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，進而實現(xiàn)消除建筑物夏季熱濕負荷的目的。 

　　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)?？偨Y(jié)起來，其具有三大優(yōu)勢： 

　　一是環(huán)保經(jīng)濟效益顯著。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)魅尽Ｍ瑫r，減少了冷卻塔長時間運行的電耗，節(jié)省了運行費用，具有環(huán)保和經(jīng)濟的雙重效果。 

　　二是熱泵機組效率高，節(jié)能性好。由制冷主機的特性知：主機的蒸發(fā)溫度越高，冷凝溫度越低，則其運行性能系數(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入熱泵機組蒸發(fā)器，使機組蒸發(fā)器溫度相應(yīng)提高；夏季，比空氣溫度低的污水進入機組冷凝器，主機的冷凝溫度相應(yīng)降低。它們均使機組效率升高，相應(yīng)的，機組和循環(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、運行費用低。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)省初投資和運行費用。 

　　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，水體中微生物及復雜化學成分的有效凈化，使換熱設(shè)備在防結(jié)垢和防腐蝕能力上進一步增強。 

　　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組，是兩者間的“能量搬運工”，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.主機蒸發(fā)器；5.主機冷凝器；6.主機膨脹閥；7.空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備；8.空調(diào)系統(tǒng)末端水泵；9.主機壓縮機；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、熱泵機組III和末端水系統(tǒng)IV組成。熱能交換器3、主機蒸發(fā)器4和主機冷凝器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，機組性能系數(shù)更高。由熱力學機理可知，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、運行穩(wěn)定、高效節(jié)能，從而應(yīng)用廣泛。 

　　3.3 機側(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。 

　　污水或中介水只進主機蒸發(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，稱為機側(cè)切換。直接污水源熱泵系統(tǒng)使用機側(cè)切換稱為內(nèi)切換熱泵。真正意義上的熱泵機組，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，污水或中介水若進蒸發(fā)器，夏季則進冷凝器。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)對冷水機組要求不高，使用普通冷水機組即可。 

　　水側(cè)切換的熱泵水系統(tǒng)較之機側(cè)切換要復雜得多，因此管路中使用了很多電磁閥門，進一步對操作的要求也隨之增高；但若采用機側(cè)切換，較高的要求則在于對熱泵主機本身，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。