212_城市污水源热泵关键技术及其工程应用

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1、城市污水源热泵关键技术及工程应用哈尔滨工业大学张承虎，刘晓鑫，庄兆意，孙德兴摘要：城市污水中蕴含了大量低品位热能，利用成熟的热泵技术将之加以利用，可为建筑物供暖空调并营造舒适健康的室内人工环境，因此污水源热泵技术是一项开发新型建筑环境能源的新技术。由于城市污水属于开式直流水源、水质极其恶劣、水温偏低等特殊性，决定了污水源热泵系统的关键技术有污水取排技术、防阻塞技术、软垢抑除技术、流动与换热工程设计经验公式、大型污水源热泵系统方案等。本文总结介绍了在上述城市污水源热泵关键技术方面的研究历程、方法和成果。关键词：污水、热能资源化、热泵、关键技术、实例工程城市污水从能源品

2、位、热容量、换热性能、时空分布和获取难易程度上来说，是一种比较优良的低位冷热源，但恶劣水质和开式循环给工程应用带来了许多难题，比如与恶劣水质有关的腐蚀问题、堵塞问题、软垢问题，与开式循环有关的取排问题、排气问题、水力稳定问题，此外污水的流动与换热特性从热工角度来看也是个新问题。哈工大的孙德兴教授近五年来带领其课题组一直从事污水源热泵关键技术的研究和推广，现将主要成果介绍如下：1腐蚀问题关于腐蚀问题，城市污水对换热设备腐蚀的严重性在一些方案论证的场合往往被夸大了。工程师们通常想到的解决腐蚀问题的方法无非两个，第一就是采用新材质，例如不锈钢、钛合金、氟塑料或氟-石墨塑料

3、，但是它们不但价格昂贵，而且传热系数较小；第二就是采用新涂料，例如纳米涂料，这种方法同样成本提高，而且加工与施工难度增加，质量难以掌控。实际上，城市的生活污水虽然水质极差，但其PH值却近似为7，这就决定了它们对碳钢的腐蚀不会很严重，特别是在系统密闭而不暴露于大气的运行情况下更是如此。因此通过系统方面的设计，保证系统大部分管道和换热设备在运行期间处于充满状态，则可保证碳钢系统的防腐性能。因此，通过我们对已经实施并运行良好的实际工程的观察和测定（最早的工程投运于2003年），我们建议换热设备采用通常的碳钢材质即可。完全不腐蚀是不可能的。轻度的腐蚀仅会些许降低换热系数，假

4、定运行一个相当长的周期后换热器腐蚀到了即将泄漏的程度，换一台换热器也比当初采用合金钢材要经济节省。2堵塞问题通过对城市原生污水的污杂物的分级浓度的测定发现，城市原生污水中污杂物的总浓度在2.63kg/m3~3.44kg/m3之间，其中>4mm的污杂物总浓度在1.03kg/m3~1.13kg/m3之间，对换热器容易造成堵塞的柔性丝条状杂物普遍集中在>4mm的污杂物内。1.1kg/m3左右的污杂物浓度是一般普通过滤装置难以承受的，例如，1万m2的某工程大约需要污水150m3/h，则每天污杂物截留量为4.08吨，这是传统过滤方法无法承受的。目前在国内许多学者都在进行污水防

5、堵塞换热技术的研究。其中孙德兴教授提出了滤面水力连续再生技术，并在工程实践中广泛采用，并获得了中国发明专利：“城市污水冷热源的应用方法与装置”（专利号：ZL03132553.X）和“设置有滚筒格栅的城市污水水力自清方法与装置”（专利号：ZL4.9）已经成功地解决了这个问题，并已经历了多年工程实际运行的验证。图1滤面水力连续再生技术原理图图1为滤面水力连续再生设备的原理图。滤面连续再生污水取水机是该技术的核心设备，该设备被隔板、旋转滤筒和壳体分成A、B、C、D四个腔，原生污水由A腔流向B腔，污水中的污杂物被滤筒过滤，带有污杂物的滤面旋转到C腔，在污水换热后回水反冲作用

6、(注意，反冲洗速度高于正常过滤速度)下此部分滤面得到再生，并继续旋转实现过滤过程。滤面连续再生污水取水机实现了原生污水的连续取水过程，保证了热泵机组运行的稳定性。方法属于过滤范畴，不同点在于滤面的过滤功能是被取热后的原生污水反冲洗而获得连续再生的。整个过程是密闭运行的，从总体上看对污水除了取热（冷）外，没有进行任何处理，甚至可以说并没有过滤，因为并没有把污杂物取出来。这也是该设备运行简便，费用很低的原因之一。详细情况请参考专利公告。3软垢问题不论是污水处理厂二级出水还是城市原生污水，在流经换热器时都会在换热表面形成严重的软垢，如图2所示。图2城市原生污水及二级出水对

7、换热面的污染图3高压头强力轮替冲洗工艺示意图图4螺旋刮削式凝固换热器示意图抑制软垢的方法主要有两种：一是增加流速，二是采用低能表面，如氟塑料或纳米涂层。这两种方法都有其缺点。清除软垢的方法目前较多，但是针对城市污水的开式循环、结垢迅速特点而言都有不足之处。我们采用的方法主要有两种，第一种是在线水力反冲洗——高压头强力轮替冲洗工艺，其工作原理为：冲污注水头一端与主轴相连，在电机的带动下，冲污注水头随主轴一起按一定规律旋转，冲污水头的出水口对准换热管束，喷出高压水，将换热管中的软垢冲清掉。每次冲洗部分管束，随着冲污水头的旋转，循环对换热管进行冲洗。细部的示意图如图3