直进式污水源热泵机组关键技术介绍

城市污水中所赋存的热能是一种可回收和利用的清洁能源，弃之为废，用之为宝。因此，利用其中的热能，是城市污水资源化利用的有效途径。

1.国内外研究开发现状与趋势

城市污水除具有“水”的特性和用途外，还储存有大量的低位能量。对城市污水源热泵空调系统的研究，最早起源于杨图夫斯基（前苏联）等人对河水、污水、海水利用的探讨。1978年杨图夫斯基等人对热泵站供热与热化电站、区域锅炉房集中供热进行比较，得出热泵站供热可节省燃料20%-30%。

瑞典是利用污水源热泵进行城市区域供热最早的国家。1981年6月世界第一个污水源热泵系统在斯德哥尔摩Sala镇投入运行，装机容量3.3MW。1982年建成了最大的污水源热泵站，使用二级出水，供热量为39000kw。目前，瑞典斯德哥尔摩有40%的建筑物采用热泵技术，其中10%是利用污水处理厂的出水。从污水热能提取利用方式看，该污水源热泵系统采用污水热能直接提取方式，即城市污水经过净化后喷淋在水平管束式热泵机组蒸发器上，热泵工质与城市污水直接换热，没有中介水系统。该项目试验后，10余套大型污水泵热泵系统在瑞典投入运行，到1986年瑞典该类热泵系统的总装机容量已达到541.3MW。

针对污水水质问题，以挪威、瑞典为代表的一些国家开发出淋水式污水换热器污水源热泵系统，典型实例是挪威奥斯陆1980年开始建设利用未处理城市污水作为热源的热泵站，1983年投入使用。淋水式系统的污水由水泵输送，经粗孔喷嘴淋在板式蒸发器上，使水成膜状流动，被冷却后的水返回下水道，该方式不能很好的解决污水的堵塞问题，且换热效率低。奥斯陆利用未经处理污水作为热源的热泵站位于地下污水干渠旁，污水干渠中的污水经格栅流入污水泵的吸水池，然后通过缝宽2mm的自动筛滤器，粗粒污水通过排污管流入下水管。水由水泵输送，经粗空喷嘴均匀喷淋在板式蒸发器上，使水成膜流动。被冷却后的水返回下水道，每台热泵有一台蒸发器，其淋水量360t/h。每台换热器设计负荷为1500kw，有80个板组，每个板组4㎡，这些板组分两层叠置。水的流程为4m。蒸发器每3-5天用高压水冲洗，每年1-2次化学清洗。

日本也是利用城市污水低温热能很早的国家之一，开发出壳管式污水源热泵系统，东京政府从1987年开始启动城市污水热能回收项目，现有12套热泵系统在运行，四套设备使用污水泵站的未处理污水作为热源，另外八套设备使用二级或三级出水。

俄罗斯莫斯科市乌赫托姆斯基小区也建有用处理后的城市污水作为低温热源向生活小区供热的热泵系统。

综上所述，污水源热泵技术是目前世界各国均大力发展的先进技术，特别是在节能减排的大背景下，这一技术越来越受到各国政府和企业的重视，并付诸实践。从实践情况来看，其应用效果整体良好。然而，目前关键环节的防堵塞、防腐蚀和防污染技术的研究还有待完善，该示范工程重点研究原生污水利用过程中出现的此类问题，并且实现了高效节能和环境保护的完美结合。

目前我国国内污水源热泵直进技术还处于探索阶段，缺乏典型的实用产品。近几年，北京工业大学以高碑店为研究对象，针对污水的水质特点专门设计了污水换热器，该污水换热器属浸没式，制冷剂与污水直接换热。经过实验探讨，分析了污水地位热能开发利用的可行性及运行过程中的能效状况。在此基础上，比较了污水源与其他能源的技术经济，论证了污水源的使用性和应用前景。

近年来，北京瑞宝利热能科技有限公司，在污水防阻机+壳管式换热器的基础上研发了一种组合式的热泵机组，目前有实地项目应用，但还需进一步的提高和优化。

2.直进式污水源热泵机组关键技术

2.1原生污水源热泵机组制冷剂侧冷热切换技术

污水源热泵通过制冷剂侧阀门开关切换操作实现机组制冷、制热运行模式的切换，无四通阀卡死、泄漏等问题，污水和使用侧的空调水始终都在固定的换热器内流动，避免了普通水路切换水源热泵机组因制冷、制热水路切换而带来的二次污染。

2.2蒸发冷凝两用换热器的研制

机侧切换直接式污水源热泵机组的换热器要求整合后即确保蒸发效果，又确保冷凝效果，主要从换热管表面的形状和气、液组织两个方面来解决。在换热管表面形状方面，传统的蒸发、冷凝管由于功能单一，无法顾及蒸发、冷凝两个需要。根据目前开发出的一种蒸发、冷凝两用管，该换热管管外利用翅根腔体强化蒸发性能，利用翅侧和翅顶部腔体强化冷凝性能，这样可充分兼顾蒸发冷凝两种效果。在气、液流组织方面，在蒸发时候，通过满液式蒸发器设计、特殊的内部气流通道等技术，确保蒸发时候液体冷媒从底部进入蒸发器后可和换热管充分换热；冷凝时候，通过冷媒气体均流板、防冲挡板等技术，确保从上部进入的冷媒气体均匀地掠过各冷凝管，确保冷凝时候换热面积利用充分。从而杜绝了蒸发时内部沸腾泡沫引起机组液压缩、冷凝时候气流分配不均匀的风险，保证了回油、换热的效果，保证了蒸发、冷凝均有较好的效果。

2.3污水侧换热器的防腐技术

城市污水水质有一定的腐蚀性，因此换热器和传热管的选材非常重要。在污水直进系统中，污水源热泵机组污水侧换热器换热管材质采用海军铜管，海军铜是一种锌锡铜的合金。通常含有70%Cu、29%Zn、1%Sn，添加较活性的金属，其防蚀原理就是牺牲阴极的阳极保护，就是说，在海水中，较为活泼的锌或铁先于铜失电子，从而慢慢溶解于海水中，而铜做为阳极，得电子，不溶于海水，从而得到保护。

2.4污水源热泵机组油路供应系统的研究

专用喷射泵在无能耗的状态下完成系统的连续回油：喷射泵工作原理是引高压气体或液体，通过（降压）喷管或局部节流，在喷射泵的混合室形成低压带（比蒸发压力低），从而将蒸发器内部的富油液体吸过来，两者混合后进入扩压喷管，压力升高至高于吸气压力，从而使含油制冷剂顺利回到压缩机吸气口。

2.5机组全程运行高效节能的研究

独特的油分离器及闪变式节能器的合理配置：系统运行产生的“中压闪气”和“中压饱和液态冷媒”在经济器中有效的分离，“闪气”导入压缩机完成二级压缩。分离后的“中压饱和液态冷媒”在回热器中与从蒸发器底部被连续抽出的“富油态冷媒”进行热量交换，“中压饱和液态冷媒”经回热器完全分离达到过冷状态，再进行降压节流，两项并用，有效提高了机组的效率。

2.6污水直进热泵机组换热系统的研究

污水直接进热泵机组，需要完善原生污水防堵塞连续过滤技术研究，以提高进入机组的污水的水质情况；提高污水侧换热器的防腐蚀、防结垢能力，以提高污水直进机组的使用寿命；完成制冷机组的冷媒切换功能，实现机组夏季供冷、冬季供热切换时，不用水侧切换，防止污水对系统的污染；方便实现污水换热器的污物清理及换热效果还原。

3.结论

采用城市污水源热泵系统供暖、制冷的建筑规模不断的扩大，使提高污水源热泵系统效率的变得尤为重要，从目前来看，直进式污水源热泵系统是污水源热泵系统效率提高的一个方向，如何使这一技术得到推广、应用，这需要对其不断的研发投入，并使之达到预期效果。

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