城市原生污水冷热源系统形式及其应用.doc

城市原生污水冷热源系统形式及其应用摘 要：城市原生污水冷热源应用是一项新技术，系统形式选择及运行参数设计是关键性问题。本文评述了国内外已应用或正探讨的几种系统形式，着重分析了淋水式、壳管式及浸泡式的优缺点，在此基础上，提出了一种新系统工艺；此外，对污水冷热源的运行参数与热工况做了应用设计与对比，结果表明壳管式直接利用换热系数在 左右，热流量为 左右，传热效果最好；以实际工程为例介绍了其设计参数与运行效果，对城市污水冷热源的应用研究与设计具有参考意义。关键字：城市原生污水 冷热源 水源热泵1 前言利用城市原生污水做热泵冷热源的最大技术困难就是如何防止污水对管路、换热设备的污染与堵塞。如下图1所示（污水换热器封头），堵赛、污染问题相当严重。为此进行污水处理是不可行的，因为污水处理的最低费用也要高于从污水中提取热量或冷量的价值。将污水取至系统中进行过滤也不是好办法，这将导致两个难以解决的问题。最主要的是系统中过滤格栅上污物的清除问题。由于城市污水水质很差，过滤格栅上污杂物的清除量大，频率高，必须要采用机械格栅，不仅造价高，占地大，而且还有污杂物的处理和设备间空气洁净的保持问题。因此，城市污水冷热源的应用必然涉及到两方面问题，一是大尺度污杂物（例如塑料袋、废纸、小木渣等）对系统的堵塞；二是小尺度污物（固体颗粒与纤维状杂物）对流动阻力与换热的影响1。为解决这两个技术难题，其应用形式多样化，即使发展较早的挪威、瑞典与日本也有很大差异。2 系统形式与分析2.1 系统形式概述目前实际应用中的几种系统形式，按换热类型分为浸泡式、淋水式、壳管式；按去污过滤形式分为取水旋转筛分式、深井过滤式等；按污水是否与制冷剂直接换热分为：直接利用和间接利用。（1）淋水式系统 淋水式污水源热泵系统，属取水旋转筛分式直接利用。如图2所示（1-污水干渠；2-过滤网；3-进水管路；4-蓄水池；5-污水泵；6-自动筛滤器；7-积水池；8-已过滤污水泵；9-淋水式换热器；10-热泵机组），其中关键设备是自动筛滤器2、3。（2）浸泡式系统 浸泡式方法分直接利用与间接利用，间接利用如图3所示（1-污水干渠；2-污水泵；3-污水换热池；4-中介水泵；5热泵机组），干渠1中的污水经自吸污水泵2进入换热池3，自然对流换热后靠自流返回干渠下游。中介循环水靠清水泵4在热泵蒸发器或冷凝器与污水换热器之间循环换热。直接利用如图4所示（ 1-污水流入井；2-换热器；4-热泵）。（3）壳管式系统 由于满液式蒸发器还不是很成熟，尤其是污水侧为两相流动与换热，因此目前还基于间接利用，属取水旋转筛分式，如图5所示（1-污水干渠；2-过滤网；3-进水管路；4-沉渣池；5-污水泵；6-自动筛滤器；9-壳管换热器；10-中介循环水泵；11-热泵机组；7、8可有可无）。（4）隔离式系统 如图6所示（1-污水干渠；2-埋管；3-中介水泵；4-热泵机组），该形式类似于土壤源，传热热阻很大，将换热管布置在干渠内外侧，施工很难，目前无应用实例4。（5）深井过滤式 深井过滤式为壳管式间接利用，污水自干渠中自流入深井，井内设机械格栅清除污杂物。国内某工程利用该形式，正在建设中。该形式具有壳管式优点，无自动筛滤器，由于无杂物含量高，污杂物清理运输是个问题，同时清理运输形成的局部环境污染也很严重。2.2 优缺点分析（1）淋水式系统 该系统形式于1983挪威奥陆获得成功应用，最大优点为：污水与制冷剂直接换热，传热温差大，热效率高；污水在管外侧流动，不会堵塞换热器，对粘泥附着利于清洗。但也存在几个问题：过滤网2既要隔住大尺度杂物，又要防大尺度杂物形成堵塞，一旦堵塞，如何清理；换热管外侧清洗周期短，自动筛滤器6每日56次水力反冲洗，运行管理与维护不利2。（2）浸泡式系统 浸泡式系统形式适宜于小型工程，无自动筛滤器，工艺简单，将复杂频繁的日清洗维护过程积累到两年左右后的一次性清理，包括换热池中污杂物清掏及管外侧的粘泥清刷，清理工作量很大。换热主要靠自然对流，换热管量大。目前这两种形式在国内均有应用。（3）壳管式系统 日本12套污水源热泵系统均采用这种形式5，可见这种形式确有其优势。日本针对管内粘泥附着问题，开发了自动毛刷清洗装置，解决了粘泥热阻带来的传热下降问题，属强制对流，传热系数最大。但依然有自动筛滤器6每日56次水力反冲洗问题。另外，传热温差较小，换热面积较大。（4）综合对比 各系统形式均有其优缺点，选用哪一种涉及到投资大小、施工难易及其运行管理与维护问题，其综合对比如下表1。表1 系统形式优缺点对比 淋水式系统浸泡式系统壳管式系统隔离式系统深井式系统换热系数较大小大很小大换热管量较小大小很大小清洗过程复杂简单简单无复杂运行维护难较难易易难适应场合大型小型大小型小型大型应用情况多少多无无3 反冲系统形式如前言中所述，最好将污杂物隔离在污水干渠中，即污物不进入管路系统，于是提出了一种新的取排水工艺，该形式属壳管式间接利用，其工艺流程如图7所示（1-污水干渠；2-进出口格栅；3-反洗装置；4-污水换热器；5-污水泵；69-控制阀）。设交叉管路（阀2、3所在管路），阀2、3关闭时，部分污水经右侧格栅与阀4所在管路靠污水泵进入污水换热器与中介水换热，换热后经阀管路从左侧格栅返回污水干渠。运行一段时间后，当右侧格栅堵塞时，阀1、4设自动控制关闭，同时阀2、3打开，随后污水将从左侧格栅经阀2所在管路靠污水泵进入污水换热器与中介水换热，换热后经阀3所在管路从右侧格栅返回污水干渠，此时，堵在右侧格栅上的污物可被反冲洗。为将堵塞在格栅上的污物及时冲洗掉，将格栅分成若干子格栅，并设自行研制的反洗装置。反冲洗时，反洗装置控制住子格栅，为增大出水流速，某一子格栅出流冲洗时，其它子格栅被关闭，直到该子格栅上的污物被冲洗掉，再转换到下一子格栅。4 应用参数设计应用参数主要是指换热参数，包括进出水温度、换热系数、热流量及换热面积等。4.1 换热温度分布城市污水冬季水温为1014，既要充分利用污水，又要考虑结冰问题，按目前实际工程的运行情况，其温度分布按表2设计。表2 换热温度分布 污水进出水温度中介水进出水温度制冷剂蒸发温度污水流量系数浸泡式系统10673-3100%壳管式系统10673-3100%淋水式系统102 -550%4.2 污水侧换热系数通过实验测试，城市原生污水粘度较清水粘度大40倍左右，即，因此污水侧换热系数均很小。（1）浸泡式属自然对流，换热准则关联式为：， （1）由上（1）式计算可得污水侧换热系数。（2）壳管式为强制对流，可用下列准则关联式：， （2）由上（2）式计算可得污水侧换热系数，污水流速为。（3）淋水式还无理论计算模式，但换热系数介于自然对流与强制对流之间，估算为，式（1）、（2）中符号为常规意义，可参考文献6。4.3 热流通量污水流动是两相流动，换热过程很复杂，上述计算只是近似，故此，将换热温差按算术平均温差考虑，即：（3）式中：单位面积热流量，；污水侧污水平均温度，；中介水或冷剂侧平均温度，；污水侧换热系数，；中介水或冷剂侧换热系数；、换热管壁厚（）、导热系数（）；、粘泥壁厚（）、导热系数（1.41）。将各值带入（3）式中，计算结果如下表3，表中壳管式（1）为间接利用式，壳管式（2）为直接利用式。表3 不同形式的热流量 浸泡式壳管式(1)淋水式壳管式(2)()6201070325039005 应用实例（1）工程概况 哈尔滨市望江宾馆建筑面积，冬季采暖热负荷，夏季空调冷负荷，生活热水负荷。（3）系统形式 污水取水为反冲系统形式，如图7，设有中介循环水系统。（2）温度参数 设计污水流量，污水进出水温度106；中介水流量，中介循环水温48；制冷剂蒸发温度-3。（3）污水换热器 换热面积：，管径：25mm，壁厚：2.5mm ，单管长度：6m，管程数：6，壳程数：12。（4）运行工况 该工程于2003年10月8日投运。经过3天调试后，系统进入稳定运行状态。取2003年12月23日26日对污水系统的监测结果如表3所示。表4 实测运行数据 时间 参数污水进出水温度中介水进出水温度制冷剂蒸发温度污水流量中水流量23日117.57.64.2-319520124日10.56.57.23.0-320220025日10.86.67.43.3-3198201经观察，进口格栅表面附着物主要为一些诸如瓜子皮等小漂浮物，其他较大漂浮物被干渠水流冲走，管路切换所需时间为5060秒，系统运行非常稳定，无清洗工作。6 结语（1）城市原生污水冷热源的应用形式很多，各有其优缺点。由于我国目前还不能生产自动筛滤器这一关键设备，其应用受到很大限制，目前主要集中在浸泡式和深井过滤式上。 （2）作者提出将污杂物阻隔在污水干渠中，以反冲的系统形式来解决堵塞问题，在哈尔滨望将宾馆工程中获得成功应用，具有一定的现实意义。（3）城市污水冷热源的应用实例甚少，工程设计的参考资料、实验数据缺乏，本文针对工程应用，对各种换热参数做了定量设计与计算，为工程设计提供了大量应用数据，具有一定的参考价值。7 参考文献1 Hks，H.T.and Rsvik. Heat pump for district heating using untreated sewage . X th International Congress of Refrigeration，1983，14（2）：2362392 徐邦裕，陆亚俊，马最良. 北京：中国建筑工业出版社，19883 Leif Westin. Heat Pump Based on Sewage for District Heating. New Energy Conference Technology.