孫春錦，吳榮華，孫源淵，鄭記莘

(青島大學 機電工程學院，山東　青島　266071)

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污水源熱泵技術(shù)研究進展及應(yīng)用

孫春錦，吳榮華，孫源淵，鄭記莘

(青島大學 機電工程學院，山東青島266071)

0引言

污水源熱泵技術(shù)是一種節(jié)能環(huán)保的暖通空調(diào)技術(shù)，近年來得到較快發(fā)展。采用污水源熱泵技術(shù)提取城市污水中的熱能供熱空調(diào)，可在一定程度上緩解能源和環(huán)境的緊張形勢。然而，城市污水成分復(fù)雜，進入系統(tǒng)中換熱很容易造成管道和設(shè)備堵塞以及換熱面結(jié)垢等問題。堵塞和污垢問題能否被有效解決將決定系統(tǒng)能否正常運行和系統(tǒng)效率的高低。無論是間接式系統(tǒng)還是直接式系統(tǒng)都必須解決這些問題，近年來防堵和除垢技術(shù)的研究取得了顯著進展，并應(yīng)用于大量工程中，但有些技術(shù)研究得還不夠深入。

1污水源熱泵技術(shù)研究進展概述

上世紀80年代，污水源熱泵技術(shù)在北歐和日本等國家開始應(yīng)用，在我國的應(yīng)用則始于2000年。幾十年的熱泵發(fā)展歷程中，產(chǎn)生了多種防堵和除垢技術(shù)。

工程中常采用前置過濾技術(shù)和疏導(dǎo)式換熱技術(shù)來解決堵塞問題。應(yīng)用兩種技術(shù)的污水源熱泵系統(tǒng)原理圖分別如圖1、圖2所示。前者采用前置過濾裝置將污水中的污雜物過濾掉，再進入中間換熱器或熱泵機組換熱，后者不經(jīng)過前置過濾直接進入中間換熱器或熱泵機組換熱。

圖1　有前置過濾裝置的污水源熱泵系統(tǒng)原理圖

圖2　基于疏導(dǎo)式換熱的污水源熱泵系統(tǒng)原理圖

前者應(yīng)用的關(guān)鍵是開發(fā)切實可行的前置過濾裝置，在這種系統(tǒng)中可以直接采用常規(guī)的水源熱泵機組，但是前置過濾裝置很難把微細顆粒物全部過濾掉，進入熱泵機組后可能還會造成堵塞，并且前置過濾裝置的開發(fā)也會增加系統(tǒng)的投資；后者采用疏導(dǎo)式換熱技術(shù)，這種換熱技術(shù)可使污雜物順利通過換熱裝置，故無需前置過濾，從而節(jié)省了系統(tǒng)投資，但如何開發(fā)出具有防堵、防垢功能的疏導(dǎo)式污水換熱器是該技術(shù)的難點。

工程中采用的前置過濾裝置可分為刷式和反沖洗式，刷式過濾裝置最典型的是1987年日本開發(fā)的自動濾篩器，反沖洗式過濾裝置在工程中應(yīng)用最為普遍，它們基于旋轉(zhuǎn)濾面再生技術(shù)開發(fā)而來，首先利用該技術(shù)開發(fā)的過濾裝置誕生于哈爾濱工業(yè)大學孫德興團隊，并于2003年應(yīng)用于哈爾濱望江賓館。

疏導(dǎo)式換熱技術(shù)包括寬流道技術(shù)和疏導(dǎo)管式技術(shù)，這兩項技術(shù)是吳榮華先后開發(fā)的兩代技術(shù)，寬流道技術(shù)于2008年開發(fā)并應(yīng)用，疏導(dǎo)管式換熱技術(shù)于2010年開發(fā)并應(yīng)用，目前都有示范工程。

除垢技術(shù)可分為定期除垢技術(shù)和在線除垢技術(shù)，定期除垢技術(shù)操作上較為簡單，易于實現(xiàn)，但在污垢量較大需要頻繁清洗時已經(jīng)不能滿足要求，它需要向在線除垢發(fā)展。上世紀70年代在線除垢技術(shù)開始在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用，我國一些學者也取得了一定進展，但由于原生污水水質(zhì)較差，很多除垢裝置在污水換熱器中應(yīng)用較為困難。

2前置過濾技術(shù)

刷式和反沖洗式過濾裝置的基本思想是先用濾網(wǎng)把污水中污雜物過濾掉，然后采用毛刷或污水回水反沖洗的方式清理濾網(wǎng)以實現(xiàn)連續(xù)過濾。

2.1　刷式自清洗過濾器

日本開發(fā)的污水自動濾篩器外形如圖3所示，該裝置由筒狀旋轉(zhuǎn)濾篩、驅(qū)動電機、刮刷和排污閥組成[1]。運行時，電動機帶動筒狀濾篩旋轉(zhuǎn)，污水中雜質(zhì)在離心力的作用下甩向筒壁，被過濾篩過濾掉，黏在濾篩上的污雜物被刮刷清除掉，并被污水反沖排回污水干渠。

2.2　反沖洗式自清洗過濾器

哈爾濱工業(yè)大學孫德興團隊提出了城市原生污水熱能資源化工藝與技術(shù)，利用旋轉(zhuǎn)濾面再生技術(shù)發(fā)明了污水取水裝置[2-4]，其原理圖如圖4所示。污水首先進入污水取水機的A腔中，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)濾筒的過濾進入B腔中，污雜物被過濾黏在旋轉(zhuǎn)濾筒上，并隨著旋轉(zhuǎn)濾筒旋轉(zhuǎn)至C腔處，從污水換熱器流出的污水進入C腔中對旋轉(zhuǎn)濾筒進行反沖洗，此時濾面得以再生。

該裝置最早于2003年9月應(yīng)用于哈爾濱望江賓館[5]，目前，在哈爾濱、北京、大慶、天津等城市也有工程應(yīng)用，效果良好。

圖3　污水自動清污過濾器

圖4　閉式濾面連續(xù)再生污水取水系統(tǒng)原理圖

采用反沖洗方法的過濾裝置還有吳榮華發(fā)明的污水或地表水源熱泵系統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式防堵裝置[6]，大連理工大學王樹剛和端木琳開發(fā)的旋轉(zhuǎn)板式自動除污取水裝置和旋轉(zhuǎn)筒式自動除污取水裝置[7]，大連葆光節(jié)能技術(shù)研究所有限公司劉志斌等發(fā)明的污水全自動除污機[8]，他們都創(chuàng)造性地采用了濾面連續(xù)再生的反清洗技術(shù)，收到了不錯的效果。

3疏導(dǎo)式換熱技術(shù)

疏導(dǎo)式換熱技術(shù)即不采用前置過濾裝置，污水直接進入換熱器或熱泵機組換熱，懸浮物可以順暢流過換熱設(shè)備，而不發(fā)生纏繞和滯留。寬流道技術(shù)及疏導(dǎo)管式換熱技術(shù)都是基于這種疏導(dǎo)的思想提出的。

3.1　寬流道技術(shù)

圖5是寬流道污水換熱器[9]原理圖，該換熱器每排管由多個方形管并列組成，管內(nèi)走清水，每兩排管之間形成較寬的流道，該流道內(nèi)走污水，流道寬度可根據(jù)污水中污雜物狀況而設(shè)計，從而可以使其順暢通過。為了避免污水分流時懸浮物在其內(nèi)部纏繞，寬流道換熱器污水側(cè)流道按單一設(shè)計。但由于其流道較寬及其結(jié)構(gòu)的特殊要求，懸浮物滯留問題和結(jié)構(gòu)方面的可靠性問題成為其固有的缺陷。

圖5　寬流道換熱器原理圖

3.2　疏導(dǎo)管式換熱技術(shù)

傳統(tǒng)管殼式換熱器作為污水換熱器時污水一般走管內(nèi)，這樣便于污垢的清洗，但是會造成堵塞。圖6是疏導(dǎo)管式換熱技術(shù)[10-11]的原理圖，該技術(shù)是在傳統(tǒng)管殼式換熱器基礎(chǔ)上加大換熱管管徑，從而可以使懸浮物順暢通過，而不發(fā)生堵塞。同時，為了防止污水分流時懸浮物纏繞，采用了流道分離結(jié)構(gòu)[12]。疏導(dǎo)管式換熱器換熱面內(nèi)部無焊口，耐壓、無疲勞損傷，無漏水風險。由于增大了換熱管的管徑，必然會使換熱器緊湊性下降，但因不需要使用前置過濾裝置，整體上來看設(shè)備的占地面積不增反減；而且采用大管徑后由于流動阻力減小，水泵能耗也會降低，綜合效率提高；由于沒有懸浮物滯留，不易積垢，而且相對于傳統(tǒng)的管殼式換熱器換熱管的數(shù)量可減少75%左右，因此清洗工作量減少，設(shè)備維護簡單。

圖6　疏導(dǎo)管式換熱器原理圖

疏導(dǎo)管式換熱技術(shù)已大量應(yīng)用于工程中，表1是部分的工程項目，它們采用了不同水質(zhì)的污水，都運行穩(wěn)定，效果良好，清洗維護周期均在1～2個采暖季以上。

表1部分應(yīng)用疏導(dǎo)管式換熱技術(shù)的工程項目

年份項目建筑面積/萬m2裝機容量/kW污水水質(zhì)特點2012石家莊新界住宅小區(qū)6.23000原生污水住宅,單供熱2012西寧青藏鐵路調(diào)度大廈5.36240原生污水酒店,供熱供冷熱水2013青島前海馨苑小區(qū)31500印染廢水,水質(zhì)極惡劣住宅,單供熱2014青島萊西鳳凰印染廠10.14000印染廠污水、蠟水、熱電廠濃水住宅,單供熱2014西安金盾0.98820已處理污水公建,供熱供冷熱水2014青島團島污水廠42000已處理污水住宅,單供熱2013呼和浩特心想事城小區(qū)9.96800原生污水公建,供熱供冷2014大連公共交易市場137000原生污水公建,供熱供冷熱水

4除垢技術(shù)

污水源熱泵系統(tǒng)污垢問題會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大影響，哈爾濱望江賓館和北京悅都酒店污染后換熱器換熱系數(shù)為700 W/m2·K左右，僅為清潔時的一半[13]。換熱系數(shù)的減小將需要增加換熱器面積，從而增加系統(tǒng)的投資。無論是有前置過濾裝置的污水源熱泵技術(shù)還是疏導(dǎo)式污水源熱泵技術(shù)，都必須解決污水污垢問題。

管殼式換熱器是目前廣泛采用的污水換熱器，一些學者發(fā)明了針對管殼式換熱器的除垢裝置。

(1)傳熱管自動清洗裝置

傳熱管自動清洗裝置最早由日本發(fā)明。它主要由毛刷、毛刷收納器和四通閥組成。管道內(nèi)毛刷在水流帶動下，在傳熱管兩端的毛刷收納器之間往復(fù)移動，以清洗污垢。四通閥的作用是它不斷改變管道中的水流方向，使毛刷做往復(fù)運動[14]。這種方法實際運行中還存在一定運行維護缺陷，污物排放、環(huán)境污染、設(shè)備場地、電力消耗等問題也需要考慮，而污水的流動換熱問題還缺少相關(guān)的研究[15]。故系統(tǒng)在設(shè)計時只能做保守設(shè)計以保證正常運行，投資和運行成本也會因此相應(yīng)增加。

(2)膠球在線清洗

膠球在線清洗技術(shù)起源于20世紀80年代，它首先在國外凝汽器系統(tǒng)中使用。海綿膠球在流體的推動下在管內(nèi)移動，依靠對管壁的輕微擠壓而把管內(nèi)污垢除去[13,16]。該裝置使用時還需配置膠球清洗泵和膠球收放旁路設(shè)備。

該裝置在實際應(yīng)用中存在著收球率低以及二次濾網(wǎng)和收球網(wǎng)結(jié)垢腐蝕等問題[13]。很多學者[17]進行試驗，對它進行了改造，但并沒有從根本上解決問題。另外，該裝置對由于化學反應(yīng)引起的析晶污垢不能完全清除，故不能應(yīng)用在水質(zhì)較差的原生污水中。并且，該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝較困難。

(3)管內(nèi)插入物在線清洗

管內(nèi)插入物早期應(yīng)用于強化傳熱中，近年來很多學者開始研究管內(nèi)插入物在除垢方面的應(yīng)用[18]。 其基本原理是，在流體的作用下，管內(nèi)插入物振動或轉(zhuǎn)動以達到除垢效果。但由于是在水質(zhì)較清潔的情況下提出的，如果用在水質(zhì)較差的污水中會有以下缺陷：該工藝較復(fù)雜，很難在換熱面積較大的污水換熱器中使用，并且插入物很容易在水質(zhì)較差的污水中腐蝕損壞；另外，如果污物脫落，吸附在插入物上，則很容易造成管道阻塞。

(4)小水量強力輪替沖洗部分換熱管

肖紅俠等分析了現(xiàn)有的幾種在線清洗裝置的局限性，提出了適合污水換熱器的小水量強力輪替沖洗部分換熱管工藝[13]，并介紹了強力自沖洗換熱器的結(jié)構(gòu)及原理，對它的經(jīng)濟可行性作了分析。該工藝是在管殼式換熱器封頭內(nèi)設(shè)置一個沖污注水頭，小水量從注水頭中強力注入換熱管，而注水頭在主軸電動機的帶動下轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對換熱管輪替清洗。該工藝沖洗水量小、投資小，但它不適用于一般換熱器結(jié)晶類污垢的清洗，而且受換熱器結(jié)構(gòu)的影響，它也不能應(yīng)用于多管程的管殼式換熱器。

(5)液固循環(huán)流化床技術(shù)

固體粒子與換熱器表面不斷地接觸和碰撞，可以除去沉積在換熱器換熱表面的污垢，即使有污垢形成，也可將污垢的厚度控制在一定范圍內(nèi)，而不需經(jīng)常進行清垢，這就是循環(huán)流化床技術(shù)除垢原理。但該技術(shù)目前主要應(yīng)用在氣固與氣液固上[19]。而污水源熱泵系統(tǒng)污水側(cè)出現(xiàn)的污垢以軟垢為主[20]，不同于其他行業(yè)出現(xiàn)的硬質(zhì)污垢，因此，要想將該技術(shù)在污水換熱器中推廣應(yīng)用，尚需要研究。

畢海洋等[21]將液固循環(huán)流化床技術(shù)引入到污水源熱泵污水側(cè)的防垢、除垢應(yīng)用中，分析了流化固體粒子防垢、除垢理論機理。流化固體粒子除垢的剝離力主要是液固兩相流對污垢層的剪切力和固體粒子對污垢層的碰撞應(yīng)力；其中，剪切力較小，不足以使污垢層剝離，而碰撞應(yīng)力通常是剪切力的3個數(shù)量級以上，足以破壞污垢層。他們搭建了液固流化床換熱器實驗臺，驗證了液固循環(huán)流化床技術(shù)對于除垢的有效性，并且鋼球的效果好于沙粒。

5問題分析與結(jié)語

可見，近年來污水源熱泵技術(shù)的研究取得了很大進展，但還存在很多不足之處。

(1)在前置過濾技術(shù)方面，現(xiàn)有的前置過濾裝置很多，但這些設(shè)備都存在一定的缺陷，如目前最常見的基于旋轉(zhuǎn)濾面再生技術(shù)開發(fā)的過濾裝置普遍存在內(nèi)泄漏的問題，反沖水混入進水，造成進水溫度降低，從而影響系統(tǒng)效率。

(2)除垢技術(shù)方面，針對污水源熱泵的除垢裝置基本沒有，對于管殼式換熱器的除垢措施很多，但很多裝置不能在水質(zhì)較差的原生污水中使用。小水量輪替工藝和循環(huán)流化床技術(shù)有望應(yīng)用于污水源熱泵系統(tǒng)中，但尚停留在試驗階段，需要進一步研究。

(3)無論是前置過濾技術(shù)、疏導(dǎo)式換熱技術(shù)還是除垢技術(shù)的應(yīng)用大多是在間接式系統(tǒng)上，而直接式系統(tǒng)同樣需要解決堵塞和結(jié)垢的問題。如果采用前置過濾裝置，由于污水直接進入機組換熱，要使機組不堵塞，對于前置過濾裝置的要求必然會更高，因此直接式系統(tǒng)可用的前置過濾裝置需要進一步研究；若把疏導(dǎo)式換熱技術(shù)應(yīng)用于熱泵機組，疏導(dǎo)管式技術(shù)會造成機組體積增大從而增大系統(tǒng)投資，而寬流道技術(shù)中換熱器承壓以及除垢問題尚需解決。

因此，對于有前置過濾裝置的污水源熱泵系統(tǒng)來說，要保證熱泵系統(tǒng)效率，在開發(fā)前置過濾裝置時應(yīng)特別注意做好密封，以防止內(nèi)泄漏的發(fā)生；除垢技術(shù)方面可以研究小水量輪替工藝和循環(huán)流化床技術(shù)在污水中的應(yīng)用。另外，對于直接式污水源熱泵系統(tǒng)的研究，可以著重解決開發(fā)前置過濾裝置和把疏導(dǎo)式換熱技術(shù)應(yīng)用于直入式熱泵機組中時所面臨的問題。

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摘要：污水源熱泵技術(shù)具有良好的節(jié)能環(huán)保效益，但該技術(shù)的成功應(yīng)用需要解決堵塞和污垢問題。目前，常用前置過濾技術(shù)和疏導(dǎo)式換熱技術(shù)解決堵塞問題，采用除垢裝置除去管殼式換熱器中的污垢。介紹了刷式、反沖洗式兩類前置過濾裝置和寬流道式、疏導(dǎo)管式兩種疏導(dǎo)式換熱技術(shù)以及疏導(dǎo)管式換熱技術(shù)的工程應(yīng)用狀況，比較了前置過濾技術(shù)和疏導(dǎo)式換熱技術(shù)的優(yōu)缺點，總結(jié)了管殼式換熱器的幾種除垢裝置。指出了各種技術(shù)所存在的不足，并提出建議，為污水源熱泵技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：污水源熱泵；前置過濾；疏導(dǎo)換熱；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

作者簡介：孫春錦(1991~)，男，碩士研究生，研究方向為清潔能源供熱。

基金項目：國家科技支撐計劃資助項目(2014BAJ02B03)

收稿日期2015-04-07修訂稿日期2015-05-18

中圖分類號：TK172

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6339 (2015) 06-0512-05