（热能工程专业论文）原生污水的紊流特性及其热泵系统的研究.pdf

中文摘要 本文研究了城市原生污水的紊流特性及其利用热泵系统的关键技术问题和 解决方法。 城市污水是热泵系统理想的冷、热源之一，论文评述了城市污水的热能特征 及其热泵系统的效益，主要综述了国内外原生污水源的工程应用及研究现状，包 括防阻设备、换热、系统的研究进展，指出了目前存在的问题和研究方向，以推 动原生污水热泵系统的广泛应用。 在城市原生污水的热能利用中，其流动特性是急需解决的问题之一。原生污 水由于固体微粒的存在，使得原生污水流动成为一典型的固液两相流问题。目前 的分析法主要为固液两相流模型和非牛顿流体模型。论文在普朗特混合长度理论 的基础上，求解了有固体微粒存在的原生污水管内紊流问题，并且又从非牛顿流 体的角度推导了有气体存在时的管道内阻力计算关系式，并探讨了阻力变化规 律，其目的是为原生污水的一些管道和换热器设计提供理论指导。 城市原生污水源热泵普遍采用的提取污水能量的方式都是以间接式为主，也 就是在机组前面设置一个换热器，这主要是考虑到污水的水质容易造成堵塞、腐 蚀、结垢等，壁面造成对机组的损害，导致系统无法工作。因此在间接式的系统 中，污水换热器的性能就显得尤为重要。论文设计了一种流道式换热器的尺寸， 根据选型尺寸和分布参数的特征建立了适于这种换热器的传递函数模型，根据供 暖季采集到的数据，和动态模型进行了对比验证。设计的流道式换热器应用到了 实际工程中，论文根据天津地区的这一实际原生污水源热泵系统，分析了系统的 制热工况，并从火用成本角度进行了热经济性评价。结果表明，系统运行的c o p 为4 ，实际的运行费用为1 6 7 7 元m 2 ，年节省费用约为4 4 4 万元。 通过评价结果得知，中介水泵的火用成本比较高，因此论文建立了热泵机组 的动态控制模型，提出了变频调节、温度调节和自控调节的控制策略，对原生污 水源热泵系统如何更加节能的运行进行了较为系统全面的分析。 对于直接换热式系统，研究的难点仍然是污水本身和机组防腐处理，这两者 中污水本身的处理效果是占主导地位的。机组中的蒸发器或冷凝器部件的处理也 是必要的，但是还需经过大量的实验才好更有把握的用到工程中。为了能够尽快 实现直接换热式的系统，论文主要研究了原生污水的处理问题，构思了一级过滤 器的结构；设计并制作了二级过滤器即超声波过滤处理装置，并进行了实验；建 议在进入机组前增加三级过滤即膜处理装置。通过这三道过滤处理后，原生污水 再进入到机组中实现直接式换热，是最合理的。 关键词：原生污水紊流特性流道式换热器动态控制模型直接换热式系 统超声波过滤装置 a b s t r a c t t h et h e s i sh a sr e s e a r c h e do nt h eu n 吮a t e ds e w a g et u r b u l e n tc h a m c t e r i s t i c s 锄d t h ek e yt c c h n o l o g ya n ds o l u t i o n so fu s i n gt h eu n t r e a t e ds e w a g ei nah e a tp u m p s y s t e m u r b a ns e w a g ei sag o o dc h o i c eu s e di nt h eh e a tp u m ps y s t e ma st h ec o l do rh e a t s o u r c e t h et h e s i sd i s c u s s e si t sh e a te n e r g yc h a r a c t e r i s t i c s 醐dt h eb e n e f i to fs e w a g e s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m sa n ds u m m a r i z e st h ep r o j e c ta p p i i c a t i o na n dr e s e a r c h a p p r o a c hi n s i d ea n do u t s i d eo u rc o u n t 巧厅o mc l o g - p r o o fe q u i p m e n t s ，h e a te x c h a n g e t y p ea n ds y s t e mp e r f o n n 锄c e t h ep r e s e n te x i s t i n gp r o b l e m sa r ep o i n t e do u ts oa st o i m p e l t h ee x t e n s i v ea p p i i c a t i o no fu n t r e a t e ds e w a g es o u r c eh e a tp u m ps y s t e m s t h ef l o wc h a 眦t e r i s t i c si so n eo ft h er e s e a r c hf o c u s e sw h e nu s i n gs e w a g eh e a t e n e 唱y t h ef l o wi s 够p i c a ls o l i d l i q u i dt w op h a s ef l o wf o r t h es e 、a g ec o n t a i n i n gt h e s o i i dp a n i c l e s 1 h er e s e a r c hm e t h o dc o n s i s t so fs o l i d “q u i d 粕dn o n - n e 、矾o n i a n m o d e i s t h et t l e s i sr e s e a r c h e so nt h et u r b u l e n tv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fu n t 陀a t e d s e w a g eb a s e do nt h ep r 踟d t lm i x i n gl e n 或hc o n c e p tw h e nt h ep i p ei sm l l yf i l l e d ，锄d t h er e s i s t a n c ec a l c u l a t i o nc o r r e l a t i o nu s i n gn o n j n e w t o n i a nm o d e lw h e nt h ep i p ei s f i i l e dw i t hs o m eg a s e s t i l ed i s c u s s e dr e s u l t so fc h 锄g em l e sc a nd i r e c tt h ed e s i g l lo f p i p e 锄dh e a te x c h a n g e rw h e r ct h eu n t r e a t e ds e w a g ef l o w s t h es e 、矾吗es o u r c eh e a tp u m p su s u a l i ya d o p ti n d i r e c th e a te x c h a n g ep a t t e m b e c a u s eo ft h ec l o g g i n go rc o l l r o s i o ne 矗e c tp r o b a b i yd a m a g i n gt h eu n i t s s e w a g eh e a t e x c h a n g e r sp l a y锄i m p o n a n tr o l e i nt h es y s t e mp e 讦b m a n c ce s p e c i a i l yw h e n u n t r e a t e ds e w a g ei su s e da sh e a to rc o i ds o u r c e t h et h e s i sd e s i g n st h ed i m e n s i o na n d e s t a b l i s h e st h es u j t a b j et r a n s 佬r 向n c t j o n so fa 骶e f l o w - c h 觚n e ih e a te x c h 醐g e r n e m o d e l sa r ev e r i f i e da c c o r d i n gt ot h ec o e c t e dd a t af 如mt h e 陀a ls y s t c mu s i n gt h eh e a t e x c h a n g e r t h et h e s i s s t u d i e st h ep r a c t i c a l s y s t e mi nt i a n j i n 锄de v a l u a t e si t s p e r f i o l l l l a n c ef 硒mt h ee x e g e t i cc o s t t h es y s t e mo o p i sc i o s et o4 ，t h ea c t u a lw o r k i n g c o s ti sl6 7 7 y u a np e rs q u a r em e t e r 卸dt h es a v i n gi sa b o u t0 4 4 m i l l i o ny u 粕 t h ee x e g e t i cc o s to fw a t e rp u m pe n t e r i n gt h ee v a p o r a t o rs h o wt h eh i g h e s t s ot h e t h e s i se s t a b l i s h e st h eh e a tp u m pd y n a m i cc o n t r o jm o d e l sa n da n a l y z e sv a r j a b l e f k q u e n c y ，t e m p e r a t u r ea n ds e l o c o n 仃i ) lm o d u l a t i o n sh o wa f l e c tt h ee n e 唱y 鼢v i n g o p e r a t i o n 。 c o a t i n gt h eu n i tc o m p o n e n t 狮de s p e c i a l l yt r e a t i n gt h es e w a g ea r ee s s e n t i a lf o ra s y s t e mo fd i r e c th e a te x c h 锄g ep a t t e m t h ee v a p o r a t o ro rc o n d e n s e rt r e a t m e n t sa r e a l s oe s s e n t i a ib u ti tn e e d sl a 唱eq u 硼t i t i e so fe x p e r i m e n t st 0e n s u 佗t h ep 豫c t i c a l p e 响m 粕c e t h et h e s i ss t u d i e st h ef i r s tl e v e lf i l t e r sc o n f i g u r a t i o n ，d e s i g n s 锄dt e s t sa n e w l ye q u i p m e n t 嬲t h e c o n dl e v e l f i l t e rw h i c hu t i l i z e su l t r 器o n i ct r e a t m e n t t e c h n i q u e a tl a s tt h et h e s i ss u g g e s t st h ef i l mt r e a t i n gt e c h n i q u ea tt h ee n do ft h e n e w i ye q u i p m e n 毛一i tc 锄m a k et h es e w a g ea tt h eo u t i e tc l e a n e ra n ds a 佗rt oe n t e rt h e u n i tc o m p o n e n t s k e yw o r d s ：u n t r e a t e ds e w a g e ，t u r b u l e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，f 把ef l o wc h a n n e i h e a te x c h a n g e r ， d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cm o d e l ，s y s t c mo fd i r c c th e a te x c h a n g e m o d e ，u l t r a s o n i c6 l t e re q u i p m e n t 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着人口的快速增长、经济的腾飞和社会的进步，加剧了能源的消耗和枯竭， 导致环境的污染和破坏。虽然我国的能源工业有很大的发展，据2 0 0 8 年的官方 的统计资料显示，2 0 0 8 年，我国能源消耗为2 8 5 0 0 0 万吨标准煤，其中煤炭、石 油、天然气和可再生能源占能源比重分别为6 8 7 、1 8 、3 4 和9 9 。据预测， 到2 0 1 0 年我国能源消耗将赶上西欧各国的总和【i 】，2 0 2 0 年将超过美国而成为世 界上第一大能源消耗国i z j 。 2 0 0 7 年6 月，国务院通过了可再生能源中长期发展规划。规划中指出， 到2 0 l o 年我国可再生能源年利用量将达到2 7 亿吨标准煤；到2 0 2 0 年，我国一 次能源消费结构可再生能源比例将由目前的7 提升到1 6 【3 1 。因此，积极发展 可再生能源，利用迄今为止一直未能有效利用的低位能源来代替一部分高位能 源，以达到节约高位能源的目的，成为节能减排所追求的目标。 在可利用的低位能源中，城市污水因一年四季温度变化较小【4 1 、具有冬暖夏 凉的温度特征，且热能潜力大【卯、易于通过现有的城市污水管道进行收集等特点 【6 】【。7 1 ，被公认为是可回收和利用的清洁能源。可以说，有效回收与利用城市污水 热能，将是今后城市污水资源化的一项理想的先进技术。 1 2 城市污水的利用潜力 1 2 1 城市污水的特征 城市污水主要有以下几点特征： ( 1 ) 水温相对稳定。我国各个地区污水水温情况为：华北地区冬季1 3 ， 夏季2 0 2 5 ；东北地区冬季1 0 ，夏季2 3 ：华东地区冬季1 5 ，夏季2 2 2 7 ； 中原地区冬季1 4 ，夏季2 0 2 7 ；西南地区冬季1 3 1 6 ，夏季2 5 2 8 1 8 】【9 1 。 以天津地区为例，冬季，海河4 m 深处的水温约为2 ，而城市生活污水温度 1 1 1 4 【l o l ，与河水水温和气温差异较大相比，污水的水温全年比较稳定。 ( 2 ) 水量不稳定。城市污水主要为生活污水，水量日变化与人的生活规律 有很大关系，主干渠变化较小，中型干渠变化一般，小干渠变化很大【l l 】。 ( 3 ) 热能潜力大。据日本东京都下水道局的测算，如按目前东京区1 0 个污 天津大学博士学位论文第一章绪论 水处理厂的污水量5 1 0 6 肌3 d 计算，可利用热能约为3 7 6 8 1 0 1 6 - ，d ，相当于 4 3 6 1 0 9 枷的电采暖或8 1 0 9 肌3 的液化气的热值【1 2 】。 2 0 0 9 年环境公报显示【b 】，全国废水排放总量为5 8 9 2 亿吨，比上年增加3 0 ； 化学需氧量排放量为1 2 7 7 5 万吨，比上年下降3 3 ；氨氮排放量为1 2 2 6 万吨， 比上年下降3 5 。 据2 0 0 4 年的统计，天津市市政生活污水排放总量为2 6 亿吨【1 4 】；2 0 0 8 年， 全流域城镇居民生活污水排放量占总排放量的2 3 ，工业废污水排放量占总排 放量的6 7 3 ；2 0 0 9 年长江流域废污水排放总量为3 3 3 15 亿吨，城镇居民生活 污水排放量的比例为2 3 4 ，比2 0 0 8 年略有增加；预测到2 0 1 0 年，天津市实际 市政生活污水排放量为4 3 亿吨，供暖面积约为3 5 6 5 万m 2 。 1 2 2 污水水质 城市污水由生活污水和工业废水组成，工业废水水质取决于原水水质的化学 成分，生活污水水质取决于每人每日用水量以及排入下水道物质的性质和数量。 污水中杂质，按其形态大小分为悬浮物质和溶解物质两大类；每类按其化学性质 分为有机物和无机物。通常用有机物消耗水中溶解氧的多少给出的生物化学需氧 量( b o d ) 、化学需氧量( c o d ) 等指标来评判水质优劣。我国相关水质标准如表1 1 所示【15 1 。 城市污水按处理情、况【1 6 】，即按其品质主要分为：原生污水、二级再生水和中 水。原生污水就是未经任何物理手段处理的污水。二级再生水是指经过一级物理 处理和二级活性污泥法或生物膜法等生物处理后的污水，其水质达到允许排入天 然河道的标准。中水是指少量二级再生水经过进一步深化处理，如脱氮除磷，消 毒除臭后的污水，其水质达到城市杂用水要求，用于市政绿化、环卫、洗车等。 这三种污水都可以作为热泵的低位热源。 城市污水作冷热源时，按污水物理成份( 主要指悬浮物) 分三类【1 7 】： 对管路可能、对设备足以造成堵塞的污杂物称为特大尺度污物，如塑料 袋等； 5 m m 以上经长时间累积足以对设备形成阻塞的污杂物称为大尺度污物， 如纸屑、发丝等： 5 m m 以下不阻塞设备却对流动与换热产生影响的固体泥沙颗粒与悬浮物 称为微尺度污物，以质量百分数描述。 表1 2 显示污水中5 m m 以内的微尺度污物含量相对较高，它对系统的影响 有两点： 对换热壁面的污染：形成软垢，增加导热热阻，降低传热效率； 天津大学博士学位论文 第一章绪论 与污水中溶解性化合物综合一起使得污水流动特性有别于清水，表现出 显著差异。 表1 1 水质标准 表1 2 城市原生污水含污测试情况 图1 1 为生活污水在污水处理厂处理的流程图，而对于原生污水来说，由于 水质恶劣，回收其热能时，对换热设备或机组的腐蚀和污垢的影响是必然存在的。 据调查表明，9 0 以上的换热设备都存在腐蚀和污垢问题【婚】。由于腐蚀和污垢的 存在，造成换热设备传热系数降低，流动阻力增大，换热设备的寿命减短，进而 造成了一系列的经济问题。据工业发达国家统计，因腐蚀造成的经济损失约占当 年国民经济生产总值的4 7 【1 9 】。1 9 9 2 年，英国和美国用于污垢的费用占国民生 产总值的o 2 5 ，英国新西兰和澳大利亚为o 1 5 ，德国和日本为o 2 5 【2 0 1 。由 天津大学博士学位论文 第一章绪论 此可见，腐蚀和污垢给各国工业造成的损失是巨大的。 腐蚀和结垢问题是相辅相成的，换热设备表面的腐蚀为其它不洁物质聚积在 换热表面提供了条件，也就是促进了污垢的形成。同时污垢形成后，由于垢层下 缺氧，又为进一步的腐蚀创造了条件。在回收污水热能时，由于污水水质的复杂 性，含有大量的腐蚀性离子和难溶性离子，换热设备的腐蚀和结垢问题成为影响 该项技术能否广泛推广的关键问题。 l ll ： l辱汽； i ；m 一：二- 名： 崮：0 1 2 3 效益分析 ( 1 ) 社会效益 图1 1 生活污水处理流程 r l 1 l 消毒l i j i 1 一- i l i i l 化羹池+ o 城市污水源热泵系统充分利用了城市污水的潜藏能量，将其变废为宝，在一 定区域内缓解了城市供能紧张问题。同时，该项目亦可作为节能减排和科学技术 普及的教材，从而提高天津市民的节能、环保意识。 ( 2 ) 经济效益 经预测，城市污水源热泵系统的初投资费用在1 3 0 1 6 0 元m 2 之间( 不包括 末端设备和用户管网) ，传统的城市集中供热和冷水机组加冷却塔制冷方式初投 资费用约为1 8 0 元m 2 ( 不包括末端设备和用户管网) ，初投资费用节省了1 0 天津大学博士学位论文第一章绪论 3 0 。图1 2 为5 种供暖空调系统的投资费用比较。 图卜25 种供暖空调系统的初投资费用 图1 3 为几种系统的年运行费用；城市污水源热泵系统年供热制冷运行费用 约为1 8 2 2 元m 2 ，与传统的方式2 8 3 2 元m 2 的年运行费用相比，每年可节省 运行费约为1 0 元m 2 ，若按1 0 0 万m 2 的建筑面积计算，年节约运行费用可达1 0 0 0 万元，在该系统全生命周期内( 按2 0 年计算) ，共可节省运行费用2 亿元。 污拍顾热i 繇统口直蝴且口燃# 甜曲+ 冷糊且掷矿冷水耵幽j 图卜34 种供暖空调系统的年运行费用 城市污水源热泵系统供热时，供热系数按4 计算，热泵的一次能源利用率为 1 3 3 ，与燃煤锅炉0 8 的热效率相比，在考虑辅助能耗的条件下，至少节省一次 能源4 5 。按水量计算，每利用1 吨污水，相当于减少燃煤使用量o 7 k g 左右。 制冷时污水对系统的冷却效果好于冷却塔中的空气冷却，节省空调用电1 5 以上 【2 l 】 o ( 3 ) 环境效益 城市污水源热泵系统是利用污水作为冷热源，污水经过换热设备后留下冷量 天津大学博士学位论文第一章绪论 或热量返回污水干渠，污水与其它设备或系统不接触，污水密闭循环，不污染环 境与其他设备或水系统。 项目施工中，从污水支渠、干渠引排污水将采用标准施工，保证原有支渠、 干渠的功能和寿命不受到影响。系统运行中，不排烟，不排渣，对环境无污染。 在计算火力发电时，系统一次能源的节能幅度为4 5 ，因此污染物的排放也将对 应减少4 5 。同时，在夏季制冷运行中，与常规空调系统不同，并不是通过冷却 塔排放到大气中，而是排放到城市污水中，从而缓解了城市“热岛现象”【2 2 1 。 1 3 污水源热泵的研究现状 根据污水处理情况的不同，污水水源热泵可以分为以未处理的污水即原生污 水作为热源和以处理后的污水作为热源的污水水源热泵【2 3 1 。以处理后的污水即二 级出水或中水作热泵热源，水质较好，处理过程比较简单，系统仅需要一级过滤 器即可。但是，由于污水处理厂一般位于市区边缘，距热用户距离较远，若热泵 站设往污水处理厂内，则供热管线较长，热损失较大，而且也增加了热泵系统中 水处理的投资费用【2 4 1 。 以未处理污水作为热泵的热源，可以设置在污水泵站附近，将污水中的排热 量传递到热泵系统中，并能就近输送给热用户，初投资费用大大降低【2 5 1 ，比二级 污水热泵系统更具有应用和推广的潜力。图1 4 为原生污水源热泵系统的原理图。 ! 口口口 固1 h 警h i 圜一墨一 每夺 疑季 图1 4 原生污水源热泵系统原理图 匿 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 3 1 工程应用 ( 1 ) 国外的研究 在西方发达国家，由于其能源结构和环保政策，污水源热泵技术在这些国家 中的研究和应用较多【2 6 1 。国外应用较早的是日本、瑞典、挪威等北欧国家。在瑞 典，冬季经处理的污水温度最低为7 ，此温度较河水高。瑞典现有9 百万人口， 经济发达，独户小住宅楼多，有1 6 百万栋，包括夏季别墅。5 5 万户居民用电取 暖；2 2 4 万户用电热锅炉辅之以木柴炉供热；l o 4 万户居民使用集中供热系统； 约有3 5 万户居民使用各种类型热泵取暖和供应热水，约占家庭总数的2 8 5 【2 7 】。 日本对污水水源热泵技术进行了大量的研究，并且处于世界的领先地位，同 时日本还是利用污水冷热能较早的国家之一。东京大区污水管理局从1 9 8 7 年起 启动从污水中回收冷热能的计划。目前有1 2 个污水源热泵系统在运行，其中4 个设置在泵站，用原生污水作为冷热涮2 引。日本第一个采用原生污水作为热源系 统的地区位于后乐园1 2 引，整个系统主要为后乐园一1 丁目1 2 “万m 2 的商业建 筑供暖和制冷。装机容量为2 5 6 m w 。1 9 9 2 年投入运行后，比该地区以前的冷热 系统减少了2 0 的电能消耗，减少了4 0 的c 0 2 和3 7 的n o 石的排放量。 挪威的典型实例是奥斯陆l9 8 0 年开始建设利用的城市原生污水作为热源的 热泵站，19 8 3 年投入使用p 州。a s k e r 污水处理厂将未处理污水送入厂外新开发 区供热站，供2 8 栋商业和业务大楼的空调。现空调面积1 5 5 0 0 0 m 2 ，计划供约6 0 栋大楼的空调。未处理的污水经过滤器进入热泵，冷水温度为5 8 ，热水温度 为6 0 8 0 。该供热站设燃油锅炉，供高峰或事故时使用。 瑞典凡d 污水处理厂在临近污水厂外设置区域集中供热站，利用污水处理 厂二级处理水的热能，供给小区5 1 7 0 栋建筑的空调热能利用系统【3 l 】。该小区空 调需热量为1 0 4 l t j ( 2 8 9 3 g w h ) ，在供热站内设4 台热泵，将水加热到5 5 6 0 。 根据季节不同，再用热水锅炉加热到7 5 1 1 5 ，再向用户供应。塞勒用处理后的 污水作为低温热源的热泵站( 3 3 m 、) ，1 9 8 1 年6 月投入运行后效果良好【3 2 】。 莫斯科于1 9 9 9 年投入运行了容量为9 5 m w 的污水热能回收利用热泵系统， 该系统用处理后的污水作热源。莫斯科市乌赫托姆斯基小区的电一热一冷三联供 系统，压缩式热泵系统利用城市排污废水经净化后作为低温热源向生活小区供热 【3 引，整个系统用于住宅楼、行政、文化、商业等建筑物供电、供热，用于室内游 泳池供热和室内人工滑冰场的制冷，用于融雪装置的供热。表1 3 为国外研究现 状的汇总。 天津大学博士学位论文第一章绪论 表卜3 国外研究现状汇总 污水源热泵使用地点和工程名称应用情况和可供借鉴经验 日本东京汤岛泵站，1 9 8 7 日本东京后乐泵站，1 9 9 7 日本东京落合污水处理厂，1 9 8 6 日本千叶县花则污水处理厂，中心 区：1 9 9 1 年，扩建区：1 9 9 8 年 日本东京大区污水管理局1 2 个项目 日本荏原公司 日本东京o c h i 盯污水处理厂 日本东京k o r a i ( u 1 c h o m e 区域供热 冷系统 日本都森崎污水处理厂 挪威奥斯陆，1 9 8 3 挪威a s k e r 污水处理厂 瑞典r a y 污水处理厂 瑞士苏黎世市政厅 瑞典斯德哥尔摩，哥德堡，奥斯特 桑德，伊索喔等1 3 处大型污水源热 泵站 俄罗斯莫斯科，1 9 9 9 原生污水，供4 9 0 m 2 ，冬季水温1 0 9 1 2 ，夏季 水温2 6 2 9 ，冬季c o p = 3 2 ，夏季c 0 p = 3 6 ，采 用了自动晒滤器，立式流水，镀铝管板式换热器， 传热面可自动清洗 原生污水，供热面积1 7 5 4 0 0 m 2 ，日本最大的污水 源热泵系统，冬季c o p = 3 8 ，间接换热，采用除污 器、储热器、钛管换热器 二级处理后污水，供热冷面积2 2 7 0m 2 ，冬季水温 8 7 1 2 ，夏季水温2 5 3 0 ，冬季c o p = 4 3 ，夏季 c o p = 4 6 ，污水在管内，r 2 2 在管外的铜质壳管式换 热器。有辅助锅炉和蓄热装置 二级污水处理后污水，为污水处理厂周围的外幕 张新都小区供热，是日本首次以污水为冷泵建设 小区集中空心调系统，冷量由污水站送至供热站， 分两阶段建设设施。 4 个原生污水系统，8 个二三级处理后污水 对污水源热泵进行综合经济性评价，与电制冷加 油锅炉相比节省投资2 5 ，节省运行费用4 0 冬天较锅炉节约2 5 的运行费，4 年回收投资 原生污水，采用旋转过滤器，固定端冲洗刷， 不锈钢和钛的换热管，并用热水加热清洗换热管 开展了不同铜管，如镀铝铜管等的腐蚀试验 原生污水，热泵站 原生污水，供厂外开发区2 8 栋商业建筑空调使用， 1 5 5 0 0 0m 2 二级处理后污水为热源，厂外设集中供热站。四 台热泵，为5 1 7 0 栋建筑集中供热，2 8 3 9 g 帅 s u l t e r 公司承建的大型污水源热泵系统 容量从1 2 m w 到8 0 m w ，瑞典4 0 的建筑采用热 泵技术供热，其中1 0 以污水处理厂处理后污水 为热源 二级处理后污水，9 5 m w 8 天津大学博士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 国内的研究 我国在污水源方面的研究起步较晚，其中应用最早、较为突出的是2 0 0 0 年 北京市排水集团在高碑店污水处理厂开发的污水源热泵实验工程【3 4 】，使用的是二 级出水。2 0 0 3 年北京密云县污水处理厂采用原生污水热泵系统为厂内1 0 0 0 0 m 2 建筑( 写字楼，厂房，车库等) 供暖和部分制冷( 只有办公楼需要制冷) 【3 5 1 。继 此之后，对于原生污水作冷热源的研究重点展开，哈尔滨走在全国研究的前列， 其中望江宾馆、大庆恒茂商城【3 6 】阳均采用原生污水源热泵系统。天津地区的天 津公馆采用原生污水为5 万平米的建筑供暖和供冷，是目前天津市首例应用城市 原生污水作为冷热源的空调工程。表1 4 为国内原生污水源热泵的工程应用地点 和类型【3 8 】。 表卜4 国内原生污水源热泵工程汇总 天津大学博士学位论文 第一章绪论 1 3 2 研究领域 ( 1 ) 防阻塞和除污设备 日本在1 9 8 7 年开发了污水自动清 污过滤器【3 9 】【柏】，首次应用在东京o c h i a i 污水处理厂的二级水源热泵系统中，如 图i 5 所示。该设备主要由筒状旋转滤 筛、刮刷、驱动电动机和排污阀等部件 组成。筒状滤筛用于过滤污水中的杂质， 电动机带动滤筛旋转，挂在滤筛上的污 杂物被刮刷清除，然后被反冲排回污水 干渠，实现污水取水除污过程的连续稳 定运行。系统中用于污水换热的污水换 热器和自动清洗系统如图1 6 所示。污 水换热器的换热管不同于普通壳管式换 热器的换热管，其内置有滑动毛刷，两 端设有毛刷容纳管，毛刷在水流换向时 沿管内壁往复滑动，达到清除换热管内 壁污物的作用。 图卜5 污水自动清洗过滤器 图卜6 污水换热管自动清洗装置 日本在1 9 9 7 年开发了开式自动旋筛过滤器过滤原生污水中的污杂物f 4 ，如 图1 7 所示。自动旋筛过滤器由旋转筛滤筒、刮刀、反冲洗喷嘴、电动机、污水 天津大学博士学位论文第一章绪论 入口、污水出口、排污口和壳体构成。该设备 可以实现连续稳定过滤污水和滤面清洗再生。 原生污水作冷热源应用的一个主要障碍 就是堵塞问题，也是研究的重点之一。国内哈 尔滨工业大学开发了一套设置有滚筒隔栅的 水力连续自清装置【4 2 】，如图1 8 。该防堵技术 具有的优点：完全自动过滤和自动清理；占地 小，原理可靠，工作安全；污水密闭循环，无 空气污染；己在工程中应用，运转效果较好。 i 图卜7 自动旋筛过滤 卜一级污水泵；2 一外壳；3 一旋转滤网：4 _ 内挡板；5 一二级污水泵；6 一污水换热器； 2 、3 、4 及其它辅助部件构成防阻机。 图卜8 转简式滤面连续过滤与还原技术工艺原理 图1 9 为目前大连华峰化工公司采用的污水过滤器f 4 3 1 ，电动机带动旋转椭圆 管转动，污水进入腔体内由孔板过滤，孔板上的污杂物在旋转椭圆管的作用下由 排污孔排除。在实际运行过程中，此系统旋转椭圆管与孔板之间有一定的间隙， 长时间运行后在腔体内会沉积大量的污物，同时污水的排污量较大。 天津大学博士学位论文 第一章绪论 图卜9 大连华峰化工污水过滤器原理图 毕海洋】开发了旋转板式自动除污取水装置【4 5 】和旋转筒式自动除污取水装 置m j ，如图1 1 0 和1 1 l 所示。旋转板式自动除污取水装置采用了锥体或球冠形 孔板过滤盘和与之配合的斜口椭圆形吸水管口和排水管口，避免了取水装置中 吸、排水管口处的污水短路问题；旋转筒式取水除污装置采用孔板过滤筒和与之 配合的喷水管路和排污管路，依靠重力取水，避免取水装置中吸排水管口处的低 位冷热源短路问题，孔板过滤筒上污杂物的反向冲洗效果更好。 删 l 过滤盘；2 吸水管口；3 排水管口；5 吸水管路； 6 排水管路；l o 传动轴；1 1 电机及其减速装置 图卜1 0 旋转板式自动除污取水装置 天津大学博士学位论文第一章绪论 2 进水管路；5 出水管路；9 电机；1 0 减速装置；l l 溢流口；1 2 转杆； 1 3 排污管路；1 4 喷水管路；1 5 过滤筒支架；1 6 孔板过滤筒； 1 7 外壳；1 8 转动装置支架盲板；1 9 转动轴承；2 0 喷水潜水泵 图卜1 l 旋转筒式取水除污装置 自动反冲洗原生污水板式换热器【4 7 1 通过压差传感器对污水板式换热器污水 进、出口两端的压差进行监控，从而判断板式换热器的结垢和阻塞情况，如图 1 1 2 所示。其当压差值超过限值后，通过阀门的切换，利用清洁水对板式换热器 进行高压反冲洗，将污水换热器上的污杂冲洗掉，以保证换热器的高效运行。该 项技术解决了污水源热泵系统中板式换热器清洗的难点。由于具备自动清洗功能 更避免了清洗板式换热器造成停止供暖、空调的麻烦。不仅减少了人工操作的费 用，还大大增加了板式换热器的使用寿命，提高了板式换热器的换热效率，降低 污水源热泵系统供暖、空调的运行费用。 天津大学博士学位论文第一章绪论 朽水出水 朽水进水 清水进水 清水出水 图卜1 2 自动反冲洗污水板式换热器 压差式原生污水源热泵机组自动清洁装置【4 8 】通过压差传感器对污水源热泵 机组冷凝器蒸发器进、出口两端的压差进行监控，从而判断冷凝器蒸发器的结 垢和阻塞情况，当压差值超过限值后，控制污水源热泵机组自动清洁装置发射清 洁球对冷凝管蒸发管进行清洗，将冷凝管蒸发管中污物清洗掉，从而保证污水 源热泵机组的高效运行，如图1 1 3 所示。 1 2 冷凝器蒸发器；3 压差控制器；4 清洁球； 5 回收器；6 发射器；7 出水管；8 进水管 图卜1 3 压差式原生污水源热泵机组自动清洁装置原理图 天津大学博士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 污水换热的形式 由于原生污水的水质，目前仍然采用间接式换热，不直接进入机组，因此采 取何种换热形式也是研究的重点内容【4 9 1 【5 0 】。 城市原生污水间接式热泵系统中较常采用的换热方式为壳管式换热器【5 l 】置 换污水能量，其传热系数较高，污水可在壳侧，也可在管侧流动。若污水在管侧 流动，容积流量小，需增大换热管管径，导致壳体直径增大，使壳管式换热器结 构紧凑的优点不复存在。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，在壳侧空间更容易发生积垢和阻塞，且不易清洗。 浸泡式换热是将换热管束浸泡于污水池、坑、井、箱等大容积污水空间内换 热。由于其应用的局限性【5 2 1 ，不具有推广的价值。 韩国有一种开放式流道型污水换热器【5 3 】，如图1 1 4 所示，其实质也是一种 浸没式换热器。该换热器两边开放，使污水畅通地流入流出，多组换热管束横向 安装在流道内，管外污水和管内制冷剂垂直流动，格栅安装在换热管柬前，并沿 流动方向设置导流片。 l 污水流道；2 流道壁；3 换热管束：4 分液管；5 制冷剂进口； 6 制冷剂出口；7 过滤隔栅：8 隔栅固定边；9 导液板； 图卜1 4 开放流道型换热器 有学者提出用淋激式换热器作为污水侧换热器，并详细设计出换热器的结构 【5 4 1 。淋激式换热器结构简单，形式开放，易于清洗和维护，安装制造方便，制造 费用低；在处理腐蚀性流体时，可以采用多种材质，更换传热元件方便。故其抗 结垢和防堵塞防腐蚀性能优于壳管式换热器。与浸没式换热器管外自然对流相 比，换热系数较高，此外当安装场地没有高度的限制时，淋激式换热器可仅占比 较狭窄的地方即可。 天津大学博士学位论文 第一章绪论 板式换热器由于其换热系数高，通过深入研究，对于其在原生污水源热泵中 应用也提出了可行性，通过设计在工程中也出现了应用【5 5 。【5 刨；通过研究各种换 热器材质，哈尔滨商业大学和山东建筑大学提出采用塑料换热器代替金属换热器 【5 7 1 ，【5 8 】，【5 9 】，【6 0 】，【6 1 】【6 2 1 。通过对塑料换热器在腐蚀、结垢、价格等方面与金属热换器 的比较，发现其具有明显优势。但是由于其传热性能较差，对换热器需进行重新 设计，对于其的应用还需进一步研究。 套管输送换热采用套管型的换热部件，污水走有足够管径防堵的内管，载热 介质走环形空间。该法适用于当污水渠距离建筑物较远的情况，利用在地下埋设 的环管输运兼换热。通过套管输送换热的污水阻力计算方法【6 3 1 ，可对污水和中介 水的输送能耗进行对比分析。其它的换热形式还有空气载热m 】和明渠式换热槽换 热【6 5 】等。 2 0 0 6 年美国盐湖城能源理事会项目报告中提出一种特殊的取热装置【鲫，它 是综合回收原生污水热能和土壤热能的一种方式，如图1 1 5 。将距取热地点6 0 英尺的污水管道换为不锈钢双层壁管，两层管壁之间通入传热介质( 如水) ，传 热介质吸收污水和土壤热能后，流入室内换热器，为室内供热制冷提供能量。该 报告指出，该项技术适于那些靠近污水系统主干道、污水流量可观的大型建筑。 值得指出的是，不论以何种方式，对原生污水热能，不能全线取用。因为如果长 期并大量使用原生污水热能，污水将不再是一个优良的冷热源，并且将影响后期 的污水生物处理，所以原生污水热能的取用在实际上必将是个局部的点上的工 程应用。即便局部使用，若经过长期峰值取热或取冷，污水和管道周围土壤也有 可能不满足使用要求，往往也需要补充内部水源作为冷热源，如自来水水池等。 1 耔政；i 拳管曦双层聚4 i 绣铡管 伫热行质 污术 图卜1 5 原生污水热能兼土壤热能取热装置示意图 ( 3 ) 污水源热泵系统 对污水源热泵系统的研究主要侧重于系统的匹配设计、优化设计、模拟分析、 - 1 6 天津大学博士学位论文 第一章绪论 经济性评价等等。哈尔滨工业大学在这方面做了以下一些工作： 通过应用有限时间热力学和基于遗传算法理论，建立了热泵最佳制热性能系 数和最小总传热面积的数学模型【6 7 】【醯】，对系统进行了优化设计： 采用模拟方法对原生污水源热泵系统的冬季供热情况进行了模拟分析1 6 9 1 ，预 测了该污水源热泵系统在冬季采暖期内，机组运行的主要特性，以判断污水源热 泵系统运行的可行性、安全性和节能性： 为了提高双级泵式污水源热泵系统设计和运行调节的合理性，建立了污水子 系统的旁路串联水泵模型，基于实际工程数据，通过数值实验，分析了管路阻抗、 水泵性能对系统实际用水量和流量系数的影响特性，讨论了系统的运行稳定性和 调节性【7 0 1 。结果表明，小阻抗旁路串联水泵系统具有环路独立性，因此可以采用 简单的分级调试方法来监控运行。增加旁路漏水阻抗有利于优化系统设计的流量 系数，选择特性曲线较平缓的水泵有利于提高系统的综合性能； 应用动态费用年值法对原生污水热泵系统作了经济性评纠7 l 】。 ( 4 ) 堵塞换热 哈尔滨工业大学针对堵塞与换热问题，将污水水质划分为特大尺度、大尺度 与微尺度型并作了实测【_ 7 2 】，分析了水温对系统的影响。水温变化l ，影响能耗 或投资3 ；实测了不同区域、季节的水温变化。不同区域相差较大，水温随季 节相对稳定；实测了污水水量变化规律，统计了污水水量特性，日时水量变化达 4 0 ，排水建筑面积与可供暖空调建筑面积比为6 4 ：1 。 以实际应用的污水换热器为实验对象，测试了换热器换热性能、软垢随时间 与流速的增长特性，分析了软垢热阻及其对传热性能的影响。同时发现，以水力 反冲方法实现软垢的清洗具有可行性【7 3 】。 运用热力学能耗分析法【7 4 】，分析了管壳式污水换热器中软垢的厚度对换热强 度、流动压降及其有效能损失的影响【7 5 1 。 讨论污垢与换热的理论关系，并详细模拟污垢热阻变化对该污水源热泵系统 性能的影响。模拟和分析结果表明【7 6 1 ，换热器的淋激式结构适合污水环境，污垢 对换热的影响不仅与污垢热阻有关，还与传热系数的大小有关。污垢热阻增加， 系统能效比减小，制冷剂质量流量减少，冷凝器侧污水出口温度降低，当该温度 低于3 0 时应考虑除垢。污垢热阻从o 增加到5 2 8 m 2 刚w ，压缩机输入功率增 大1 8 0 2 。 以实际工程的污水换热器为研究对象，连续测试了污水流量随时间的变化， 得到了以3 0 天为周期的5 个流量分区，分析了各区的阻塞特性。根据测试得到 的温度数据，通过反算得出不同雷诺数下的换热系数，给出了污水管内流动换热 天津大学博士学位论文 第一章绪论 的准则关联式【7 7 1 。 哈尔滨工程大学采用传热量测量法测定了不锈钢和铜管两种换热器在不同 污水水域温度下的结垢热阻，研究了这两种换热器的污垢热阻随着时间和水域温 度的变化规律7 8 1 ，并测得污水换热器中污垢的主要成分是微生物垢。 ( 5 ) 机理研究 目前的污水管道设计是在忽略了污水的多相流特性，而将其在管道内的流动 视为单相均匀流的情况下，主要采用谢才公式来进行水力计算的。昆明理工大学 和重庆大学【7 9 】【8 0 】将污水视为液一固两相流体，依据相似理论，结合现有液固、 气固两相流动管道阻力计算的经验公式，提出了更为准确地计算污水在管道内 流动阻力的方法和公式。污水两相流动时的局部队力显著地大于清水流动时，在 工程设计中不可忽视，尤其是在流量大、弯管多的情况下( 如区域排水系统中) 。 哈尔滨工业大学基于非牛顿流的切应