污水源热泵系统的新型安全取水技术研究

钱剑峰，任启峰，王海燕，范夙博，刘　朋，于春光

(1. 哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨150028；2. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，哈尔滨 150090)

污水源热泵系统的新型安全取水技术研究

钱剑峰1，任启峰1，王海燕2，范夙博2，刘朋1，于春光1

(1. 哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨150028；2. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，哈尔滨 150090)

摘要：在分析当前污水源热泵国内外研究与应用现状的基础上，指出安全取水是其发展的关键技术，并提出智能切割型污水防阻机新技术.进而分析了该防阻机的工作原理与数学模型，为污水源热泵的安全取水技术提供了参考.

关键词：污水源热泵；安全取水；切割；防阻机

节能与环保是可持续发展的两大主题，故降低化石燃料能源消耗、提高能源利用率和开发可再生能源成为人类面临的重要课题.2014年建筑能耗在我国能源消费总量中已超过30%，预计到2030年将上升到40%，而暖通空调能耗占建筑能耗的50%以上，所以降低暖通空调能耗是建筑节能的首要问题[1-5].污水热能资源化以及节能环保的热泵技术使得污水源热泵技术优势显著，其发展前景广阔，但污水成分复杂，使污水源热泵系统存在堵塞、污染和腐蚀等问题，而首当其冲的是堵塞问题[6-8].所以取水技术不安全可靠，不仅增加系统的阻力和能耗，还会加大换热设备的热阻，严重时会导致换热设备完全失去其功能.因此，安全的污水取水技术将是污水源热泵技术的研究与应用的重点之一.

国内近年开发应用的污水取水技术尽管实现了稳定、连续取水，但仍存在取水设备承压高，混水内泄露问题严重、滤面过滤负荷大等不足[6-7].本文将通过研究污水源热泵系统的新型安全取水技术，提出智能切割型污水防阻机并分析其工作原理与数学模型，在安全取水方面有一定的参考价值.

1污水源热泵取水技术现状与分析

1.1污水源热泵系统现状

北欧和日本等发达国家应用污水源热泵技术较早.瑞典在1981年运行了世界上首个装机容量为3.3 MW的直接式污水源热泵系统，而后总装机容量达到了541 MW[9].挪威第一个城市污水源热泵系统于1983年投入运行，在2006年改造后供热量达到19.5 MW，而且其取水换热技术比较先进，规模也比较大[10].日本针对城市污水的堵塞和换热问题，在1983年研发了壳管式污水源热泵机组，1987年启动了污水热能开发利用计划，设计了专门用于清污过滤和污水换热的装置[9]，先后建设了12个污水源热泵系统，总供热量8.9 MW，供冷量11.6 MW[11].

我国污水源热泵起步较晚，但发展较快，尤其在政府的支持和补贴下，成功的工程实例直线上升.其中，孙德兴等提出的滤面连续再生取水技术，对污水源热泵技术的发展和应用做出了重要贡献.应用最早的是2000年在北京高碑店污水处理厂的二级出水污水源热泵工程，2001年首例城市原生污水源热泵在大庆安装并成功使用.此外，国内先后建设了哈尔滨望江宾馆、大庆恒茂商城等典型污水源热泵工程[12-14].

1.2污水源热泵系统取水技术分析

污水对系统的阻塞与结垢等问题一直是污水源热泵技术的难点.目前，防阻技术主要是安装前置过滤装置，污水过滤后进入后续的换热器.在工程应用和实验研究中的防阻设备有很多，但仍没有彻底解决安全取水问题[15-16].

N·C·Baek等总结了早期的防阻设备——筛滤器基本都有过滤、清刷和切割三个工作过程，该装置工艺复杂并需要排污[17-18].孙德兴等指出自动旋筛过滤器可以实现污水连续稳定的过滤和滤面清洗再生[19]，该装置的旋转筛滤筒在反冲洗喷嘴喷出的水流作用下实现筛滤筒滤面的清洗，并且刮刀刮掉筛滤筒表面的污杂物.张吉礼等针对污水取水的内泄漏问题，提出了开式循环集成式污水取水装置(如图1所示)，该装置原理是集成撞击分离、低速沉降和孔板过滤等方法，使用过滤断面双向冲洗技术，减小其过滤负荷，使清洗更加彻底[9].毕海洋等开发了旋转板式和旋转筒式自动除污取水装置，旋转板式自动除污取水装置采用了锥体或球冠形孔板过滤盘和与之配合的斜口椭圆形吸水管口和排水管口(如图2所示)，该装置避免了取水装置中吸、排水管口处的污水短路问题[12].

图1　开式循环集成式污水取水装置1—箱体 2—杂质分离腔 3—蓄水腔 4—排污腔 5—清洗腔 6—旋转孔板 7—孔板隔板 8—清洗腔侧隔板 9—清洗腔底板 10—排污管 11—溢流板 12—污水进水管 13—污水出水管 14—撞击板 15—清洗管

图2　旋转板式自动除污取水装置1—过滤盘 2—吸水管口 3—排水管口 4—吸水管路 5—排水管路 6—传动轴 7—电动机及其减速装置

相对来说，孙德兴等开发的滤面连续再生装置应用效果最好，实现了连续取水并能过滤掉绝大部分大尺寸污杂物，但长时间运行后，也会产生脏堵、内泄露以及混水等方面的不足，需要定期人工清理，严重影响系统的运行效率[20].

安全取水及防阻除垢技术是污水源热泵的关键技术，而且要求技术稳定可靠，并且投资和能耗最小.目前大型沉淀、过滤技术虽然可以解决堵塞的问题，但是投资大，占地面积大.而机械过滤装置虽减小了设备的体积，能够稳定地运行，但仍存在问题.所以污水源热泵系统处于转型期，其防阻技术还存在不足，可从理论研究、设备改进和装置开发等方面进行长期而深入的研究.

2智能切割型污水防阻机的工作原理

针对当前污水源热泵技术中安全取水的关键问题以及污水防阻机设备的致命缺陷，优化了污水防阻机的结构，创新性的提出和开发智能切割型污水防阻机，其结构如图3所示.该装置由切割装置、传动装置、转筒滤面和隔板等构成过滤反冲、切割再生系统，其内部由转筒滤面和隔板将圆筒形的防阻机主体分为原生污水区、污水过滤区、反冲再生区和切割再生区.运行工作时，由传动装置调控的切割装置和电动机带动的转筒滤面同时进行切割作用和过滤反冲再生作用.此动态的过滤与再生过程将达到流量稳定的平衡状态，实现了稳定工作的目的，在理想状态下，实现滤面完全切割再生.

图3　智能切割型污水防阻机的结构示意图

从图3可以看出，智能切割型污水防阻机主要特点如下：1)当电动机带动切割装置和转筒滤面工作时，切割装置切割贴附缠绕在滤面上的杂质污垢，即防止污杂物进入污水源热泵系统，又能阻止污杂物在转筒滤面上的淤积；2)切割装置与转筒滤面之间留一定安全距离，达到了切割装置对转筒滤面的连续切割，又保证了切割装置不会接触转筒滤面，避免机组停机；3)在任何时刻转筒滤面均可实现过滤反冲、切割再生的功能；4)解决了恶劣水质对换热器及管路的堵塞与污染问题，即有传统防阻机的反冲洗作用，又有稳定高效的切割作用，可以实现无堵塞连续换热.5)降低了维护成本，提高了使用周期，而且无需人工清理.

3智能切割型污水防阻机的数学模型

3.1关键参数的确定

智能切割型污水防阻机的物理模型如图4所示，为了建立其过滤反冲、切割再生的数学模型，现对其基本结构和性能等关键参数确定如下：

1)滤孔直径D：用于衡量过滤杂质污垢的尺度.转筒滤面的滤孔直径越小，则进入换热器的污水越干净，安全性越高，m；

2)滤孔间距W：滤孔孔边的最小间距，等于滤孔孔心距减去滤孔直径，m；

3)滤孔厚度H：也是转筒滤面的厚度.滤孔厚度越厚，强度越大，m；

4)缠绕尺寸L：用于衡量转筒滤面防堵结垢的能力.缠绕尺寸越大，则再生效果越好，能够延缓反冲效率的减小，m；

5)转筒直径DT和转筒高度HT：共同决定防阻机的结构尺寸和占地面积，m；

6)过流面积A0：转筒滤面的上任意滤孔在过滤区内的过流面积，m2；

7)切割系数E：表征防阻机切割再生的程度，决定防阻机的防阻除污能力；

8)过滤区面积A和再生区面积Af：清洁状态下两者数值相等，所在区域的所有滤孔面积之和，m2；

9)转筒转速n：转筒转速关系到滤面的再生周期和效果，进而影响系统能耗，一般转速在4～8r/min；

10)过滤流速u：滤孔内的污水流速，关系到防阻机的处理能力和流动阻力；反冲区的流速则为γu，m/s；

11)有效流量V：经过有效过滤后，进入换热器的污水有效流量，m3/s.

3.2数学模型的建立

根据上述关键参数的确定知：转筒滤面的上任意滤孔在过滤区内的过流面积A0表示为

A0=πDTHT·γ·S0·E

(1)

其中：S0为清洁状态下转筒滤面过流面积与侧面积之比；γ为过滤区面积与再生区面积之比，与反冲比φ互为倒数关系，即

(2)

图4　过滤反冲、切割再生原理图

(3)

其中：δ为防阻机的滤孔堵塞厚度，影响过滤区和再生区面积及过滤反冲、切割再生的能力，m；β为表示混水程度的混水率，%；即

(4)

考虑到防阻机存在不可避免的内漏或混水情况，则为后续换热设备提供的换热量，可用换热保证率Ф表示

(5)其中：NTU为蒸发器或冷凝器对污水的传热单元数.

(6)

其中：ξ为滤面平均未堵塞系数，用于表征转筒滤面沿角度分布逐渐堵塞后，过滤区面积的减小程度；η为反冲效率，用于表征滤面转筒反冲再生的能力.与缠绕尺寸密切相关，缠绕尺寸越大，反冲效率随时间衰退的降低.

(7)

其中：ΔP为防阻机的过滤阻力与反冲阻力统称为流动阻力，Pa.

4结语

鉴于污水源热泵系统安全取水和高效换热的迫切需要及污水防阻机所具有的防阻除污和强化换热效果，作者在前期分析研究的基础上，开发适用于污水源热泵领域的智能切割型污水防阻机，建立了智能切割型污水防阻机的过滤反冲、切割再生的数学模型，为安全取水技术提供方法和参考.

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Study on newly safety intake water technology of sewage source heat pump system

QIAN Jian-feng1, REN Qi-feng1, WANG Hai-yan2, FAN Su-bo2, LIU Peng1, YU Chun-guang1

(1. School of Construction & Refrigeration Engineering, Harbin University of Commerce,Harbin 150028, China; 2. School of Municipal & Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

Abstract：This paper pointed out that safety intake water is the key technology of development of sewage source heat pump on the basis of analyzing the current research and application situation of sewage source heat pump in domestic and abroad. And the newly technology of intelligent excision type sewage anti-blocking machine was put forward. The working principle and mathematical model of the anti-blocking machine was analyzed providing reference for the safety intake water technology of the sewage source heat pump.

Key words：sewage source heat pump; safety intake water; excision; anti-blocking machine

收稿日期：2015-12-17.

基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541196)

作者简介：钱剑峰(1979-)，男，博士，副教授，研究方向：制冷与热泵节能技术.

中图分类号：TU831.6

文献标识码：A

文章编号：1672-0946(2016)03-0271-04