0 前言

 

  近年來(lái)隨著國(guó)民生產(chǎn)的發(fā)展，城市污水排放量逐年增加。以山東省為例，2004 年全省總污水排放量為28 億t，其中生活污水總排放量為14.1億t，工業(yè)污水排放量為13.9 億t。城市污水的處理量在某種程度上標(biāo)志著城市污水熱能的貯存量，因?yàn)樵?a href="http://yaoqilife.top/t/城市.html" >城市污水中，生活中所消耗能源中有接近一半的能量通過(guò)各種途徑被排放到城市污水中。從以上數(shù)據(jù)可以看出城市污水熱能有巨大資源潛力。

 

  城市污水的熱能利用有多種方式，但最有效的利用方式就是利用污水熱泵，即夏季將建筑物內(nèi)多余熱量通過(guò)熱泵機(jī)組釋放到城市污水中，冬季將城市污水的熱量提取出來(lái)通過(guò)熱泵機(jī)組釋放到建筑物內(nèi)。城市污水熱能的資源潛力主要取決于污水的溫度。經(jīng)過(guò)處理后的城市污水的水溫，常年在一定的范圍內(nèi)變化，如濟(jì)南市某污水處理廠經(jīng)二級(jí)處理后的污水冬季水溫在13~16 ℃，夏季水溫在22~26 ℃。一般情況下，北方地區(qū)冬季污水水溫平均高出周?chē)h(huán)境溫度20 ℃以上，夏季污水水溫要平均低于環(huán)境溫度十幾攝氏度。利用污水與環(huán)境的溫差獲取熱能具有十分巨大的能量資源前景。

 

  利用污水源熱泵系統(tǒng)對(duì)建筑物供冷或供熱，充分利用了城市污水中的廢熱，減少了對(duì)高位能源的消耗，不僅節(jié)約了能源，而且減少了環(huán)境污染和水資源的消耗；此外由于污水源熱泵機(jī)組工作效率高，機(jī)房占地面積小，大大降低了運(yùn)行費(fèi)用和初投資費(fèi)用。因此污水作為可再生能源用于建筑物的空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)得到了大家的認(rèn)可，而且在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用逐漸增多。污水源熱泵系統(tǒng)雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但由于污水的特殊性，容易造成熱泵工作條件惡劣，尤其是熱泵中的換熱器所處的工作條件更為惡劣。當(dāng)污水流經(jīng)換熱器時(shí)，由于污水成分很復(fù)雜，會(huì)造成換熱器表面結(jié)垢、阻塞甚至是腐蝕的現(xiàn)象。由于這些現(xiàn)象的存在，使得換熱器的傳熱效率降低，流體的流動(dòng)阻力加大，降低換熱器的使用壽命，有時(shí)甚至使換熱器無(wú)法工作。由此可見(jiàn)，污水的水質(zhì)對(duì)系統(tǒng)特性影響較大。此外污水中各種有害成分對(duì)換熱器材質(zhì)的腐蝕影響也無(wú)現(xiàn)成資料可循。這些都給污水換熱器的研究造成很大困難。

 

  針對(duì)不同的污水水質(zhì)，該采取什么系統(tǒng)形式，采取什么材料及形式的換熱器，使其在污水中仍具有很好的傳熱性能，這些問(wèn)題是污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，也是本文研究的重點(diǎn)。

 

  1 污水的水質(zhì)分類(lèi)

 

  根據(jù)所使用污水來(lái)源不同，污水可分為原生污水和來(lái)自污水處理廠的中水（也稱(chēng)再生水）。原生污水就是未經(jīng)任何處理的城市污水，它廣泛存在于城市的污水管道中。它的主要優(yōu)點(diǎn)是污水溫度比較接近于排放點(diǎn)的溫度，所賦存的熱能多，缺點(diǎn)是污水水量不穩(wěn)定，水質(zhì)中所包含的大尺度的污染物比較多，各種微生物及化學(xué)成分比較復(fù)雜，水質(zhì)惡劣。

 

  城市原生污水經(jīng)過(guò)城市排水管網(wǎng)輸送到污水處理廠后，一般先經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)濾和沉淀等物理處理，此時(shí)的出水稱(chēng)為一級(jí)出水。經(jīng)過(guò)一級(jí)處理后的污水再經(jīng)活性污泥法等深度處理后，進(jìn)行集中排放，此時(shí)的污水稱(chēng)為二級(jí)出水。多數(shù)的污水處理廠排放的污水均為二級(jí)出水。因此本文中所指的中水均指二級(jí)出水。如果對(duì)二級(jí)出水有某些特殊需求，可由污水回用用戶單獨(dú)進(jìn)行處理。由于二級(jí)出水的微生物、雜質(zhì)、化學(xué)成分等都得到凈化，外觀已與清水差別不大。二級(jí)出的主要優(yōu)點(diǎn)是水量大而且集中，與原生污水比較，其結(jié)垢和腐蝕的可能性大大降低。二級(jí)出水缺點(diǎn)是污水溫度下降，在冬季正常情況下，下降1~2 ℃。在污水源熱泵系統(tǒng)中，由于主要利用的只是其溫差5 ℃左右的顯熱熱量，因此可取用的熱能約減少10%～40%。

 

  2 污水源熱泵系統(tǒng)原理及類(lèi)型

 

  污水源熱泵的工作原理與水源熱泵相同，即夏季通過(guò)換熱器將熱量釋放到污水中，達(dá)到制冷的目的；冬季通過(guò)蒸發(fā)器吸取污水中熱量，達(dá)到供熱的目的。

 

  在污水源熱泵系統(tǒng)中，根據(jù)熱泵機(jī)組換熱器是否直接與污水接觸，污水源熱泵系統(tǒng)可分為直接式污水源熱泵系統(tǒng)和間接式污水源熱泵系統(tǒng)（圖2）。直接式污水源熱泵系統(tǒng)熱泵機(jī)組內(nèi)的換熱器與污水直接接觸，雖然系統(tǒng)設(shè)備初投資低，但機(jī)組換熱器極易腐蝕和堵塞，在國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)應(yīng)用。間接式污水源熱泵系統(tǒng)通過(guò)污水換熱器回收污水中的熱能，污水不進(jìn)入熱泵機(jī)組，避免了污水對(duì)機(jī)組的腐蝕和堵塞，雖然投資增加，但系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行可靠，該方式在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣。本文主要以間接式污水源熱泵系統(tǒng)的污水換熱器為研究對(duì)象。

 

  城市原生污水成分復(fù)雜，雜質(zhì)含量多，考慮到污水換熱器的腐蝕、結(jié)垢等多方面的因素，以采用耐腐蝕、壽命長(zhǎng)的塑料類(lèi)污水換熱器為佳。對(duì)于采用二級(jí)出水或再生水的污水源熱泵系統(tǒng)，可根據(jù)出水水質(zhì)來(lái)確定換熱器的類(lèi)型。

 

  3 污水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及水質(zhì)處理

 

  在污水源熱泵系統(tǒng)中，只利用污水中熱量，經(jīng)過(guò)使用之后，將污水直接排放掉，因此可稱(chēng)作單循環(huán)水系統(tǒng)。根據(jù)我國(guó)《污水回用規(guī)范》，不同用途的再生水要求的水質(zhì)指標(biāo)也不一樣。作為熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的污水，可以采用再生水用做冷卻水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).

 

  在污水利用過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)的水質(zhì)問(wèn)題是結(jié)垢、腐蝕、生物生長(zhǎng)、淤塞和起泡，這些問(wèn)題都是由回用水中的污染物引起。因此針對(duì)不同材質(zhì)的換熱器，為了保證回用水的水質(zhì)可以對(duì)二次出水進(jìn)行深度處理，處理主要從以下幾個(gè)方面考慮。

 

  （1）控制結(jié)垢

 

  對(duì)金屬換熱器，要避免污垢形成即硬度沉積，一般通過(guò)化學(xué)方法和物理沉淀作用能夠?qū)Y(jié)垢進(jìn)行成功處理。其中酸化方法或加入阻垢劑能控制結(jié)垢，石灰軟化經(jīng)常被用作冷卻系統(tǒng)回用水的處理方法。

 

  （2）防止腐蝕

 

  冷卻水系統(tǒng)中金屬不應(yīng)當(dāng)被循環(huán)水腐蝕。如果總?cè)芙夤腆w（TDS）的數(shù)值高就提高了水的電導(dǎo)性，這就造成了高的腐蝕性。市政處理的回用水中TDS 的濃度通常是飲用水中的2~5 倍，因而回用水的電導(dǎo)率和腐蝕性較高。溶解的氣體和高氧化狀態(tài)下的金屬離子也能造成腐蝕。

 

  冷卻水處于酸性狀態(tài)下也容易形成腐蝕。據(jù)美國(guó)得克薩斯州的Lubbock 市的Jones Station 電廠報(bào)道，當(dāng)循環(huán)冷卻水中存在氨離子時(shí)，氨離子轉(zhuǎn)化成硝酸，使pH 值從7.4~7.9 降低到6.5 甚至更低。對(duì)此，可以加入二氧化碳，通過(guò)提高重碳酸鹽堿度而調(diào)節(jié)pH 值。

 

  阻垢劑（如鉻酸鹽、聚磷酸鹽、鋅離子和聚硅酸鹽）能夠減少冷卻水的潛在腐蝕性。但是在排放之前，這些阻垢劑必須從水中去除?？梢耘c阻垢劑替換的化學(xué)方法是離子交換和反滲透，但是此方法費(fèi)用較高而用處不廣。

 

  （3）抑制生物生長(zhǎng)

 

  用于冷卻系統(tǒng)的回用水中如果有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或有機(jī)物（生化需氧量BOD）就會(huì)造成能夠形成污垢的生物生長(zhǎng)。處理過(guò)程中減少BOD 和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量，能夠降低回用水中微生物持續(xù)生長(zhǎng)的可能性。氯是最常用的控制微生物生長(zhǎng)的除菌劑，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)廉、易得和容易操作。氯也被用作消毒劑去除回用水中的潛在病原體。通常情況下，氯化和電擊處理已經(jīng)足夠。在這個(gè)過(guò)程中，經(jīng)常使用氯氣（以液氯形式購(gòu)買(mǎi)）、次氯酸鈉固體或液體，也常采用二氧化氯抑制生物生長(zhǎng)。

 

  （4）減少淤塞

 

  通過(guò)阻止顆粒性物質(zhì)的形成和沉降能夠控制淤塞。化學(xué)絮凝和過(guò)濾作用用于磷的去除過(guò)程，可以減少導(dǎo)致淤塞的污染物質(zhì)的量。另外，也可使用化學(xué)分散劑。

 

  4 污水換熱器的材質(zhì)及選擇

 

  污水換熱器按其材質(zhì)可分為金屬換熱器和非金屬換熱器。金屬換熱器按其結(jié)構(gòu)可分為板式換熱器、淋激式換熱器和殼管式換熱器。非金屬換熱器則主要包括各種結(jié)構(gòu)的塑料管換熱器或鋁塑復(fù)合管換熱器等。

 

  污水換熱器存在的最主要的問(wèn)題是腐蝕和堵塞問(wèn)題，因此污水換熱器的選材則主要從這幾個(gè)方面來(lái)考慮。作為金屬換熱器最大的優(yōu)點(diǎn)是傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊。但在污水源熱泵系統(tǒng)中，污水換熱器極易腐蝕和堵塞，而且不易清洗，因此只有在采用污水處理廠二級(jí)出水，而且水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的前提下，才可以選用金屬換熱器。從經(jīng)濟(jì)、安全等多方面考慮，采用城市原生污水的換熱器，不適合采用金屬換熱器。

 

  制造金屬換熱器的主要材料有銅及銅合金、鋁合金、不銹鋼和鈦合金。鋁合金具有導(dǎo)熱性能好，成本低等特性，在常規(guī)的“空冷”型熱泵中使用廣泛，但污水中的電解質(zhì)會(huì)對(duì)鋁合金產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕作用。純銅及銅合金材料具有導(dǎo)熱性好，加工、焊接性能好的特點(diǎn)。它對(duì)污水中的氯離子有一定的耐腐蝕性，但污水中的氨、氮離子對(duì)銅及銅合金的腐蝕作用是不可忽視的。當(dāng)污水中的氨離子含量大于1 mg/L 時(shí)，它對(duì)銅的腐蝕作用是相當(dāng)明顯的。鈦管對(duì)氯化物、硫化物和氨都具有較好的耐蝕性，可在高度污染的淡水和海水中使用。但由于價(jià)格昂貴，焊接技術(shù)要求高而限制了其使用的范圍。以1Gr18Ni9Ti 為主的不銹鋼材料是空調(diào)熱交換器常用的材料。此種材料對(duì)水中的氨離子有較強(qiáng)的耐腐蝕性，但如果水中有較多的氯離子則會(huì)與溶解氧共同作用，破壞不銹鋼材料的晶間結(jié)構(gòu)，造成點(diǎn)蝕。

 

  恰當(dāng)選擇換熱器的型式可以大大減輕污垢的影響。由于污水水質(zhì)的特殊性，金屬防腐的方法總有一定的局限性，因此我們可以換一個(gè)角度考慮問(wèn)題，采用耐腐蝕的非金屬材料來(lái)代替金屬材料制造換熱器。目前，國(guó)內(nèi)已應(yīng)用的污水源熱泵系統(tǒng)均采用間接式系統(tǒng)，污水換熱器以采用非金屬類(lèi)沉浸式污水換熱器居多。非金屬材料則主要采用塑料及各類(lèi)復(fù)合塑料等。目前我國(guó)在空調(diào)冷熱水、建筑給排水等系統(tǒng)中常用的非金屬塑料類(lèi)管材有多種，主要有PE- X 管、PP- R 管、PE- RT（鋁塑復(fù)合）管、HDPE（高密度聚乙烯）管等[3]。

 

  PE- X 是交聯(lián)聚乙烯的縮寫(xiě)，它是將聚乙烯通過(guò)物理或者化學(xué)的方法進(jìn)行交聯(lián)，交聯(lián)后聚乙烯分子結(jié)構(gòu)由線性轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀，從而其熱強(qiáng)度、耐熱老化性、耐腐蝕性能、抗蠕變性能都得到較大的提高，適合長(zhǎng)期使用，可輸送90 ℃以下的介質(zhì)，具有良好的物理機(jī)械性能，耐酸堿和其它化學(xué)品性能優(yōu)良。但是其熱膨脹性較大，傳熱性能不如鋁塑管。

 

  PP- R 是無(wú)規(guī)共聚聚丙烯的縮寫(xiě)，它是將聚乙烯分子無(wú)規(guī)則地接入聚丙烯的分子鏈中，從而使其抗低溫沖擊、長(zhǎng)期耐熱耐壓及抗低溫環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂等性能大大改善。PP- R 塑鋁穩(wěn)態(tài)復(fù)合管是一種內(nèi)層為PP- R，外層包敷鋁層及塑料保護(hù)層，各層間通過(guò)熱熔膠粘接而成的五層結(jié)構(gòu)的管材。該管材既具有金屬管的剛性，又有塑料管的抗腐蝕性，壽命長(zhǎng)，熱熔接不滲漏，特別具有塑料管所沒(méi)有的防滲氧性能，它的最高工作壓力高達(dá)1.6MPa，工作溫度范圍為5~65 ℃，是空調(diào)水系統(tǒng)的優(yōu)選管材[3]。

 

  PE- RT 管全稱(chēng)是鋁塑復(fù)合管，它是以交聯(lián)聚乙烯塑料材料作為管的內(nèi)外層，中間芯層夾一焊接鋁管，在鋁管的內(nèi)外表面涂覆膠粘劑與塑料層粘接，通過(guò)復(fù)合共擠成型的具有5 層結(jié)構(gòu)的復(fù)合管材。鋁塑管具有塑料管的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于中間夾入一層鋁，其機(jī)械理化性能比塑料管更強(qiáng)。

 

  HDPE 管為高密度聚乙烯管，以它的優(yōu)秀的化學(xué)性能、韌性、耐磨性以及低廉的價(jià)格和安裝費(fèi)受到管道界的重視，它是僅次于聚氯乙烯，使用量占第二的塑料管道材料。HDPE 管具有耐腐蝕、內(nèi)壁光滑、流動(dòng)阻力小、強(qiáng)度高、韌性好、重量輕等特點(diǎn).

 

  在選擇非金屬類(lèi)污水換熱器時(shí)，應(yīng)根據(jù)污水換熱器的工作溫度、工作壓力、傳熱性能、經(jīng)濟(jì)性能等多方面來(lái)考慮。以城市污水源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，污水換熱器的工作溫度一般在5～50 ℃，作為間接式污水源熱泵系統(tǒng)，它的工作壓力并不高，多數(shù)塑料類(lèi)管材均能滿足要求。從表2 中可以看出，PE- RT管、HDPE 管和PE- X 管的傳熱性能均優(yōu)于PP- R管，從經(jīng)濟(jì)性方面比較，其經(jīng)濟(jì)性排序?yàn)镠DPE管、PE- X 管、于PP- R 管、PE- RT 管。山東某污水處理廠采用PE- X 管作為利用工業(yè)廢水的污水換熱器管材，經(jīng)過(guò)1 年的實(shí)踐運(yùn)行表明，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比較好，而且清洗方便。

 

  污水換熱器的工作溫度及原理與地表水熱泵

 

  系統(tǒng)中換熱器相同。根據(jù)文獻(xiàn)，國(guó)外地表水及土壤源熱泵系統(tǒng)中采用的換熱器管材有HDPE管、PVC 管和銅管。PVC 管抵抗太陽(yáng)紫外線輻射能力差，并不推薦采用。HDPE 管材強(qiáng)度高、耐酸堿性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)，是推薦采用的地表水熱泵系統(tǒng)和土壤源熱泵系統(tǒng)換熱器管材，也是美國(guó)目前完成的地源熱泵系統(tǒng)中用的最廣的換熱器材料之一。銅管傳熱性能好，相同傳熱量的情況下，銅管換熱器長(zhǎng)度只是塑料換熱器的1/4～1/3，但銅管易結(jié)垢。而且結(jié)垢后對(duì)換熱器性能影響較大，因此不適合作為污水換熱器材料。

 

  根據(jù)以上分析表明，從經(jīng)濟(jì)性和傳熱性能來(lái)考慮，污水換熱器以采用HDPE 管、PE- X 管為推薦管材。采用塑料類(lèi)換熱器間接換熱的方式回收污水的熱能，一方面解決了管道和設(shè)備的腐蝕問(wèn)題；另一方面，由于管內(nèi)外壁光滑，也緩解了結(jié)垢問(wèn)題，而且也易于清洗。

 

  5 結(jié)論

 

  對(duì)于城市原生污水由于其成分復(fù)雜，雜質(zhì)含量多，考慮到污水換熱器的腐蝕、結(jié)垢等多方面的因素，以采用耐腐蝕、壽命長(zhǎng)、易清洗的塑料類(lèi)污水換熱器為佳；對(duì)于采用污水處理廠二級(jí)出水或再生水的污水源熱泵系統(tǒng)，可以采用再生水用做冷卻水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。如果再生水達(dá)到了相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可采用金屬換熱器，否則，可采用非金屬類(lèi)污水換熱器；在非金屬類(lèi)換熱器中，從價(jià)格、傳熱性能和壽命等方面綜合分析，建議采用PE- X管和HDPE 管作為污水換熱器管材。