污水源热泵系统形式和污水换热器结构形式

污水源热泵系统是地源热泵系统的一种类型。众所周知，污水水温的变化较室外空气温度变化小，因而污水源热泵的运行工况比空气源热泵的运行工况要温度。城市处理后的污水是一种优良的引人注目的低温余热源，是水/水热泵或水/空气热泵的理想热源。

污水源热泵在北欧诸国、日本发展较早。我国污水源热泵技术推广应用刚刚起步，但发展很快。综述国内外研究现状，经多年的理论研究和运行实践表明：由于污水水质的缘故，相对于其他地源热泵系统而言，污水源热泵系统具有其特殊性，污水特性对污水源热泵系统的设计与运行带来一些新的影响。针对于此，本部分将主要介绍：污水源热泵系统形式；污水换热结构形式；我国城市污水冷热能潜力分析；国内外污水源热泵演技现状和工程实例；防堵、防腐、防垢及其他技术要点和措施。

一、污水源热泵系统形式

污水源热泵系统形式较多，按照是否直接从污水中提取冷热能，可分为直接式和间接式污水源热泵系统；按照热泵机组机房的布置情况可分为集中、半集式和分散式的污水源热泵系统；按照其使用污水的处理状态可分为以原生污水源热泵系统和以二级出水和中水作为热源/热汇的污水源热泵系统。

1.原生污水源热泵系统

以原生污水为污水源热泵的热源/热汇，可就近利用城市污水，把就近利用城市污水，把未处理污水的冷/热量通过热泵系统，能就近输送给城市的用户，可以显著增加污水源热泵供热供冷的范围。但由于未处理污水含有大量杂质，故其水处理和换热装置比较复杂。工程中常用的方案有两种：

（1）沿污水主管道设热泵站

由于污水排放主管道具有较广的排污收集面积，因此具有污水流量较大且较稳定的特定，可在其沿线设置热泵站，以供沿线部分建筑作冷热源使用。但该方式需要注意在冬季供热时，防止污水温度降低过多而影响其后污水的处理工艺，否则，从系统观点来看，是一种得不偿失的方法。

（2）在小区污水处理器设热泵站

据有关城市污水排放规定，小区污水在排放入市政排水管网之前应经过小区的污水处理器的预处理。污水处理器集中了小区的全部污水，具有稳定的来源，且维持了一定的容量，也很适合作为污水热热泵工作。特别是随着人们对水资源的关注，污水回用的在中水系统逐渐得到普遍认可，中水也将会是很好的冷热源。

城市污水干渠（污水干管）通常是通过整个市区，如果直接利用城市污水干渠中的原生污水作为污水源热泵的低温热源，则使用范围大幅扩展，并且热源靠近热用户，节省输送热量的耗散，从而提高其系统的经济性，但应注意以下几个问题：

①取水设施中应设置适当的水处理装置。

②应注意利用原生污水热能对后续污水处理工艺的影响，若原生污水水温降低过大，将会影响污水生物处理的正常运行，这一点早在1979年英国R.D.希普《热泵》一书中已明确指出。在牛津奴菲尔德学院的一个小型热泵上，已对污水热量加以利用。由于污水处理要求污水具有一定的热量，若普遍利用这一热源，意味着污水处理工程中要外加热量，这是我们不希望的。

③由初步的工程实测数据表明，清水与污水在同样的流速、管径条件下，污水流动阻力为清水的2~4倍。因此，在设计中对这点应充分注意到，要适当加大污水泵的扬程，采取技术措施适当减少污水流动阻力损失。

④以哈尔滨望江宾馆实际工程为对象，经3个月（2003年12月~2004年2月）的现场测试，基于实测数据得到污水/水换热器总传热系数列入表1中。

当管内流速为1.0~2.5m/s、管外水流速为1.0~2.5m/s时，其传热系数为1740~3490W/m2·℃。有文献支出，污水/水换热器换热系数约为清水的25%~50%。因此，在设计中要适当加大换热器面积，或采取措施强化其换热过程。

表1 污水/水壳管式换热器总传热系数

⑤提高原生污水源热泵运行稳定性及其改善措施

所谓的原生污水源热泵运行稳定性差是指热泵在运行过程中随着运行天数的增加，其供热量在不断衰减的现象。引起这种现象的主要原因有：

B.由于换热器内积垢，随着运行天数的增加也会越来越多，这意味着换热热阻的加大，其结果又会使换热器的换热能力下降。

C.为了改善污水源热泵的运行特性，在设计中通常采用设置热水储热罐，使向用户供应的热量趋于稳定。日报某宾馆杂排水热能回收设置两类储热罐，一是预热储热罐，二是加热储热罐。用这些储热罐的蓄热作用改善其运行特性。

在设计中也可考虑设置辅助加热系统，在污水源热泵供热量不足时，投入辅助加热系统运行，通过辅助加热器来改善其运行特性。

2.在污水处理厂设大型热泵站

在污水处理厂设置热泵站，相比于前两种方式，具有更大的优势。污水集中，流量很大，可利用处理后的排放污水或城市中水设备制备的中水作为冷热源，几乎不受降温的影响，将较大地提供热泵的性能，而且换热器的腐蚀结垢等情况也将极大地减少。这时可以将热泵站与区域供冷相结合，发挥其更大的节能效益，这将有助于中小冷热用户减少投资和运行费用。

城市污水处理厂通常远离城市市区，这意味着热源与热汇远离热用户。因此，为了提高系统的经济性而在远离城市市区的污水处理厂附近建立大型污水源热泵站。所谓的热泵站是指将大型热泵机组（单机容量在几MW到30MW）集中布置在同一机房内，置换热水通过城市管网向用户供热的热力站。

20世纪80年代初在瑞典、挪威等北欧国家建造的一些以污水为低温热源的大型热泵站相继投入运行。目前，瑞典斯德哥尔摩有40%的建筑物采用热泵技术供热，其中10%是利用污水处理厂的处理后污水。

3.在污水处理厂设立泵站的分散式热泵系统

在污水处理厂设立泵站把处理后的污水分送到需要的热用户，作为用户水源热泵的低位热源，向用户供冷或供热。这样的好处是，处理后污水输送管网不用保温，管网投资低，热量损失少。此外，用户可以根据自己的需要，选择常规热泵机组，并且可以根据自己的需要，开启热泵机组提供冷水或热水，使用起来方便灵活。

4.直接式和间接式污水源热泵系统型式分析

所谓的间接式污水源热泵是指热泵低位热源环路与污水热量抽取环路之间设有中间换热器，或热泵低位热源环路通过水/污水浸没式换热器在污水池中直接吸取污水中的热量。而直接式污水源是将热泵或热泵的蒸发器直接设置在污水池中，通过制冷剂汽化吸取污水中的热量。二者相比，具有以下特点：

①间接式污水源热泵相对于直接式运行条件要好，一般来所没有堵塞、腐蚀、繁殖微生物的可能性，但是中间水/污水换热器应具有防堵塞、放腐蚀、防繁殖微生物等功能。

②间接式污水源热泵相对于直接式而言，系统复杂且设备（换热器、水泵等）多，因此，间接式系统的造价要高于直接式。

③在同样的污水温度条件下，直接式污水源热泵的蒸发温度要比间接式高2~3℃，在供热能力相同情况下，直接式污水源热泵要比间接式节能7%左右。

二、污水换热器结构形式

针对污水水质的特定，设计和优化与污水接触的换热器的构造，使换热器具有一定的防堵塞、防腐蚀、防结垢等功能，污水换热器种类较多，通常采用的有壳管式换热器、浸没式换热器、淋激式换热器、污水干管组合式换热器。除此之外，还有人提出板式换热器，以及液固流化床换热器。

1.浸没式换热器

①浸没式换热器是由直管或螺旋状弯管组成。

②浸没式换热器结构简单，制作最为简单。

③浸没式管外污水流速低，传热温差不大，传热系数相对较低，因此换热面积较大，体积庞大，对工况的改变不敏感。

2.壳管式换热器

①壳管式换热器，传热系数较高，在其他领域应用广泛，不同负荷的换热器型号完备。

②污水可在壳侧，也可在管侧。若污水在管侧流动，容积流量小。需增大换热管管径。若污水在壳侧流动，为加大流速，需在管外空间装设折流板，污水曲折流动多次，在壳侧空间容易发生积垢和阻塞，且不容易清洗。

③壳管式换热器更适合于处理后污水，而对原生污水需在换热器前加设过滤装置等。

④对采用壳管式换热器用作污水换热器时，主要研究集中在对过滤设备、在线除垢设备以及离线除垢周期等问题的研究上。

3.淋激式换热器

①淋激式换热器结构简单，形式开放，易于清洗和维护，且喷淋清洗效果最好。

②污水通过淋激装置均匀的淋洒在传热元件上（通常为圆管或平板），并以液魔或少量液滴和液流的状态沿管壁或板壁流下，于此同时与制冷剂或水等介质换热。淋激在传热面上的液膜较薄，且受重力作用，流动加强，与浸没式换热器管外自然对流相比，换热系数较高。

③操作中易于观察与控制，由于污水在管外流动换热，其成膜情况及结垢情况可以方便地观察并测定，易于实现控制。

④由于溶液沿管壁呈传热效果较好的膜状流动，液膜很波，且有波动性质，有利于液膜与管壁间的传热。低温传热性能优良，传热温差小，适合回收污水热能等低品位热能。

⑤维持流动水膜的相对稳定，使之均匀地包覆传热表明是保证水膜强化传热和换热器安全有效运行的一个重要前提。一旦液体薄膜发生破断，在传热表明出现干区，那么就会使换热系数迅速降低。维持液膜温度有如下技术要点和措施：

A.合理设计喷淋密度和热流通量，喷淋密度过小或热流通量过大都容易造成壁面液膜破裂。

B.合理设计污水布水器，包括布水孔的大小、密度、排列方式以及距离首层换热管的高度，已使稳定液膜尽快形成。

C.常用的喷淋装置哟喷头式、排管式等，淋激式污水换热器宜使用溢流式，从而限制喷淋速度，防止溅射。

D.增强换热器壁面亲水性，可涂部分亲水涂层。

E.换热器顶部管表面可包覆吸性材料，如吸水性织物等，以提高换热器的表明润湿性能，该吸水性织物，并可起到一定的过滤作用，可定期更换。

国内有关淋激式换热器的研究很少，其降膜换热机理及强化，以及污水液膜稳定性，污水布水器的形式，淋激式换热器的管间距等结构优化等方面都需进一步详细研究。

4.污水干管组合式换热器

一般有如下几种形式：

（1） 在污水干管外壁设置盘管，中间介质在盘管内流动换热；

（2） 在污水干管内壁设置盘管，中间介质在盘管内流动换热；

（3） 在污水干管外壁设置盘管，中间介质在热管内流动换热；

（4） 在污水干管内壁设置盘管，中间介质在热管内流动换热；

（5） 在污水干管外壁设置盘管，中间介质在衬垫内流动换热；

（6） 在污水干管内壁设置盘管，中间介质在套管内流动换热。

与污水接触的换热器设计时还应注意：

（１）合理选择防腐管材，目前出现的管材有：铜质、钛质、镀铝管材传热管和铝塑管传热管等。日本曾对铜、铜镍合金和钛等几种材质分别作污水浸泡试验，试验表明：以保留原有管壁厚度１/3作为使用寿命时，铜镍合金可使用3年，铜则只能使用1年半，而钛则无任何腐蚀。因此，在原生污水源热泵，宜选用钛质传热器和铝塑传热器。但应注意到：

①钛质传热管与其他材质相比较，其价格昂贵。

②铜管对污水中的酸、碱、氨、泵等的抗腐蚀能力相对较弱。

③钢制、铝制换热管的表面电镀铜合金表面不适用污水源热泵系统。

④采用金属表明喷涂防腐防垢且不影响换热的涂层。

（2）要求换热器尽可能的结构简单，形式开放，越复杂越难清洗，并应留有清洗开口或拆卸端头，以方便清洗、更换管件等日常维护。

（3）换热器附属设备，如框架装置等应尽可能少的接触污水，以减轻不必要的腐蚀和结垢。