù)再生技術(shù)原理圖圖1為濾面水力連續(xù)再生設(shè)備的原理圖。濾面連續(xù)再生污水取水機(jī)是該技術(shù)的核心設(shè)備，該設(shè)備被隔板、旋轉(zhuǎn)濾筒和殼體分成A、B、C、D四個(gè)腔，原生污水由A腔流向B腔，污水中的污雜物被濾筒過濾，帶有污雜物的濾面旋轉(zhuǎn)到C腔，在污水換熱后回水反沖作用(注意，反沖洗速度高于正常過濾速度)下此部分濾面得到再生，并繼續(xù)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)過濾過程。濾面連續(xù)再生污水取水機(jī)實(shí)現(xiàn)了原生污水的連續(xù)取水過程，保證了熱泵機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。方法屬于過濾范疇，不同點(diǎn)在于濾面的過濾功能是被取熱后的原生污水反沖洗而獲得連續(xù)再生的。整個(gè)過程是密閉運(yùn)行的，從總體上看對(duì)污水除了取熱（冷）外，沒有進(jìn)行任何處理，甚至可以說并沒有過濾，因?yàn)椴]有把污雜物取出來。這也是該設(shè)備運(yùn)行簡便，費(fèi)用很低的原因之一。詳細(xì)情況請(qǐng)參考專利公告。3軟垢問題不論是污水處理廠二級(jí)出水還是城市原生污水，在流經(jīng)換熱器時(shí)都會(huì)在換熱表面形成嚴(yán)重的軟垢，如圖2所示。圖2城市原生污水及二級(jí)出水對(duì)換熱面的污染圖3高壓頭強(qiáng)力輪替沖沖洗工藝示意意圖圖4螺旋刮削式凝凝固換熱器示示意圖抑制軟垢的方法主要有兩種：一是增加流速，二是采用低能表面，如氟塑料或納米涂層。這兩種方法都有其缺點(diǎn)。清除軟垢的方法目前較多，但是針對(duì)城市污水的開式循環(huán)、結(jié)垢迅速特點(diǎn)而言都有不足之處。我們采用的方法主要有兩種，第一種是在線水力反沖洗——高壓頭強(qiáng)力輪替沖洗工藝，其工作原理為：沖污注水頭一端與主軸相連，在電機(jī)的帶動(dòng)下，沖污注水頭隨主軸一起按一定規(guī)律旋轉(zhuǎn)，沖污水頭的出水口對(duì)準(zhǔn)換熱管束，噴出高壓水，將換熱管中的軟垢沖清掉。每次沖洗部分管束，隨著沖污水頭的旋轉(zhuǎn)，循環(huán)對(duì)換熱管進(jìn)行沖洗。細(xì)部的示意圖如圖3所示。第二種是實(shí)時(shí)機(jī)械除污，拉環(huán)式和螺旋式刮削除污。螺旋式除垢方法是在換熱管內(nèi)設(shè)置螺旋形毛刷，并通過軸承的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)其連續(xù)低速轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)除垢，如圖4所示。拉環(huán)式除污方法是在換熱管內(nèi)設(shè)置刮環(huán)，并通過拉索和環(huán)輪機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)其往復(fù)運(yùn)動(dòng)和除垢，如圖5所示。工程實(shí)測數(shù)據(jù)表明，采用在線實(shí)時(shí)除垢技術(shù)后，換熱器的傳熱系數(shù)可提高30%~50%，管殼式換熱器的傳熱系數(shù)可達(dá)1500W/（m2℃）左右。1：鏤空刮環(huán)；2-1：鋼索；2-2：鏈條；3-1：轉(zhuǎn)向滑輪；3-2：轉(zhuǎn)向鏈輪；4：張緊鏈輪；5：主動(dòng)鏈輪圖5拉環(huán)式清冰除垢機(jī)構(gòu)原理示意圖4取排問題污水取排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不僅關(guān)系到系統(tǒng)需水量的滿足與系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，并且涉及市政、交通等方面的一系列問題，以及投資費(fèi)用，管理與維護(hù)，因此污水取排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況與工程需要對(duì)其進(jìn)行合理的選擇與設(shè)計(jì)。從污水管渠內(nèi)取水，取排水口一般分列式布置，取水口位于上游，取排水口相距8倍吸口直徑。此外，管材：根據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論和工程經(jīng)驗(yàn)，室外污水管道一般可選用鑄鐵管，或者PPE、PVC管；室內(nèi)管道和換熱器可選用內(nèi)外防腐的碳鋼管；閥門：污水子系統(tǒng)盡量減少閥門安裝。水泵進(jìn)口無需底閥，出口無需逆止閥，無需設(shè)置旁通管道，水泵進(jìn)出口均應(yīng)裝設(shè)閘閥。水泵：必須選擇污水泵或者排污泵，一般為單級(jí)單吸管道泵或者濕式潛水泵。污水泵一般采用開式葉輪，而且葉片數(shù)量少，只有2~5片，流道寬，可輸送含有尺寸在40mm~90mm范圍內(nèi)的纖維或者其它懸浮雜質(zhì)的污水。建議污水泵臺(tái)數(shù)不宜太多，三臺(tái)即可，兩用一備。由于污水源熱泵系統(tǒng)大都是間歇運(yùn)行，一天之內(nèi)污水泵的啟停頻繁，而且污水泵的自身結(jié)構(gòu)決定了它的自吸能力很差，因此污水泵站必須設(shè)計(jì)成自灌式，不建議采用真空泵或者水射器抽氣引水。若采用管道式污水泵，一般污水水面需高于水泵吸入口0.5~1.0m，而且在自流管的進(jìn)口和端頭分別安裝閘閥和法蘭盲板，便于檢修和清洗。在條件允許時(shí)，每臺(tái)水泵應(yīng)該設(shè)置各自的吸水管，吸水口朝下，而且各自的出水管必須從頂部接入壓水干管（避免污物淤積）；若選用污水潛水泵，則應(yīng)設(shè)置集水池，并且從壓水管上接出一根50mm的支管伸入到集水池底部，定期開啟將沉渣沖起，由水泵抽走，如圖6所示。1-污水干渠；2-閘閘閥；3-吸水干管；4-盲板；5-積水坑；6-泵房房排水管；7管道污水泵泵；8-壓水干管；9-頂頂部接入；10-自灌高差1-污水干渠；2-自自灌引水管；；3-潛水泵；4-盲板；5-壓水干干管；6-集水池沖洗洗管；7-集水池維修孔a管道泵取水方案b潛水泵取水方案圖6污水源熱泵取水與配管方式5排氣問題污水子系統(tǒng)內(nèi)排氣良好，不僅可以提高換熱效率，而且可以減緩腐蝕、減小流動(dòng)阻力。但是污水源熱泵系統(tǒng)都是間歇運(yùn)行的，一天之內(nèi)須起停好幾次。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)不好，每次停機(jī)后系統(tǒng)的水就會(huì)倒空，不但增加了停機(jī)其間的腐蝕，而且增加了水泵啟動(dòng)的難度，同誰每次啟泵都須重新給管路和換熱設(shè)備排氣。我們通過工程實(shí)踐，建議采用如圖7所示的系統(tǒng)設(shè)置來避免頻繁排氣和減少腐蝕，該設(shè)置的要點(diǎn)就是存水彎和泄水管。存水彎是室內(nèi)管網(wǎng)的最高點(diǎn)，其上安裝排氣閥。存水彎能保證停泵期間室內(nèi)污水管道和換熱器內(nèi)始終能夠充滿水，防止腐蝕。泄水管用于過渡季系統(tǒng)長時(shí)間停止運(yùn)行或者檢修時(shí)泄空污水。如此設(shè)置，僅是室外較短的管路需排氣，而且只有一個(gè)排氣點(diǎn)，即通過存水彎上的自動(dòng)排氣閥自動(dòng)排氣，而管路和換熱設(shè)備則可避免頻繁排氣。1-污水進(jìn)戶管；2--污水出戶管管；3-存水彎旁通通；4-泄水管；5-防阻機(jī)；6-換熱器；7-最高點(diǎn)存水水彎；8-自動(dòng)排氣閥閥圖8污水子系統(tǒng)水力損損失示意圖圖7機(jī)房污水進(jìn)出管道道的存水彎6水力問題污水子系統(tǒng)是一個(gè)開式循環(huán)，流程中存在一個(gè)自由液面，這給污水泵揚(yáng)程的選擇帶來了不確定性，如圖8所示，一般而言，換熱器機(jī)房地面要比污水管渠自由液面高，設(shè)存水彎最高點(diǎn)不自由液面高，存水彎外取水阻力，排水阻力，機(jī)房內(nèi)管路和換熱設(shè)備阻力。（1）如果水泵揚(yáng)程等于總阻力損失加上高差，即，那么可以保證系統(tǒng)內(nèi)處處都處于正壓狀態(tài)，系統(tǒng)可以安全啟動(dòng)和運(yùn)行，但是此時(shí)的水泵電耗太大。（2）為了減小電耗，水泵揚(yáng)程可以等于污水管道和換熱設(shè)備的阻力損失，即，但是如果，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)內(nèi)必然出現(xiàn)真空，這要求提高密封性，給排氣帶來困難，而且系統(tǒng)啟動(dòng)速度大大減慢；如果，系統(tǒng)還將無法正常啟動(dòng)。因此它只適用于的情況。（3）如果，只要保證排水存水彎的最高點(diǎn)非真空即可保證全系統(tǒng)正壓，此時(shí)水泵的揚(yáng)程為，它既能保證正常啟動(dòng)和運(yùn)行，又可減少電耗。水泵揚(yáng)程選擇的原則是在保證系統(tǒng)正壓的前提下盡量利用高差動(dòng)力，盡量減小揚(yáng)程。因此污水水泵的揚(yáng)程為。7污水流動(dòng)與換熱特性污水管道內(nèi)的流速最低不得小于0.7m/s，否則容易產(chǎn)生管內(nèi)污物沉淀。一般水泵吸水管流速為1.0~1.5m/s，壓水管流1.5m/s~2.0m/s。換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，流速在0.9~1.1m/s，污水沿程阻力不高于5mH2O。污水管道盡量平直少閥門，局部阻力按沿程阻力的0.2~0.3倍考慮即可?？紤]到污水泵在使用過程中因效率下降和管道因阻力增加而增加的能量損失，可增大2~3m的安全揚(yáng)程。污水沿程阻力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下：（1）式中：為污水沿程阻力，mH2O；為管道長度，m；為污水設(shè)計(jì)流量，m3/s；為管道內(nèi)徑，m。污