污水源热泵换热面智能防结垢技术与长期换热稳定性实验研究

摘要

污水源热泵作为水源热泵重要分支，以城市市政原生污水、工业循环废水作为低温热源，热源取用量大且分布广泛，是城镇废热资源化利用的主流技术，但污水水体含有大量悬浮颗粒物、钙镁离子、微生物菌群，换热器换热壁面极易形成泥沙淤积、硬质水垢、生物黏泥三类污垢层，污垢会大幅增大换热热阻，造成热泵制热效率逐年衰减，需要频繁停机拆解清洗换热器，严重影响系统连续运行稳定性。本文对比机械式在线清洗、电化学阴极防垢、疏水防腐涂层三类主流防结垢技术，开展长周期污水工况加速实验，分析单一防垢技术的局限性，提出“防腐疏水基底涂层+电化学主动防垢+周期性流体扰动冲洗"三位一体复合式智能防结垢方案。为期12个月污水工况对比实验表明，复合防垢方案可将换热器年污垢热阻增长率降低85%以上，热泵机组换热性能长期保持稳定，换热器年度停机清洗频次下降90%，极大提升污水源热泵连续运行时长与全生命周期运行能效，为污水源热泵长效稳定运行提供技术解决方案。

关键词：污水源热泵；换热器结垢；电化学防垢；换热稳定性；在线清洗；污水杂质适配性

一、引言

城市污水处理厂、市政污水管网蕴含大量低品位余热，即便在冬季低温环境下，污水水体仍具备5～15℃基础温度，足以作为污水源热泵的取热热源，实现污水废热回收供暖，兼具资源循环利用与节能减排双重优势。相比于中深层地热水源热泵，污水源热泵无需钻探地热深井，热源依托现有市政污水管网，项目初期土建造价更低，在大中型城市城区供暖改造项目中应用越来越广泛。

但污水复杂水质是制约污水源热泵长期运行的核心瓶颈。市政原生污水中包含泥沙悬浮颗粒、碳酸氢钙、碳酸氢镁等易结垢盐类物质、微生物以及微生物代谢形成的黏泥物质。污水流经板式、管壳式换热器换热壁面时，水体温度升高促使矿物质饱和析出结晶，悬浮颗粒物在流道低速区域沉积，微生物附着生长形成生物黏泥，三类污垢相互叠加紧密附着在换热壁表面，形成高隔热性垢层。换热热阻随运行时间不断升高，热泵换热温差持续缩小，机组制热COP逐月下降，能耗不断升高。传统应对方式为每年1～2次停机，对换热器进行化学药剂酸洗或者高压水机械清洗，不仅中断冬季连续供暖，酸洗药剂废液还会造成二次水污染，频繁清洗也会损伤换热器金属板材，缩短换热器使用寿命。

单一防垢技术难以同时应对硬质水垢、泥沙淤积、生物黏泥三类污垢，为解决该行业痛点，本文通过长周期污水工况加速实验，分析各类防垢技术优劣，开发三位一体复合智能防结垢体系，兼顾水垢抑制、泥沙防淤积、抑制生物黏泥生长，保障污水换热器长期换热稳定性。

二、污水换热器三类污垢形成机理与危害

2.1 硬质矿物质水垢

污水水体中溶解大量钙、镁碳酸氢盐，水流进入换热器受热升温后，碳酸氢盐受热分解形成碳酸盐硬质水垢，牢牢附着在换热金属壁面，质地坚硬附着力强，常规水流冲刷无法清除，只能依靠化学酸洗去除，是造成换热热阻升高的最主要因素。

2.2 悬浮泥沙淤积污垢

污水内大量细小泥沙颗粒，在换热器流道转弯、流速放缓区域发生沉降堆积，长期堆积堵塞换热流道，缩小流体过流面积，增大水循环阻力，造成系统水流量不足，换热介质流量失衡，机组换热能力整体下降。

2.3 生物黏泥污垢

污水富含微生物与有机质，换热壁面温度适宜微生物繁衍，微生物菌群附着在管壁形成一层致密黏泥层，黏泥不仅自身有很高热阻，还会捕捉水中细小泥沙与析出盐类晶体，加速复合型污垢层生长，形成“黏泥+水垢+泥沙"的复合污垢层，清理难度远大于单一类型污垢。

三类污垢协同作用下，污水源热泵往往运行1～2个供暖季后，换热效率下降20%～35%，系统失去经济运行价值。

三、三类单一防结垢技术实验性能分析

3.1 机械式在线毛刷清洗技术

依靠电机带动毛刷沿着换热管道往复运动，物理刷除管壁污垢。优势是物理清除泥沙与软性黏泥效果明显；短板在于无法清除硬质水垢，毛刷长期摩擦会划伤换热器金属表面，管壁划痕会成为水垢新附着基点，后期结垢速度更快；设备机械结构复杂，污水腐蚀环境下电机、传动机构故障率高，维护工作量大。

3.2 电化学阴极防垢技术

在换热器管路内置阴阳电极，施加微弱直流电场，改变水体中矿物质离子结晶形态，让钙镁盐以松散絮状结晶漂浮在水体中，而非在管壁结硬垢，抑制硬质水垢效果佳。但电化学方式无法阻挡泥沙颗粒沉降淤积，也不能抑制微生物黏泥生长，泥沙和黏泥依旧会覆盖换热壁面，形成新的换热阻碍。

3.3 疏水防腐涂层技术

在换热器金属内壁喷涂高性能疏水防腐涂层，降低管壁表面能，水垢、黏泥难以附着在涂层表面，水流即可带走大部分松散污垢，同时涂层保护金属基体免受污水腐蚀。短板在于涂层只能被动防附着，水体矿物质依然会持续结晶，长期运行后絮状结晶物会在流道死角堆积形成淤积，无法主动抑制水垢生成。

四、三位一体复合式智能防结垢方案设计

结合三种单一技术的优缺点，取长补短构建复合防垢体系：基底采用疏水防腐涂层作为换热内壁基础层，实现被动防附着、防腐蚀；管路加装电化学防垢装置，主动改变矿物质结晶形态，从源头杜绝硬质水垢产生；系统配套变频循环泵智能流体扰动模块，定时短时间提升管路水流流速，依靠高速水流扰动将管路死角沉积的泥沙、絮状结晶、松散黏泥随污水流体带走，实现周期性自清洁。整套系统联动控制，依托边缘控制器根据换热器进出口温差变化，智能判断污垢发展程度，自适应开启电化学装置与流体扰动冲洗程序，属于主动式智能防垢系统。

整套系统运行逻辑：换热器内壁疏水涂层降低污垢附着力；电化学装置常年低功率运行，将硬质水垢转化为松散絮状物；控制器监测换热温差，当温差小幅上升（预示少量泥沙絮状物堆积），自动调高循环泵转速，高速水流冲刷流道死角，将松散污垢随污水排走，始终保持换热壁面洁净。

五、长周期污水工况实验对比结果

搭建两组一致的管壳式污水换热器热泵实验平台，一组采用传统无防护换热器（对照组），一组采用三位一体复合智能防垢系统（实验组），接入城市市政原生污水开展连续12个月长周期工况实验，每月记录换热器污垢热阻值与机组制热COP。

对照组运行3个月后换热热阻明显上升，运行末期污垢热阻增长幅度达到92%，机组制热COP从初始3.5下降至2.2，全年需要停机酸洗两次；实验组依托复合防垢体系，年末污垢热阻增长率仅为11.8%，换热性能衰减幅度极小，机组COP全年稳定维持在3.2以上，全年无需停机拆解清洗换热器。实验结果证明复合防垢方案可以同时抑制硬质水垢、泥沙淤积、生物黏泥三类污垢，解决单一防垢技术的短板，实现换热器长期换热稳定运行。

六、复合防垢系统配套运行运维策略

1. 电化学装置采用间歇式运行模式，换热温差稳定时低频间歇开启，降低电化学模块能耗；换热温差升高时提升运行功率，强化防垢效果。

2. 流体扰动冲洗避开供暖高峰期，在夜间供暖负荷偏低时段开展短时高速冲洗，避免扰动水流影响建筑供暖稳定性。

3. 每年非供暖季停机对换热器进行一次基础外观检查，查看疏水涂层完整性，出现局部涂层破损时进行局部补涂，维持基底防护性能。

4. 前端增设前置污水粗过滤装置，拦截大体积固体杂物，避免杂物撞击划伤内壁疏水涂层，延长涂层使用寿命。

七、现存不足与后续技术迭代方向

当前复合防垢系统存在两处短板：高性能疏水防腐涂层喷涂工艺要求高，小型板式换热器流道狭窄，内部涂层喷涂施工难度较大；电化学电极长期浸泡在高杂质污水中，电极表面会附着少量杂质，需要定期取出清理电极。后续优化方向：开发可流动式自修复疏水涂层，在管路内随水流流动对磨损涂层进行自主修补；优化电极结构与表面自清洁结构，减少电极杂质附着频次；将防垢系统、热泵机组、污水流量监测系统接入统一运维平台，实现污垢状态远程监测、防垢策略自适应调节；结合污水源换热系统与余热储能系统，实现城市污水余热跨季节利用，进一步提升系统全年综合效益。

八、结论

市政污水水体含有的硬质矿物质盐类、悬浮泥沙、微生物菌群会协同形成复合型污垢层，大幅增大换热器换热热阻，是污水源热泵换热效率逐年衰减、频繁停机清洗的核心诱因。机械式清洗、电化学防垢、疏水涂层三类单一防垢技术仅能针对某一类污垢起到抑制效果，无法应对污水复合型结垢问题。

“疏水防腐涂层基底+电化学主动抑垢+智能流体扰动自清洁"三位一体复合智能防结垢方案，从管壁被动防护、水垢源头抑制、周期性泥沙冲散三个维度形成协同作用，能够同时规避硬质水垢、泥沙淤积、生物黏泥三类污垢的生成与堆积。长周期污水工况实验证明，该复合方案极大抑制了换热器污垢热阻增长，保障污水源热泵机组制热性能长期稳定，大幅减少换热器停机检修频次，避免化学酸洗带来的二次水体污染，延长换热器设备使用寿命。

复合智能防垢方案解决了污水源热泵长期运行换热稳定性难题，让污水余热资源能够被高效、连续、长效资源化利用，提升污水源热泵在城市城区清洁供暖项目中的竞争优势，契合城镇污水资源化与废热节能利用的行业政策导向，具备广泛工程应用价值。后续通过自修复涂层、电极自清洁结构、远程智能联动运维的技术迭代，该防垢体系将会更加智能化、免维护化，推动污水源热泵技术大规模落地普及。

中深层地热井高温多参数感知设备行业关键词汇总

一、核心产品主词

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四、硬件配套组件

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五、软件平台系统

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六、应用场景与井型

中深层水热型地热井、地热供暖井、地热回灌井、地热群井开发、县域集中供热项目、复合热泵地热场站、CCER地热碳减排项目、地热示范工程、存量地热井改造、新建地热井配套、干热岩试验井

七、政策与行业规范

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八、市场规模与行业赛道

地热监测设备市场、地热传感细分赛道、存量井改造市场、新建地热增量市场、政府集采、进口替代、国产高温传感设备、地热装备高景气赛道、设备运维售后市场

九、行业价值与需求痛点

采灌平衡管控、储层水位监测、防止地层串层、保护深井热水泵、降低运维成本、规避超采处罚、消除人工监测数据断层、替代人工测井、地热资源可持续开发、零碳供热配套监测

十、区域市场关键词

京津冀地热市场、山西地热供暖、山东地热监测、陕西关中地热田、河南中原地热、雄安地热示范项目、西安全域地热改造、北方清洁供暖片区

地热井高温水位监测方案

一：项目要求：

近日中石油和中石化地热能单位，向我司咨询地热井高温水位监测方案，要求如下：地热温度100℃左右，氯离子20000毫克/升、线缆长度100米PH值5～6，腐蚀性强，矿化度也比较高，目前河南地区使用，请大家评估预算。线缆进入井中长度100左右，然后地面50—60米进入控制室，按照200米线缆设计。绑在泵管，冬季供暖、夏季制冷监测液位。

地下热水测量液位，由于安装不便，井下有热气，因此手用雷达或者超声波液位计都难以解决液位测量问题。

二：应用领域图

地热井   温泉水等

三：压力传感器设计以及外壳

压力传感器我司专门设计研发，采用新型绝缘硅技术以及耐高温传感器内部填充液，产品可在-45℃----﹢150℃内可靠工作，能够在-25℃--100℃内长期承受高温湿热环境。

传感器外壳采用316L不锈钢材质设计，能够承受水中CL-离子和安装现场PH小于5-6的耐酸性水的侵蚀以及PH大于8耐碱性的水的侵蚀，同时采用传感器全焊接型结构，安全可靠，避免有机物密封材料长期工作时老化实效导致传感器简介损坏。

压力传感器尺寸：

实物图：

四：传感器电路设计特殊要求

传感器采用标准的模拟信号4-20mA输出   传输距离抗干扰型好，普通的液位传感器电路无法满足高温工作环境，只能在-25-85度范围下工作，电路板上器件包含PCB板材料都仅能在一般工艺场合下使用，我们先用-55-150度范围工作的工业级器件  进行精密补偿，可以有效避免高温对电路板以及元器件的损害。高温型电路板现已广泛应用于航海领域  地热探究等项目。

高温测试试验图设备：

特殊电缆设计

电缆采用特殊耐高温  耐腐蚀的PTFE特殊线缆，线缆由由外皮和内芯外皮组成，中间加有2芯钢丝，内置特殊出气管，不会由于长期的拉力或者湿气等导致线缆外径发生变化。

特殊PTFE俗称铁氟龙、特氟龙、泰富龙。它是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力。能在+260度至-196度的温度下连续工作。广泛应用于化工、电子 、电器在，桥梁、纺织、机械和通迅设备行业。

特殊PTFE线缆特性

1.耐腐蚀性：PTFE几乎不受任化学药品与溶剂的腐蚀，可以保护零件免于遭受任何种类的化学腐蚀。
2.绝缘性：PTFE具有很强的介电性能（介电强度为10KV/mm）
3.耐能性:具有优良的耐热和耐低温特性.一般在-196度至-260度之间可以连续使用,它可以在冷冻温度下工作而不脆化,在高温下不熔化
4.润滑和耐磨性:PTFE具有较低的摩擦系数.负载滑动时摩擦系数产生变化,但数值仅在0.05-0.15之间,正是由于其具备较强的润滑性从而在耐磨上也表的很突出.
5.耐大气老化性,耐辐照性和较低的渗透性:长期暴露于大气中表面及性能保持不变.

TD-016C型微功耗自动采集系统云平台介绍

我司这套系统可通过云平台查看数据报表，并可实现微信小程序查看。详见我司NB-GPS微功耗采集系统内容。

云数据查看链接:121.42.42.5(注意:请使用 360 浏览器并且在极速模式 下打开)

云平台界面：

我司深井地热监测产品系列介绍:

1.0-1000 米单点温度检测(普通表和存储表)

2.0-1000 米浅层地温能监测(采集器采用低功耗、携带方便;物联网 GPRS 无线传输至 WEB 端网络;单总线结构，可扩展 128 个点;进口 18B20 高精度传感器，在 10-40 度范围内，精 度在 0.1-0.2 度)

3.0-3000 米单点温度检测(普通显示，只能显示温度，没有存储分析软件功能) 4.0-10000 米分布式多点深层地温监测(采用分布式光纤测温系统)

4. 0-10000 米分布式多点深层地温监测(采用分布式光纤测温系统：分布式光纤温度监测系统细分两大类:1.井筒测试 2.井壁测试)

5.0-1200 米 NB 型液位/温度一体式自动监测系统(同时监测温度和液位两个参数，MAX 耐温 110 摄氏度)

6.0-7000 米全景型耐高温测温成像一体井下电视(同时监测温度和视频图片等)

7. 0-200米地埋管地源热泵系统热响应测试（有车载式／便携式／组合式三种）

有此类深井地温项目，欢迎新老客户朋友垂询!

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