污水源热泵系统旁路串联水泵流量特性分析.pdf

污水源热泵系统旁路串联水泵

流量特性分析
哈尔滨工业大学市政环境工程学院张承虎☆，刘志斌，吴荣华，孙德兴

摘要：本文建立了污水源热泵系统中污水子系统的旁路串联水泵模型，基于实际工程数据，
通过数值计算，分析了管路阻抗、水泵性能对系统实际用水量和流量系数的影响特性，讨论
了系统的运行稳定性和调节性，论证了旁路串联水泵的技术可行性，并据此给出了污水子系
统双级水泵的选择要点和系统调试方法，为污水源热泵系统的工程设计提供参考。
关键词：污水源热泵、双级水泵、流量、稳定性、调节性
0前言

城市原生污水作为一种优良的热泵系统低位冷热源，具有许多十分突出的优势：流量稳
定、分布合理、取排简便、热容量大、换热效率较高、冬夏温度适宜等。但是其自身也存在
一些难以回避的缺点，采用热泵系统利用污水热能的第一技术难点就是如何避免大尺度悬浮
污杂物堵塞管道设备和换热设备[1-4]。针对这一问题，国内外诸多学者研究开发了形式各样
的不同工艺和设备[5、6]，其中哈尔滨工业大学孙德兴教授的科研组采用水力连续排污装置已
经可靠地解决了“堵塞”这一难题[7、8]。采用这一装置的污水源热泵系统污水子系统的一个
特点就是选用了双级污水泵，其系统如图1所示。

一级污水泵二级污水泵

污水干渠污水换热器SHSSS
水力011233445
连续
S38H2
取排水口排污SSS
装置8078h

图1污水子系统示意图图2污水子系统管路阻抗图

该系统的起点和终点压力均为大气压，相对压力为零。由于水力连续排污装置自身的结
构和工艺特点决定了图中3点到8点之间存在流道，即污水子系统的管路阻抗如图2所示。
可见，一级污水泵与二级污水泵并不是简单的串联关系，他们之间存在着旁通流道38−，
笔者将这样的水泵联接关系称为“旁路串联”关系。
1流量分析及控制方程

图2中Sh表示污水换热器及其附属管道的阻抗，它是影响系统运行稳定性的主要因素；

S34、S38、S78为水力连续排污装置的内部阻抗，运行期间是不可改变量，而S01、S23、S45、

S80为其他外部管道的阻抗，可通过改变阀门的开度来调节其阻抗值，它们是平衡流量分配

的主要手段。设定一级污水泵的工作流量为QS，即系统实际供水量；二级污水泵的工作流
−
量为QU，即实际用水量，因为只有这部分流量真正进入换热器进行了换热；旁路38的流

量为QL，即实际漏水量，这部分流量不能参与换热，其流向可能是从3点流向8点，也可
能是从8点流向3点，本文规定前者流量为正，后者流量为负。同时称0380−−−管路为

基金项目：国家自然科学基金委员会资助项目（50578048）；北京市“供热、供燃气、通风及空调工程”重
点实验室开放课题（KF200503）
☆张承虎，男，1980年2月生，博士研究生，150090哈尔滨工业大学二区市政环境工程学院2651#
[phone]，13766830371
E-mail:[e-mail];
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一级管路，3568−−−管路为二级管路。
该双级水泵污水子系统的另一个特点也是由于水力连续排污装置自身的结构和工艺特
−
点决定的，即旁路38的阻抗S38非常小，一般为换热器阻抗Sh的千分之一到百分之一。旁
路小阻抗这一特点导致了流量分配严重不平衡，同时也决定了该系统不是一个稳定的系统。
()()
影响流量分配平衡性的另一个重要因素就是各级水泵的流量—扬程函数HQ1S、HQ2U。
β=
采用流量系数QQSU作为系统流量分配的设计参数，同时它也是评判系统设计和运行是
否合理的重要指标[9]。
根据基尔霍夫（Kirchhoff）定律[10]，可列如下三个方程：
=+
QQQSLU
−++2−=
HQ1()(SSLLS01238038SS)QSQQ0
−+++2+=
HQSSSSQSQQ234457838()(UhULL)0
++
为了简化计算，用S1表示一级管路的总阻抗SSS012380，用S2表示二级管路的总阻抗
+++
SSSS344578h，用SL表示内部漏水阻抗S38，并代入流量系数公式，可简化得到：
β=()β>
QQSU0（1）

ββ−−−−=22ββ2
HQ11()UULUSQS(1)1Q0（2）

−+−−=22ββ
HQ22()UULSQS(1)1QU0（3）

2一般性理论分析

污水子系统在设计时必须保证工程冷热负荷对进入换热器的污水流量和水温的要求，即
>β>
QQUd（设计负荷对应的设计流量），且1.0（保证没有回流混水降低水温）。理论上，
β==∆=
1.0时，QL0，且3点与8点之间的压差HL0，此时系统耗功最少。但是由于调试
∆≠∆
过程中压力表测量误差的存在，HL0。虽然HL可能会很小，但是由于SL也是很小的量，