直接式污水源热泵系统技术新进展
张承虎、孙德兴、刘京
（哈尔滨工业大学 哈尔滨 150090）
张承虎、孙德兴、刘京
（哈尔滨工业大学 哈尔滨 150090）
摘要：利用污水源热泵技术为建筑物供暖空调的技术近年来取得了长足的发展，但是目前较大规模的污水源热泵系统均采用含有中介水子系统的间接模式，投资高，效率低，供热（冷）量小，受水量限制严重。取消中介换热循环环节的直接式污水源热泵系统技术是该领域未来的主导发展方向。本文介绍了近年关于直接式污水源热泵的技术积累和一些新进展。
关键词：直接、污水、热泵、进展
直接式污水源热泵技术是未来污水源热泵的主导发展方向，这取决于多方面的原因，例如系统简单、可控可调性好、投资省、效率高、运行费用少等。但是总体来说，直接式污水源热泵技术还很不成熟，虽然已应用于几个实际工程，但个性突出，尚需进一步的总结和突破。
总结我国污水源热泵技术的发展历程可以发现，与间接式污水源热泵技术一样，直接式污水源热泵技术的发展路线也是：先工程探索、后理论研究、再工程实践，即实践早于理论，很长一段时间工程实践是缺乏理论指导的。这说明污水源热泵市场的广阔和紧迫性，也体现了一种浮躁和急功近利的势头。总的来说，这种路线不是什么坏事，反而显得动力十足，有的放矢。直接式污水源热泵技术得以发展的一个有利条件，就是有了之前间接式系统的许多技术研究和工程实践成果的支持。
1、直接式污水源热泵系统分类
我们提到直接式污水源热泵技术，容易想到的是蒸汽压缩式的城市原生污水源直接式热泵，这是不全面的。实际上根据热泵热力循环的不同，热泵主机可以分两大类：蒸汽压缩式（活塞、单螺杆、双螺杆、蜗旋、离心；单级压缩、双级压缩；……），以及溴化锂吸收式的（单效、双效；蒸汽型、热水型、直燃型、废热型；……）。热泵热力循环不同，对污水源条件就会提出不同的要求：
（1）对供热而言，蒸汽压缩式热泵系统的供热量对污水释热量依赖严重，这导致：所需污水流量较大，水源稳定性对系统稳定性的影响很大。相对而言吸收式系统所需污水量较小，而且系统稳定性良好。
（2）对制冷而言，溴化锂吸收式热泵系统的散热量比空调负荷要大很多，这导致夏季所需污水流量较大，系统稳定性对水源稳定性的依赖程度高。相对而言压缩式所需污水量较小，而且系统稳定性良好。
（3）压缩式热泵机组的蒸发/冷凝器一般采用铜或合金铜，而吸收式热泵机组的蒸发/冷凝器则可以采用钢或者合金钢。这两种材质对污水的抗腐蚀能力是不同，适应的污水水质种类和范围也就不同。
根据污水源的水质不同，污水源热泵系统也可以划分为两大类：原生污水直接式/二级排放污水直接式系统。污水水质的不同，对热泵机组的设备构成及性能就会有不同的要求：
（1）原生污水水质恶劣，容易堵塞蒸发/冷凝器，因此必须配备有效的前置过滤装置，而且污水流道尺寸要有所增大。使用二级排放污水则不存在这样的困难。
（2）原生污水化学、微生物成分复杂，对金属的腐蚀性比二级排放污水要强许多，因此原生污水热泵系统换热管的厚度要大，材质要好，造价要高。
（3）原生污水对换热面的软垢污染和软垢热阻也要比二级排放污水大很多，因此原生污水换热管内流速要高、换热面积要大。
蒸汽压缩式二级排放污水源直接式热泵技术的发展和应用较早也较好，在一些城市生活污水处理厂内已有一些小型工程实践。
2、直接式污水源热泵技术储备
间接式污水源热泵技术发展多年，已为直接式污水源热泵技术储备了充分的基础，主要如下：
（1）污水水质划分
城市原生污水中的固体污物含量约为3‰左右，悬浮物按形状可分为球状、块状、条状、片状、丝状，而片状和丝状污物是堵塞换热设备的罪魁祸首；悬浮物按变形能力又可分为硬性、脆性、柔性三大类，柔性污物是最容易导致前置过滤设备失效和换热设备堵塞的罪魁祸首。直接式污水源热系统必须针对柔性片状和丝状污物，采取有效防堵措施。
污水按其成分性质可以划分为原生污水、污水粗滤液、污水本体。污水本体的性质决定了污水的流动阻力特性、对流换热特性。直接式系统的前置处理装置应该尽可能地将污水处理到接近污水本体的程度，根据污水本体物性和软垢特性进行热工设计。
城市原生污水中的固体污物含量约为3‰左右，悬浮物按形状可分为球状、块状、条状、片状、丝状，而片状和丝状污物是堵塞换热设备的罪魁祸首；悬浮物按变形能力又可分为硬性、脆性、柔性三大类，柔性污物是最容易导致前置过滤设备失效和换热设备堵塞的罪魁祸首。直接式污水源热系统必须针对柔性片状和丝状污物，采取有效防堵措施。
污水按其成分性质可以划分为原生污水、污水粗滤液、污水本体。污水本体的性质决定了污水的流动阻力特性、对流换热特性。直接式系统的前置处理装置应该尽可能地将污水处理到接近污水本体的程度，根据污水本体物性和软垢特性进行热工设计。
（2）污水防堵过滤技术
适用于间接式污水源热泵系统的防堵塞技术必须满足下述两点基本要求：一，过滤面的连续再生。只有滤面的连续再生，才能保证过滤的连续正常运转。二，污杂物的连续还原。过滤下来的污杂物应当连续地还原给污水，不改变污水物理化学成分。
针对直接式污水源热泵系统所提出的防堵过滤还应满足一个要求，那就是可以实现分级串联过滤，只有这样才能满足机组对污水水质的高标准要求。
适用于间接式污水源热泵系统的防堵塞技术必须满足下述两点基本要求：一，过滤面的连续再生。只有滤面的连续再生，才能保证过滤的连续正常运转。二，污杂物的连续还原。过滤下来的污杂物应当连续地还原给污水，不改变污水物理化学成分。
针对直接式污水源热泵系统所提出的防堵过滤还应满足一个要求，那就是可以实现分级串联过滤，只有这样才能满足机组对污水水质的高标准要求。
（3）污水流变特性
城市污水是一种混合物，是一种污水本体与悬浮物构成的固液两相流，可以采用两相流理论来解决问题。
城市污水是一种混合物，是一种污水本体与悬浮物构成的固液两相流，可以采用两相流理论来解决问题。
污水的流变特性呈现三个特点：一，污水粗滤液呈现剪切稀化的非牛顿特性；二、污水本体呈现弱的剪切稀化非牛顿特性；三，当剪切速率较高时，污水的粘度趋于稳定，而且污水本体的粘度接近且稍大于清水粘度。这说明直接式污水源热泵机组的污水设计流速应当适度增加。
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