錢劍峰，任啟峰，王海燕，范夙博，劉　朋，于春光

(1. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱150028；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

污水源熱泵系統(tǒng)的新型安全取水技術(shù)研究

錢劍峰1，任啟峰1，王海燕2，范夙博2，劉朋1，于春光1

(1. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱150028；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

摘要：在分析當(dāng)前污水源熱泵國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，指出安全取水是其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，并提出智能切割型污水防阻機(jī)新技術(shù).進(jìn)而分析了該防阻機(jī)的工作原理與數(shù)學(xué)模型，為污水源熱泵的安全取水技術(shù)提供了參考.

關(guān)鍵詞：污水源熱泵；安全取水；切割；防阻機(jī)

節(jié)能與環(huán)保是可持續(xù)發(fā)展的兩大主題，故降低化石燃料能源消耗、提高能源利用率和開發(fā)可再生能源成為人類面臨的重要課題.2014年建筑能耗在我國能源消費總量中已超過30%，預(yù)計到2030年將上升到40%，而暖通空調(diào)能耗占建筑能耗的50%以上，所以降低暖通空調(diào)能耗是建筑節(jié)能的首要問題[1-5].污水熱能資源化以及節(jié)能環(huán)保的熱泵技術(shù)使得污水源熱泵技術(shù)優(yōu)勢顯著，其發(fā)展前景廣闊，但污水成分復(fù)雜，使污水源熱泵系統(tǒng)存在堵塞、污染和腐蝕等問題，而首當(dāng)其沖的是堵塞問題[6-8].所以取水技術(shù)不安全可靠，不僅增加系統(tǒng)的阻力和能耗，還會加大換熱設(shè)備的熱阻，嚴(yán)重時會導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備完全失去其功能.因此，安全的污水取水技術(shù)將是污水源熱泵技術(shù)的研究與應(yīng)用的重點之一.

國內(nèi)近年開發(fā)應(yīng)用的污水取水技術(shù)盡管實現(xiàn)了穩(wěn)定、連續(xù)取水，但仍存在取水設(shè)備承壓高，混水內(nèi)泄露問題嚴(yán)重、濾面過濾負(fù)荷大等不足[6-7].本文將通過研究污水源熱泵系統(tǒng)的新型安全取水技術(shù)，提出智能切割型污水防阻機(jī)并分析其工作原理與數(shù)學(xué)模型，在安全取水方面有一定的參考價值.

1污水源熱泵取水技術(shù)現(xiàn)狀與分析

1.1污水源熱泵系統(tǒng)現(xiàn)狀

北歐和日本等發(fā)達(dá)國家應(yīng)用污水源熱泵技術(shù)較早.瑞典在1981年運行了世界上首個裝機(jī)容量為3.3 MW的直接式污水源熱泵系統(tǒng)，而后總裝機(jī)容量達(dá)到了541 MW[9].挪威第一個城市污水源熱泵系統(tǒng)于1983年投入運行，在2006年改造后供熱量達(dá)到19.5 MW，而且其取水換熱技術(shù)比較先進(jìn)，規(guī)模也比較大[10].日本針對城市污水的堵塞和換熱問題，在1983年研發(fā)了殼管式污水源熱泵機(jī)組，1987年啟動了污水熱能開發(fā)利用計劃，設(shè)計了專門用于清污過濾和污水換熱的裝置[9]，先后建設(shè)了12個污水源熱泵系統(tǒng)，總供熱量8.9 MW，供冷量11.6 MW[11].

我國污水源熱泵起步較晚，但發(fā)展較快，尤其在政府的支持和補(bǔ)貼下，成功的工程實例直線上升.其中，孫德興等提出的濾面連續(xù)再生取水技術(shù)，對污水源熱泵技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn).應(yīng)用最早的是2000年在北京高碑店污水處理廠的二級出水污水源熱泵工程，2001年首例城市原生污水源熱泵在大慶安裝并成功使用.此外，國內(nèi)先后建設(shè)了哈爾濱望江賓館、大慶恒茂商城等典型污水源熱泵工程[12-14].

1.2污水源熱泵系統(tǒng)取水技術(shù)分析

污水對系統(tǒng)的阻塞與結(jié)垢等問題一直是污水源熱泵技術(shù)的難點.目前，防阻技術(shù)主要是安裝前置過濾裝置，污水過濾后進(jìn)入后續(xù)的換熱器.在工程應(yīng)用和實驗研究中的防阻設(shè)備有很多，但仍沒有徹底解決安全取水問題[15-16].

N·C·Baek等總結(jié)了早期的防阻設(shè)備——篩濾器基本都有過濾、清刷和切割三個工作過程，該裝置工藝復(fù)雜并需要排污[17-18].孫德興等指出自動旋篩過濾器可以實現(xiàn)污水連續(xù)穩(wěn)定的過濾和濾面清洗再生[19]，該裝置的旋轉(zhuǎn)篩濾筒在反沖洗噴嘴噴出的水流作用下實現(xiàn)篩濾筒濾面的清洗，并且刮刀刮掉篩濾筒表面的污雜物.張吉禮等針對污水取水的內(nèi)泄漏問題，提出了開式循環(huán)集成式污水取水裝置(如圖1所示)，該裝置原理是集成撞擊分離、低速沉降和孔板過濾等方法，使用過濾斷面雙向沖洗技術(shù)，減小其過濾負(fù)荷，使清洗更加徹底[9].畢海洋等開發(fā)了旋轉(zhuǎn)板式和旋轉(zhuǎn)筒式自動除污取水裝置，旋轉(zhuǎn)板式自動除污取水裝置采用了錐體或球冠形孔板過濾盤和與之配合的斜口橢圓形吸水管口和排水管口(如圖2所示)，該裝置避免了取水裝置中吸、排水管口處的污水短路問題[12].

圖1　開式循環(huán)集成式污水取水裝置1—箱體 2—雜質(zhì)分離腔 3—蓄水腔 4—排污腔 5—清洗腔 6—旋轉(zhuǎn)孔板 7—孔板隔板 8—清洗腔側(cè)隔板 9—清洗腔底板 10—排污管 11—溢流板 12—污水進(jìn)水管 13—污水出水管 14—撞擊板 15—清洗管

圖2　旋轉(zhuǎn)板式自動除污取水裝置1—過濾盤 2—吸水管口 3—排水管口 4—吸水管路 5—排水管路 6—傳動軸 7—電動機(jī)及其減速裝置

相對來說，孫德興等開發(fā)的濾面連續(xù)再生裝置應(yīng)用效果最好，實現(xiàn)了連續(xù)取水并能過濾掉絕大部分大尺寸污雜物，但長時間運行后，也會產(chǎn)生臟堵、內(nèi)泄露以及混水等方面的不足，需要定期人工清理，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運行效率[20].

安全取水及防阻除垢技術(shù)是污水源熱泵的關(guān)鍵技術(shù)，而且要求技術(shù)穩(wěn)定可靠，并且投資和能耗最小.目前大型沉淀、過濾技術(shù)雖然可以解決堵塞的問題，但是投資大，占地面積大.而機(jī)械過濾裝置雖減小了設(shè)備的體積，能夠穩(wěn)定地運行，但仍存在問題.所以污水源熱泵系統(tǒng)處于轉(zhuǎn)型期，其防阻技術(shù)還存在不足，可從理論研究、設(shè)備改進(jìn)和裝置開發(fā)等方面進(jìn)行長期而深入的研究.

2智能切割型污水防阻機(jī)的工作原理

針對當(dāng)前污水源熱泵技術(shù)中安全取水的關(guān)鍵問題以及污水防阻機(jī)設(shè)備的致命缺陷，優(yōu)化了污水防阻機(jī)的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新性的提出和開發(fā)智能切割型污水防阻機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示.該裝置由切割裝置、傳動裝置、轉(zhuǎn)筒濾面和隔板等構(gòu)成過濾反沖、切割再生系統(tǒng)，其內(nèi)部由轉(zhuǎn)筒濾面和隔板將圓筒形的防阻機(jī)主體分為原生污水區(qū)、污水過濾區(qū)、反沖再生區(qū)和切割再生區(qū).運行工作時，由傳動裝置調(diào)控的切割裝置和電動機(jī)帶動的轉(zhuǎn)筒濾面同時進(jìn)行切割作用和過濾反沖再生作用.此動態(tài)的過濾與再生過程將達(dá)到流量穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，實現(xiàn)了穩(wěn)定工作的目的，在理想狀態(tài)下，實現(xiàn)濾面完全切割再生.

圖3　智能切割型污水防阻機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

從圖3可以看出，智能切割型污水防阻機(jī)主要特點如下：1)當(dāng)電動機(jī)帶動切割裝置和轉(zhuǎn)筒濾面工作時，切割裝置切割貼附纏繞在濾面上的雜質(zhì)污垢，即防止污雜物進(jìn)入污水源熱泵系統(tǒng)，又能阻止污雜物在轉(zhuǎn)筒濾面上的淤積；2)切割裝置與轉(zhuǎn)筒濾面之間留一定安全距離，達(dá)到了切割裝置對轉(zhuǎn)筒濾面的連續(xù)切割，又保證了切割裝置不會接觸轉(zhuǎn)筒濾面，避免機(jī)組停機(jī)；3)在任何時刻轉(zhuǎn)筒濾面均可實現(xiàn)過濾反沖、切割再生的功能；4)解決了惡劣水質(zhì)對換熱器及管路的堵塞與污染問題，即有傳統(tǒng)防阻機(jī)的反沖洗作用，又有穩(wěn)定高效的切割作用，可以實現(xiàn)無堵塞連續(xù)換熱.5)降低了維護(hù)成本，提高了使用周期，而且無需人工清理.

3智能切割型污水防阻機(jī)的數(shù)學(xué)模型

3.1關(guān)鍵參數(shù)的確定

智能切割型污水防阻機(jī)的物理模型如圖4所示，為了建立其過濾反沖、切割再生的數(shù)學(xué)模型，現(xiàn)對其基本結(jié)構(gòu)和性能等關(guān)鍵參數(shù)確定如下：

1)濾孔直徑D：用于衡量過濾雜質(zhì)污垢的尺度.轉(zhuǎn)筒濾面的濾孔直徑越小，則進(jìn)入換熱器的污水越干凈，安全性越高，m；

2)濾孔間距W：濾孔孔邊的最小間距，等于濾孔孔心距減去濾孔直徑，m；

3)濾孔厚度H：也是轉(zhuǎn)筒濾面的厚度.濾孔厚度越厚，強(qiáng)度越大，m；

4)纏繞尺寸L：用于衡量轉(zhuǎn)筒濾面防堵結(jié)垢的能力.纏繞尺寸越大，則再生效果越好，能夠延緩反沖效率的減小，m；

5)轉(zhuǎn)筒直徑DT和轉(zhuǎn)筒高度HT：共同決定防阻機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和占地面積，m；

6)過流面積A0：轉(zhuǎn)筒濾面的上任意濾孔在過濾區(qū)內(nèi)的過流面積，m2；

7)切割系數(shù)E：表征防阻機(jī)切割再生的程度，決定防阻機(jī)的防阻除污能力；

8)過濾區(qū)面積A和再生區(qū)面積Af：清潔狀態(tài)下兩者數(shù)值相等，所在區(qū)域的所有濾孔面積之和，m2；

9)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速n：轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速關(guān)系到濾面的再生周期和效果，進(jìn)而影響系統(tǒng)能耗，一般轉(zhuǎn)速在4～8r/min；

10)過濾流速u：濾孔內(nèi)的污水流速，關(guān)系到防阻機(jī)的處理能力和流動阻力；反沖區(qū)的流速則為γu，m/s；

11)有效流量V：經(jīng)過有效過濾后，進(jìn)入換熱器的污水有效流量，m3/s.

3.2數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)上述關(guān)鍵參數(shù)的確定知：轉(zhuǎn)筒濾面的上任意濾孔在過濾區(qū)內(nèi)的過流面積A0表示為

A0=πDTHT·γ·S0·E

(1)

其中：S0為清潔狀態(tài)下轉(zhuǎn)筒濾面過流面積與側(cè)面積之比；γ為過濾區(qū)面積與再生區(qū)面積之比，與反沖比φ互為倒數(shù)關(guān)系，即

(2)

圖4　過濾反沖、切割再生原理圖

(3)

其中：δ為防阻機(jī)的濾孔堵塞厚度，影響過濾區(qū)和再生區(qū)面積及過濾反沖、切割再生的能力，m；β為表示混水程度的混水率，%；即

(4)

考慮到防阻機(jī)存在不可避免的內(nèi)漏或混水情況，則為后續(xù)換熱設(shè)備提供的換熱量，可用換熱保證率Ф表示

(5)其中：NTU為蒸發(fā)器或冷凝器對污水的傳熱單元數(shù).

(6)

其中：ξ為濾面平均未堵塞系數(shù)，用于表征轉(zhuǎn)筒濾面沿角度分布逐漸堵塞后，過濾區(qū)面積的減小程度；η為反沖效率，用于表征濾面轉(zhuǎn)筒反沖再生的能力.與纏繞尺寸密切相關(guān)，纏繞尺寸越大，反沖效率隨時間衰退的降低.

(7)

其中：ΔP為防阻機(jī)的過濾阻力與反沖阻力統(tǒng)稱為流動阻力，Pa.

4結(jié)語

鑒于污水源熱泵系統(tǒng)安全取水和高效換熱的迫切需要及污水防阻機(jī)所具有的防阻除污和強(qiáng)化換熱效果，作者在前期分析研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)適用于污水源熱泵領(lǐng)域的智能切割型污水防阻機(jī)，建立了智能切割型污水防阻機(jī)的過濾反沖、切割再生的數(shù)學(xué)模型，為安全取水技術(shù)提供方法和參考.

參考文獻(xiàn)：

[1]ZHAO X L, FU L, ZHANG S G,etal. Study of the performance of an urban original source heat pump system[J]. Energy Conversion and Management, 2010, 51(4): 765-770.

[2]NORIO A, ATSUSHI I. Evaluation of energy use in district heating and cooling plant using sewage and one using air as heat source [J]. Journal of the Japan Institute of Energy, 2000, 79(5): 446-454.

[3]QIAN J F, LIU Y Y, XU Y,etal. Study on characteristics of ultrasonic descaling and heat transfer enhancement in sewage source heat pump system [J]. Applied Mechanics and Materials, 2014, 525: 603-606.

[4]QIAN J F. Study on Operation and parameters of urban sewage source heat pump system with freezing latent heat collection [J]. Advanced Materials Research, 2012, 403: 3235-3238.

[5]張亞立, 孫德興, 張吉禮.污水水源熱泵供熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2006, 25(4): 64-66.

[6]張吉禮, 錢劍峰, 孔祥兵, 等. 銅管換熱器內(nèi)顆粒狀污垢生長特性試驗分析[J].土木建筑與環(huán)境工程, 2010, 32(5): 60-64.

[7]錢劍峰, 張吉禮, 馬良棟, 等. 開式原生污水源熱泵系統(tǒng)取水運行特性分析[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2014, 36(2): 62-67.

[8]賈少剛, 魏翠琴, 蕢秀惠. 污水源熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀與性能分析研究[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2015(1): 70-70.

[9]張吉禮,馬良棟.污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)污水側(cè)取水、除污和換熱技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 暖通空調(diào), 2009, 39(7): 41-47.

[10]PEDERSEN S E, STENE J. 18 MW heat pump system in Norway utilizes untreated sewage as heat source [J]. IEA Heat Pump Centre Newsletter, 2006, 24(4): 37-38.

[11]FUNAMIZU N, IIDA M, SAKAKURA Y,etal. Reuse of heat energy in wastewater: implementation examples in Japan [J]. Water Science & Technology, 2001, 43(10): 277-285.

[12]孫春錦, 吳榮華, 孫源淵, 等. 污水源熱泵技術(shù)研究現(xiàn)狀及分析[J]. 暖通空調(diào), 2015, 45(9): 49-53.

[13]李麗娜. 非清潔水源凝固潛熱采集裝置及其熱泵系統(tǒng)運行性能研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱商業(yè)大學(xué), 2014.

[14]譚延坤. 污水源熱泵系統(tǒng)污水側(cè)聲空化除污與強(qiáng)化換熱特性實驗研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱商業(yè)大學(xué), 2013.

[15]劉志斌, 馬良棟, 張吉禮, 等. 半淹沒式旋轉(zhuǎn)孔板污水取水機(jī)設(shè)計與應(yīng)用[J]. 暖通空調(diào), 2014, 44(1): 134-139.

[16]錢劍峰, 吳學(xué)慧, 孫德興. 污水源熱泵軟垢厚度對流動換熱的影響[J]. 流體機(jī)械, 2007, 25(1): 73-78.

[17]沈朝, 姜益強(qiáng), 姚楊. 自動除污型污水-水換熱器的數(shù)值模擬[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2011, 33(3): 107-111.

[18]BAEK N C, SHIN U C, YOON J H. A study on the design and analysis of a heat pump heating system using wastewater as a heat source [J]. Solar Energy, 2005, 78(3): 427-440.

[19]吳榮華, 徐瑩, 孫德興, 等. 污水源及地表水源熱泵取水換熱技術(shù)研究應(yīng)用進(jìn)展[J]. 暖通空調(diào), 2008, 38(3): 25-30.

[20]莊兆意. 直接式原生污水源熱泵系統(tǒng)的防堵技術(shù)及換熱特性研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2012.

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.

基金項目：黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12541196)

作者簡介：錢劍峰(1979-)，男，博士，副教授，研究方向：制冷與熱泵節(jié)能技術(shù).

中圖分類號：TU831.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-0946(2016)03-0271-04