反冲洗降膜式污水源热泵机组供热性能实验测试

张群力，杨一雄，张新超，刘芳

（1 北京建筑大学供热、供燃气、通风与空调工程北京市重点实验室，北京 100044；2 北京建筑大学北京节能减排与城乡可持续发展省部共建协同创新中心，北京 100044；3 湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082）

城市污水具有温度相对稳定的特点，是一种应用潜力大且优良的低品位热源。污水源热泵可以高效利用城市污水低品位热能为建筑供热和制冷。污水源热泵供热和制冷方式在世界上得到了较为广泛的应用。瑞典是最早将污水源热泵系统应用到城市区域供热的国家，世界上第一个被正式投入运营的污水源热泵系统就是在瑞典的斯德哥尔摩Sala镇，经过五年的发展，瑞典用于供热的污水源热泵系统的装机容量大约为541.3MW。1983年在奥斯陆开始运营的污水源热泵系统是挪威的第一个城市污水源热泵系统。我国污水源热泵技术的实际应用工程也较多。在21世纪初期，秦皇岛的一个污水处理厂附近建造了国内第一个污水源热泵机组的实验系统，至今仍运行状态良好。北京南站的污水源热泵系统是国内早期较大的污水热能利用系统。哈尔滨某商场建立了回收原生污水中余热的原生污水源热泵系统。通常污水源热泵供热应用会面临污水源热泵能效提升和供热系统运行稳定性的问题。污水水质差、易堵塞和结垢的问题也会对污水源热泵机组换热器的传热性能产生影响，降低污水源热泵机组的运行可靠性。目前污水源热泵系统多采用满液式污水蒸发器，而降膜式蒸发器能使制冷剂在换热管外壁形式薄液膜，其蒸发热阻小，是一种高效的蒸发形式，能够产生较高的传热系数。冀文涛等对降膜蒸发器进行了很多的实验，研究了在水平管降膜式蒸发器中分别使用R134a和R123制冷剂其性能的变化、在水平增强管束中使用高压制冷剂R32和R410A时具有核沸腾的水平管降膜式蒸发器的总传热系数变化以及在单管束中向下蒸汽流对水平管降膜蒸发器性能的影响，并总结了局部管束平均传热系数随蒸汽速度的变化规律。

为提高现有污水源热泵机组的供热效率，本文提出利用水平管降膜式蒸发器替换满液式蒸发器。研发了反冲洗水平管降膜式污水源热泵供热机组，并在污水利用现场建立了污水源热泵机组供热实验系统，对比分析了降膜式污水蒸发器与满液式污水蒸发器的换热性能和热泵机组供热性能的差异。在污水源热泵机组蒸发器的污水侧安装了原生污水反冲洗装置，定期切换污水流向对污水蒸发器进行反向冲洗，可以减少污水蒸发器的堵塞现象，提高污水蒸发器的传热系数，提高直接换热式原生污水源热泵机组的供热性能。

1 降膜式污水源热泵机组供热实验系统

为对比分析实际污水工况下污水源热泵机组的性能，本文在北京某住宅小区供热现场搭建了可以对照不同蒸发器类型的污水源热泵机组供热性能的实验平台，该供热机组与既有污水源热泵机组并联供热，为供热用户提供热量。污水源热泵机组北部的城市排水管网中的实际污水流量为4000～5000m/h，冬季污水的温度为12～19℃，夏季污水的温度为22～28℃，污水的pH为中性。

1.1 实验系统工作原理与构成

通常热泵机组的蒸发器分为干式蒸发器、满液式蒸发器和降膜式蒸发器等型式。目前污水源热泵系统多采用满液式污水蒸发器，该类型蒸发器的传热系数低、体积大、制冷剂充灌量大，增加了现场安装空间难度。降膜式蒸发器具有温差小、传热系数高、结构紧凑、制冷剂充灌量低等优点，可以有效提高污水源热泵机组的供热性能。该实验系统的原理如图1所示。

图1 水平管降膜式污水源热泵实验系统原理

污水源热泵实验系统主要由污水反冲洗系统、降膜式系统、满液式系统和数据采集与控制系统组成。其中污水反冲洗系统是由安装在污水换热器进出口的4个电磁阀和控制柜组成，通过控制电磁阀不同的开关组合，形成对污水换热器的反冲洗，控制柜中的时间继电器来控制相应的开关，可以通过设置不同的切换时间间隔来改变系统的反冲洗频率。在降膜式蒸发器工作流程中，经压缩机压缩后的制冷剂将依次经过冷凝器和膨胀阀后，进入水平管降膜式污水蒸发器内与污水进行换热，吸热后的制冷剂气体再进入压缩机完成工作循环。表1为水平管降膜式污水蒸发器的结构尺寸。

表1 水平管降膜式污水蒸发器结构尺寸

在满液式蒸发器工作流程中，制冷剂经膨胀阀后将进入满液式污水蒸发器内与污水进行换热，吸热后的制冷剂气体再进入压缩机完成工作循环。表2为满液式污水蒸发器的结构尺寸。

表2 满液式污水蒸发器结构尺寸

为防止换热器堵塞，在换热器污水进口处设置有污水反冲洗装置，该装置是由四通旋堵将污水换热器污水进出口和污水管网供回水管连接，通过改变四通旋堵的方向来切换污水进口中污水的流向，从而起到对换热器反冲洗的作用。表3为该实验污水源热泵机组的设计参数。

表3 污水源热泵机组的设计参数

为更加真实准确反映实际污水工况下的机组运行性能差异，在实际住宅污水热能利用现场搭建了50kW 供热量的反冲洗降膜式污水源热泵机组供热实验系统，并对该实验系统在降膜式蒸发器和满液式蒸发器流程下的实际运行性能进行对比测试研究。对不同反冲洗频率和时间对污水源热泵机组供热性能的影响进行了实验研究。实验系统的实物如图2所示。

图2 水平管降膜式蒸发器污水源热泵系统

1.2 实验系统测试方法

本实验所需的温度和流量数据通过在污水热交换器、热泵系统等主要设施的进出口处添加的数据监测和储存设备获得，对该实验系统在运行中的污水流量、污水供回水温度、供热热水流量、供热供回水温度、系统蒸发温度和系统功率进行了记录，记录时间间隔为5min。通过切换降膜式污水蒸发器与满液式污水蒸发器的运行，对两者的性能进行对比。以供热回水温度作为该机组开启与否的判断条件，设定目标温度为50℃，当供热回水温度高于50℃时，机组停止运行。

该实验使用热电偶温度计来测量污水的温度、供热的温度和压缩机进出口制冷剂的温度，使用电磁流量计测量污水的流量，使用压力传感器测量蒸发器和冷凝器的进出口压力。表4提供了测量仪器名称及精度。

表4 测量仪器名称及其精度

根据《实用供热空调设计手册》，热泵系统的供热量计算方法如下。

根据测试所得污水侧进出口温度和流量，可按照式(1)计算出蒸发器吸收的热量。

式中，为污水源热泵冷凝器的放热量，kW；为冷凝器中污水的平均比热容，kJ/(kg·℃)；为冷凝器中热水流量，kg/s；为冷凝器中热水进口温度，℃；为冷凝器中热水出口温度，℃。

污水源热泵机组供热系数可根据式(3)计算。

式中，为热交换器中制冷剂的蒸发温度，℃。

在表4中已经列出了各个仪器的精度范围，根据测量仪器的精度，采用Bevington和Robinson等的方法来计算实验数据的误差传递。表5提供了实验数据的扩展不确定度，置信度为95%。

表5 实验数据的扩展不确定度

通过计算可知，蒸发器的换热量、冷凝器的换热量、污水源热泵机组的供热系数以及污水换热器的总传热系数的不确定度均在±5%以内，说明从该系统中获取的数据误差在合理范围之内。

2 机组供热性能对比

分别测试了热泵系统在降膜模式、满液模式和反冲洗模式下的运行状态，并记录了各个参数的变化进行分析。

2.1 降膜式蒸发器的传热性能

该水平管降膜式污水蒸发器中的污水进出口设置为上下进出，实验中对该系统从开机调试到系统稳定运行过程均进行了监测，整个过程可以分为调试阶段、污水上进下出阶段和污水下进上出三个阶段。

如图3所示，降膜式污水蒸发器在运行时需要经过较长时间的调试，使制冷剂能够在污水管外壁形成均匀稳定的薄膜，才能达到最佳性能；该降膜式污水蒸发器在稳定运行时，平均传热系数约为1960.90W/(m·℃)，最大能够达到2210.23W/(m·℃)；如图4所示，当把系统切换到满液模式时，满液式污水蒸发器可以较快达到最佳性能，然而当系统稳定运行时，满液式污水蒸发器的平均传热系数约为1224.28W/(m·℃)。降膜式污水蒸发器的平均传热系数比满液式污水蒸发器的平均传热系数高了60.17%。在降膜式蒸发器运行模式下其传热系数表现出了较大波动，这些波动可能有两个原因：①该机组为实验机组，降膜式蒸发器的规模较小，实际运行时的降膜效果不太理想；②由于该机组需要在降膜模式和满液模式之间切换，制冷剂的充注量可能较多，降膜效果减弱。

图3 降膜式污水蒸发器传热系数的变化

图4 满液式污水蒸发器传热系数的变化

2.2 降膜式污水源热泵机组的供热性能

通过对污水供回水温度、污水流量、供热供回水温度、供热热水流量和系统功率的监测和分析得到了不同模式下污水源热泵机组的供热性能变化情况，如图5、图6 所示。在降膜模式下供热供水温度平均值为41.8℃，回水平均温度为38.2℃。在满液模式下，供热供水温度平均值为45.4℃，回水平均温度为42.1℃。

如图5所示，该热泵机组在降膜模式下稳定运行时，其平均供热性能系数COP 为4.6；如图6 所示，该热泵机组在满液模式下运行时，其平均供热性能系数COP 为4.2。降膜式污水源热泵机组的平均供热性能系数比满液式污水源热泵机组的平均供热性能系数提高了9.52%。

图5 降膜式污水源热泵机组的供热性能变化

图6 满液式污水源热泵机组的供热性能变化

2.3 反冲洗频率实验

2.3.1 反冲洗模式下传热系数的变化

由于该降膜式污水蒸发器的污水进出口是上下进出，污水流向的改变也会对蒸发器和机组的性能产生影响。为验证污水反冲洗的频率对污水源热泵系统性能的影响，确定了不同的反冲洗频率，设置反洗时间间隔分别为20min、30min、40min、50min 和60min 来进行实验。在污水上进下出阶段和下进上出阶段之间交替进行反洗实验，每个阶段持续一个反洗间隔，通过手动调节阀门来改变流向。该系统在降膜模式下运行，从污水下进上出的阶段开始测试。如图7为该降膜式污水源热泵系统在不同的反冲洗时间间隔下传热系数的变化。

从图7可以看出，降膜式污水蒸发器的传热系数在污水下进上出阶段总是要低于污水上进下出阶段。当反冲洗时间间隔为20min时，降膜式污水蒸发器在污水下进上出阶段的传热系数平均值为1072.8W/(m·℃)，在上进下出阶段的传热系数平均值为1516.4W/(m·℃)，高约41.3%；当反冲洗时间间隔为30min时，降膜式污水蒸发器在污水下进上出阶段的传热系数平均值为1002.8W/(m·℃)，在上进下出阶段的传热系数平均值为1440.3W/(m·℃)，高约43.6%；当反冲洗时间间隔为40min 时，降膜式污水蒸发器在污水下进上出阶段的传热系数平均值为1019.2W/(m·℃)，在上进下出阶段的传热系数平均值为1472.0W/(m·℃)，高约44.4%；当反冲洗时间间隔为50min时，降膜式污水蒸发器在污水下进上出阶段的传热系数平均值为1073.8W/(m·℃)，在上进下出阶段的传热系数平均值为1533.9W/(m·℃)，高约42.9%；当反冲洗时间间隔为60min 时，降膜式污水蒸发器在污水下进上出阶段的传热系数平均值为1164.7W/(m·℃)，在上进下出阶段的传热系数平均值为1526.2W/(m·℃)，高约31%。因此，系统应采用污水上进下出的模式运行，在进行污水反冲洗时，为确保传热系数不会减小，反冲洗的时间应尽可能短。

图7 在不同的反冲洗时间间隔下传热系数的变化

2.3.2 反冲洗模式下污水流量的变化

在污水上进下出阶段和下进上出阶段之间交替进行反冲洗模式下污水流量变化的实验，每个阶段持续一个反冲洗间隔，通过手动调节阀门来改变污水流向。该系统在降膜模式下运行，从污水下进上出的阶段开始测试。如图8为该降膜式污水源热泵系统在不同的反冲洗时间间隔下污水流量的变化。反冲洗时间间隔依然为20min、30min、40min、50min和60min。

由图8可知，当反冲洗的时间间隔为20min时，污水流量的变化范围为10.2～10.5m/h，平均值为10.31m/h；当反冲洗的时间间隔为30min时，污水流量的变化范围为10.1～10.5m/h，平均值为10.26m/h；当反冲洗的时间间隔为40min时，污水流量的变化范围为10.1～10.5m/h，平均值为10.28m/h；当反冲洗的时间间隔为50min 时，污水流量的变化范围为10.1～10.5m/h，平均值为10.25m/h；当反冲洗的时间间隔为60min 时，污水流量的变化范围为9.9～10.4m/h，平均值为10.08m/h。通过对实验结果的分析可知，在进行反冲洗之后，系统中的污水流量稳定，反冲洗模式有效防止了系统中污垢的形成。

图8 在不同的反冲洗时间间隔下污水流量的变化

为了观察反冲洗模式长期的防堵效果，分别在30min 和40min 的时间间隔下再次进行了反冲洗实验，结果如图9所示。从图9上部分可以看出，污水流量的平均值为9.7m/h，如果测试装置没有进行反冲洗，无论是在污水上进下出阶段还是在污水下进上出阶段，污水源热泵都将逐渐被污垢阻塞，污水流量将逐渐减少，并最终在低于机组流量限制时停止。从图9下部分可以看出，当反冲洗时间间隔为30min时，污水流量的平均值为10.13m/h，当反冲洗时间间隔为40min时，污水流量的平均值为10.28m/h，均要优于没有进行反冲洗的实验工况。因此，反冲洗可以有效防止污水源热泵长时间运行时污水管内的结垢。

图9 在不同运行方式下污水流量的变化

3 结论

为了提高原生污水源热泵机组回收城市污水余热的能效，本文提出一种反冲洗降膜式污水源热泵机组，并在污水利用现场建立了污水源热泵机组供热实验平台，对比分析了降膜式污水蒸发器与满液式污水蒸发器的换热性能和热泵机组供热性能的差异。针对污水源热泵容易存在结垢的问题，在污水源热泵机组蒸发器的污水侧部分增加了反冲洗系统，防止污水换热管的堵塞，提高污水源热泵机组的供热性能。主要结论如下。

（1）降膜式污水蒸发器可以获得比传统满液式污水蒸发器更好的传热性能。在相同的运行条件下，待机组稳定运行后，降膜式污水蒸发器的平均传热系数可达1960.90W/(m·℃)，而满液式污水蒸发器的平均传热系数仅为1224.28W/(m·℃)，降膜式污水蒸发器的平均传热系数比满液式污水蒸发器的平均传热系数提高了60.17%，降膜式蒸发器的传热性能要明显优于满液式蒸发器。

（2）比较了热泵机组在降膜模式下和满液模式下的供热性能变化情况。在机组稳定运行后，降膜模式下机组的平均供热性能系数为4.6，满液模式下机组的平均供热性能系数为4.2，降膜模式下机组的平均供热性能系数比满液模式下的平均供热性能系数提高了9.52%，与采用满液式蒸发器的污水源热泵机组相比，采用降膜式蒸发器的污水源热泵机组具有更好的供热性能。

（3）污水反冲洗可以有效防止直接换热式污水源热泵机组管道的堵塞。当污水下进上出时会导致污水降膜蒸发器的总传热系数降低，因此在降膜式污水蒸发器中使用反冲洗模式时，反冲洗的持续时间应尽可能短，从而确保系统中的污水流量稳定，并且降膜式蒸发器的平均传热系数不会降低。