污水源热泵系统污水取水装置新进展

摘要：城市污水是一种蕴涵丰富低位热能的可再生热能资源，随着热泵技术的发展，城市污水热能的利用系统也日趋增多。从污水源热泵系统的技术角度看，在有效地解决了污水在取水过程的污杂物堵塞及除垢问题后，污水源热泵空调技术在实际工程应用中已经表现出明显的节能减排效果。本文针对城市污水热能特点以及目前污水源热泵系统的主要形式，综述了国内外污水源热泵污水取水装置的发展状况，分析了目前污水取水技术存在的问题以及对污水源热泵系统性能的影响。基于目前的技术，提出了开式循环集成式污水取水装置，分析了该技术的优点以及应用前景。


　1 引言
　　国家中长期科技发展规划纲要中明确指出，“我国已进入快速城镇化时期，实现城镇化和城市协调发展，对科技提出迫切需求。” 我国城市建筑规模持续以5%～8%的速度增长，同时民众生活水平也有了显著的提高，对生活的舒适度要求更强，为了创造良好的居住环境，城市生活在供热、空调及生活热水方面消耗的能源显著增加。目前我国大型公共建筑每年耗电近1000亿度，占城镇建筑总耗电量的25%以上，并对夏季用电高峰构成直接影响。因此，开发新的可利用能源是目前各领域研究的重点和热点。城市污水是一种蕴涵丰富低位热能的可再生热能资源[1-5]，随着热泵技术的发展，城市污水热能的利用系统也日趋增多，污水源热泵是利用污水处理厂中水或原生污水作为热源进行冬季供热、夏季供冷和全年供应生活热水的重要技术，具有热量输出稳定、机组性能高等特点[6]。污水热泵系统在北欧、日本和我国均得到了一定程度的应用[7-10]。由于污水水质的特殊性，水体中不仅含有大尺度污染物容易堵塞系统管路和设备，而且还含有大量小尺度的污染物极易在管路内外表面沉积形成粘性污泥层，影响换热设备的正常运行。因此从污水源热泵系统的技术角度看，在有效地解决了污水在取水过程的污杂物堵塞及除垢问题后[2, 11-14]，污水源热泵空调技术在实际工程应用中已经表现出明显的节能减排效果。


　　2 污水源热泵系统形式及污水换热方式
　　2.1 污水源热泵系统形式
　　在污水源热泵系统中，根据热泵机组换热器是否直接与污水接触，污水源热泵系统可分为污水热能间接提取方式和污水热能直接提取方式。其系统形式见图1所示。


　　在污水热能间接提取中，污水不直接进入热泵机组的蒸发/冷凝器，而是通过污水换热器，如图1(a)中的浸泡式换热器提取污水的热能。在浸泡式换热器内，污水在换热管的外侧，管内侧是洁净的中间换热介质，中间换热介质与污水换热后进入机组的蒸发/冷凝器。污水热能间接提取系统有利于机组的稳定运行，对蒸发/冷凝器没有污染，但由于系统增加中间换热设备，一方面增加了系统投资，另一方面降低了污水源热泵机组的性能系数。污水热能直接提取污水源热泵系统中，污水直接与热泵机组的蒸发/冷凝器直接换热，此种形式系统简单，热泵机组的性能系数较高，有利于降低运行费用。因此，污水热能直接提取污水源热泵系统成为污水热能利用的主要发展方向[9]。


　　2.2 污水换热方式


　　目前的污水源热泵系统中，常用的污水换热方式有三种，即浸泡式、淋激式和壳管式[14]三类。浸泡式换热器是在污水源热泵应用初期常用的一种换热方式，将换热管束浸泡在污水池中，见图1所示，以特大的流通断面的方式解决污水换热设备的堵塞问题[14]，但浸泡式换热器由于污水通过换热管表面的流速较小，换热方式以自然对流为主，因此设备的换热系数较小，不适用于大容量机组，目前使用较少。淋激式换热器如图2所示，污水通过喷嘴等装置均匀的淋洒在最上一层换热管上，并以水膜状态沿管壁流向下一层管子进行换热[15]。该设备的换热系数要好与浸泡式换热器。壳管式换热器是近来污水源热泵系统中最常用的换热形式，通常污水走管程。与浸泡式相比，淋激式和壳管式系统中污水均需沉淀、过滤后才能进入设备。因此，污水取水技术成为制约污水源热泵系统的关键技术瓶径，该技术的发展将进一步推动污水源热泵技术的推广和应用。


　　3 污水取水装置的研究进展
　　3.1 沉淀、滤网过滤技术
　　沉淀、过滤是污水源热泵系统取水最早采用的技术，1983年挪威奥斯陆Skøyen Vest建立了第一个城市污水源热泵系统[16, 17]，如图3所示。该系统中污水经过沉淀池沉淀过滤后，再由缝宽旋转式筛分器过滤。污水经过滤后由喷嘴直接喷淋到开式板式蒸发器上[17,18]。2006年奥斯陆完成了Skøyen Vest污水源热泵系统的改造，改造后系统原理图如图4所示[17]。新系统设有两个污水蓄水池，污水在蓄水池中首先沉淀，再由格栅式传送带过滤污水中的污杂物，最后污水进入壳管式蒸发器。图1中的浸泡