原生污水源熱泵技術(shù)淺談

原生污水源熱泵技術(shù)淺談

原生污水冬夏季溫度波動較小，數(shù)量可觀，為原生污水源熱泵技術(shù)的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)條件。冬季，熱泵機(jī)組消耗部分電能，把原生污水中的低位熱能提取出來，連同熱泵機(jī)組耗的電轉(zhuǎn)換成的熱能一起釋放到房間內(nèi)，用來給室內(nèi)供暖；與此相反，夏季熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器將室內(nèi)的熱量釋放到污水體中，污水體是天然的冷凝器，進(jìn)而實現(xiàn)消除建筑物夏季熱濕負(fù)荷的目的。 

　　儲藏于城市污水體中的廢熱是原生污水源熱泵的冷熱源，污水源熱泵系統(tǒng)就是合理利用該部分廢熱進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，污水源熱泵廠家從而實現(xiàn)建筑物的采暖空調(diào)。總結(jié)起來，其具有三大優(yōu)勢： 

　　一是環(huán)保經(jīng)濟(jì)效益顯著。由于供熱時沒有燃用各種燃料的鍋爐房設(shè)備及其附屬設(shè)施，從源頭上避免了燃料“三廢”的污染；供冷時不使用冷卻塔，避免了冷卻塔運(yùn)行時的噪聲污染及室外空氣污染后所帶給房間的交叉?zhèn)魅?。同時，減少了冷卻塔長時間運(yùn)行的電耗，節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用，具有環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的雙重效果。 

　　二是熱泵機(jī)組效率高，節(jié)能性好。由制冷主機(jī)的特性知：主機(jī)的蒸發(fā)溫度越高，冷凝溫度越低，則其運(yùn)行性能系數(shù)越大。城市原生污水則很好地符合這一條件。冬季，比空氣溫度高的原生污水進(jìn)入熱泵機(jī)組蒸發(fā)器，使機(jī)組蒸發(fā)器溫度相應(yīng)提高；夏季，比空氣溫度低的污水進(jìn)入機(jī)組冷凝器，主機(jī)的冷凝溫度相應(yīng)降低。它們均使機(jī)組效率升高，相應(yīng)的，機(jī)組和循環(huán)水泵的能耗降低，可很好地實現(xiàn)資源節(jié)約。 

　　三是初投資、運(yùn)行費(fèi)用低。較之其他空調(diào)系統(tǒng)，污水源熱泵系統(tǒng)的冷熱源設(shè)備占地面積可節(jié)省30%～50%，這對于寸土寸金的城市用地，尤其有著重要的現(xiàn)實意義。利用先進(jìn)的自動控制技術(shù)，污水源熱泵系統(tǒng)可實現(xiàn)智能化操作，有效節(jié)省初投資和運(yùn)行費(fèi)用。 

　　這兩種水體雖然同為“污水”，內(nèi)涵卻不同，就同一熱泵主機(jī)來說，卻有著完全不一樣的性能表現(xiàn)。城市原生污水實際上是一種固液兩相，固相多組分流體，表現(xiàn)出很強(qiáng)的非牛頓流特點，它所含有的數(shù)量巨大的固體污染物，可以在較短的運(yùn)行時間內(nèi)堵塞任何傳統(tǒng)形式的換熱設(shè)備，使之完全失效。僅從外觀看，二級出水就已與清水相差無幾，水體中微生物及復(fù)雜化學(xué)成分的有效凈化，使換熱設(shè)備在防結(jié)垢和防腐蝕能力上進(jìn)一步增強(qiáng)。 

　　2 中介水與中介水系統(tǒng) 

　　中介水連接著污水換熱器與熱泵機(jī)組，是兩者間的“能量搬運(yùn)工”，使用在間接式系統(tǒng)中。中介水系統(tǒng)主要由中介水泵、中介水管路、管路設(shè)備等組成。 

　　3 污水源熱泵常見系統(tǒng)形式 

　　3.1 污水源熱泵系統(tǒng)組成 

　　1.污水溝；2.污水取排設(shè)施；3.熱能交換器；4.主機(jī)蒸發(fā)器；5.主機(jī)冷凝器；6.主機(jī)膨脹閥；7.空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備；8.空調(diào)系統(tǒng)末端水泵；9.主機(jī)壓縮機(jī)；10.中介水循環(huán)泵；11.污水提升泵 

　　污水源熱泵作為一種工程技術(shù)，有種類多樣的系統(tǒng)形式，而且它的系統(tǒng)形式有多個子系統(tǒng)構(gòu)成，目前工程實踐中多采用的是如圖1所示的污水源熱泵系統(tǒng)。 

　　該污水源熱泵系統(tǒng)由污水系統(tǒng)I、中介水系統(tǒng)II、熱泵機(jī)組III和末端水系統(tǒng)IV組成。熱能交換器3、主機(jī)蒸發(fā)器4和主機(jī)冷凝器5將四個子系統(tǒng)連成一個整體。 

　　污水系統(tǒng)主要由污水取排設(shè)施、污水提升泵、管路系統(tǒng)等構(gòu)成，其中的關(guān)鍵設(shè)備是污水取排設(shè)施，它兼具濾污和排污功能；中介水系統(tǒng)是中間載熱系統(tǒng)，在間接污水源熱泵系統(tǒng)中使用；熱泵機(jī)組有多種形式和種類，是污水源熱泵系統(tǒng)的核心；空調(diào)末端水系統(tǒng)主要由循環(huán)水泵、管路系統(tǒng)和末端空氣處理設(shè)備等組成。 

　　3.2 直接系統(tǒng)和間接系統(tǒng) 

　　根據(jù)污水與制冷劑之間的換熱關(guān)系將污水源熱泵系統(tǒng)分為直接污水源熱泵系統(tǒng)和間接污水源熱泵系統(tǒng)。直接污水源熱泵即間壁式換熱的熱泵系統(tǒng)，污水與制冷劑不通過任何載熱媒質(zhì)；間接污水源熱泵系統(tǒng)指污水與制冷劑間熱量通過載熱媒質(zhì)傳遞的熱泵系統(tǒng) 

　　直接污水源熱泵不存在中介水子系統(tǒng)，較之間接系統(tǒng)，系統(tǒng)形式更加簡單，機(jī)組性能系數(shù)更高。由熱力學(xué)機(jī)理可知，一是中間載熱媒質(zhì)使污水和制冷劑間熱阻增大，能量的轉(zhuǎn)移過程阻力加大，因此耗散幅度很大，熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)也相應(yīng)降低。二是中間載熱媒質(zhì)縮小了污水的可利用溫差范圍，污水的供熱功率自然也就減小了。簡化的系統(tǒng)形式，較高的性能系數(shù)，使得直接污水源熱泵系統(tǒng)初投資減少、運(yùn)行穩(wěn)定、高效節(jié)能，從而應(yīng)用廣泛。 

　　3.3 機(jī)側(cè)切換與水側(cè)切換 

　　污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)一般都需要滿足夏季供冷，冬季供熱兩種工況。換季時要考慮系統(tǒng)冬夏工況的切換，具體的切換形式在原理上有機(jī)側(cè)切換和水側(cè)切換，而在工程實際上則分為內(nèi)部切換和外部切換。 

　　污水或中介水只進(jìn)主機(jī)蒸發(fā)器（或冷凝器），其在冬夏季分別作為蒸發(fā)器和冷凝器。通過改變制冷劑回路中閥門的方向，實現(xiàn)其工況的切換，稱為機(jī)側(cè)切換。直接污水源熱泵系統(tǒng)使用機(jī)側(cè)切換稱為內(nèi)切換熱泵。真正意義上的熱泵機(jī)組，是內(nèi)切換熱泵系統(tǒng)的核心設(shè)備，其蒸發(fā)器（或冷凝器）“一器兩用”，兼有蒸發(fā)吸熱和冷凝釋熱的功能。 

　　主機(jī)中蒸發(fā)器和冷凝器的使用性質(zhì)不隨冬夏工況的改變而改變，冬季，污水或中介水若進(jìn)蒸發(fā)器，夏季則進(jìn)冷凝器。通過水系統(tǒng)中的閥門切換實現(xiàn)其工況轉(zhuǎn)換，這種方式稱為水側(cè)切換。間接污水源熱泵系統(tǒng)一般使用水側(cè)切換，屬于外部切換式熱泵。外部切換式熱泵系統(tǒng)對冷水機(jī)組要求不高，使用普通冷水機(jī)組即可。 

　　水側(cè)切換的熱泵水系統(tǒng)較之機(jī)側(cè)切換要復(fù)雜得多，因此管路中使用了很多電磁閥門，進(jìn)一步對操作的要求也隨之增高；但若采用機(jī)側(cè)切換，較高的要求則在于對熱泵主機(jī)本身，尤其是蒸發(fā)器和冷凝器的設(shè)計。由于現(xiàn)階段污水源熱泵機(jī)組設(shè)計技術(shù)不能滿足實踐需求，因此水側(cè)切換式熱泵系統(tǒng)形式較為常用。