反沖洗降膜式污水源熱泵機組供熱性能實驗測試

張群力，楊一雄，張新超，劉芳

（1 北京建筑大學供熱、供燃氣、通風與空調工程北京市重點實驗室，北京 100044；2 北京建筑大學北京節(jié)能減排與城鄉(xiāng)可持續(xù)發(fā)展省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100044；3 湖南大學土木工程學院，湖南 長沙 410082）

城市污水具有溫度相對穩(wěn)定的特點，是一種應用潛力大且優(yōu)良的低品位熱源。污水源熱泵可以高效利用城市污水低品位熱能為建筑供熱和制冷。污水源熱泵供熱和制冷方式在世界上得到了較為廣泛的應用。瑞典是最早將污水源熱泵系統(tǒng)應用到城市區(qū)域供熱的國家，世界上第一個被正式投入運營的污水源熱泵系統(tǒng)就是在瑞典的斯德哥爾摩Sala鎮(zhèn)，經(jīng)過五年的發(fā)展，瑞典用于供熱的污水源熱泵系統(tǒng)的裝機容量大約為541.3MW。1983年在奧斯陸開始運營的污水源熱泵系統(tǒng)是挪威的第一個城市污水源熱泵系統(tǒng)。我國污水源熱泵技術的實際應用工程也較多。在21世紀初期，秦皇島的一個污水處理廠附近建造了國內第一個污水源熱泵機組的實驗系統(tǒng)，至今仍運行狀態(tài)良好。北京南站的污水源熱泵系統(tǒng)是國內早期較大的污水熱能利用系統(tǒng)。哈爾濱某商場建立了回收原生污水中余熱的原生污水源熱泵系統(tǒng)。通常污水源熱泵供熱應用會面臨污水源熱泵能效提升和供熱系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的問題。污水水質差、易堵塞和結垢的問題也會對污水源熱泵機組換熱器的傳熱性能產(chǎn)生影響，降低污水源熱泵機組的運行可靠性。目前污水源熱泵系統(tǒng)多采用滿液式污水蒸發(fā)器，而降膜式蒸發(fā)器能使制冷劑在換熱管外壁形式薄液膜，其蒸發(fā)熱阻小，是一種高效的蒸發(fā)形式，能夠產(chǎn)生較高的傳熱系數(shù)。冀文濤等對降膜蒸發(fā)器進行了很多的實驗，研究了在水平管降膜式蒸發(fā)器中分別使用R134a和R123制冷劑其性能的變化、在水平增強管束中使用高壓制冷劑R32和R410A時具有核沸騰的水平管降膜式蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)變化以及在單管束中向下蒸汽流對水平管降膜蒸發(fā)器性能的影響，并總結了局部管束平均傳熱系數(shù)隨蒸汽速度的變化規(guī)律。

為提高現(xiàn)有污水源熱泵機組的供熱效率，本文提出利用水平管降膜式蒸發(fā)器替換滿液式蒸發(fā)器。研發(fā)了反沖洗水平管降膜式污水源熱泵供熱機組，并在污水利用現(xiàn)場建立了污水源熱泵機組供熱實驗系統(tǒng)，對比分析了降膜式污水蒸發(fā)器與滿液式污水蒸發(fā)器的換熱性能和熱泵機組供熱性能的差異。在污水源熱泵機組蒸發(fā)器的污水側安裝了原生污水反沖洗裝置，定期切換污水流向對污水蒸發(fā)器進行反向沖洗，可以減少污水蒸發(fā)器的堵塞現(xiàn)象，提高污水蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)，提高直接換熱式原生污水源熱泵機組的供熱性能。

1 降膜式污水源熱泵機組供熱實驗系統(tǒng)

為對比分析實際污水工況下污水源熱泵機組的性能，本文在北京某住宅小區(qū)供熱現(xiàn)場搭建了可以對照不同蒸發(fā)器類型的污水源熱泵機組供熱性能的實驗平臺，該供熱機組與既有污水源熱泵機組并聯(lián)供熱，為供熱用戶提供熱量。污水源熱泵機組北部的城市排水管網(wǎng)中的實際污水流量為4000～5000m/h，冬季污水的溫度為12～19℃，夏季污水的溫度為22～28℃，污水的pH為中性。

1.1 實驗系統(tǒng)工作原理與構成

通常熱泵機組的蒸發(fā)器分為干式蒸發(fā)器、滿液式蒸發(fā)器和降膜式蒸發(fā)器等型式。目前污水源熱泵系統(tǒng)多采用滿液式污水蒸發(fā)器，該類型蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)低、體積大、制冷劑充灌量大，增加了現(xiàn)場安裝空間難度。降膜式蒸發(fā)器具有溫差小、傳熱系數(shù)高、結構緊湊、制冷劑充灌量低等優(yōu)點，可以有效提高污水源熱泵機組的供熱性能。該實驗系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 水平管降膜式污水源熱泵實驗系統(tǒng)原理

污水源熱泵實驗系統(tǒng)主要由污水反沖洗系統(tǒng)、降膜式系統(tǒng)、滿液式系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)組成。其中污水反沖洗系統(tǒng)是由安裝在污水換熱器進出口的4個電磁閥和控制柜組成，通過控制電磁閥不同的開關組合，形成對污水換熱器的反沖洗，控制柜中的時間繼電器來控制相應的開關，可以通過設置不同的切換時間間隔來改變系統(tǒng)的反沖洗頻率。在降膜式蒸發(fā)器工作流程中，經(jīng)壓縮機壓縮后的制冷劑將依次經(jīng)過冷凝器和膨脹閥后，進入水平管降膜式污水蒸發(fā)器內與污水進行換熱，吸熱后的制冷劑氣體再進入壓縮機完成工作循環(huán)。表1為水平管降膜式污水蒸發(fā)器的結構尺寸。

表1 水平管降膜式污水蒸發(fā)器結構尺寸

在滿液式蒸發(fā)器工作流程中，制冷劑經(jīng)膨脹閥后將進入滿液式污水蒸發(fā)器內與污水進行換熱，吸熱后的制冷劑氣體再進入壓縮機完成工作循環(huán)。表2為滿液式污水蒸發(fā)器的結構尺寸。

表2 滿液式污水蒸發(fā)器結構尺寸

為防止換熱器堵塞，在換熱器污水進口處設置有污水反沖洗裝置，該裝置是由四通旋堵將污水換熱器污水進出口和污水管網(wǎng)供回水管連接，通過改變四通旋堵的方向來切換污水進口中污水的流向，從而起到對換熱器反沖洗的作用。表3為該實驗污水源熱泵機組的設計參數(shù)。

表3 污水源熱泵機組的設計參數(shù)

為更加真實準確反映實際污水工況下的機組運行性能差異，在實際住宅污水熱能利用現(xiàn)場搭建了50kW 供熱量的反沖洗降膜式污水源熱泵機組供熱實驗系統(tǒng)，并對該實驗系統(tǒng)在降膜式蒸發(fā)器和滿液式蒸發(fā)器流程下的實際運行性能進行對比測試研究。對不同反沖洗頻率和時間對污水源熱泵機組供熱性能的影響進行了實驗研究。實驗系統(tǒng)的實物如圖2所示。

圖2 水平管降膜式蒸發(fā)器污水源熱泵系統(tǒng)

1.2 實驗系統(tǒng)測試方法

本實驗所需的溫度和流量數(shù)據(jù)通過在污水熱交換器、熱泵系統(tǒng)等主要設施的進出口處添加的數(shù)據(jù)監(jiān)測和儲存設備獲得，對該實驗系統(tǒng)在運行中的污水流量、污水供回水溫度、供熱熱水流量、供熱供回水溫度、系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和系統(tǒng)功率進行了記錄，記錄時間間隔為5min。通過切換降膜式污水蒸發(fā)器與滿液式污水蒸發(fā)器的運行，對兩者的性能進行對比。以供熱回水溫度作為該機組開啟與否的判斷條件，設定目標溫度為50℃，當供熱回水溫度高于50℃時，機組停止運行。

該實驗使用熱電偶溫度計來測量污水的溫度、供熱的溫度和壓縮機進出口制冷劑的溫度，使用電磁流量計測量污水的流量，使用壓力傳感器測量蒸發(fā)器和冷凝器的進出口壓力。表4提供了測量儀器名稱及精度。

表4 測量儀器名稱及其精度

根據(jù)《實用供熱空調設計手冊》，熱泵系統(tǒng)的供熱量計算方法如下。

根據(jù)測試所得污水側進出口溫度和流量，可按照式(1)計算出蒸發(fā)器吸收的熱量。

式中，為污水源熱泵冷凝器的放熱量，kW；為冷凝器中污水的平均比熱容，kJ/(kg·℃)；為冷凝器中熱水流量，kg/s；為冷凝器中熱水進口溫度，℃；為冷凝器中熱水出口溫度，℃。

污水源熱泵機組供熱系數(shù)可根據(jù)式(3)計算。

式中，為熱交換器中制冷劑的蒸發(fā)溫度，℃。

在表4中已經(jīng)列出了各個儀器的精度范圍，根據(jù)測量儀器的精度，采用Bevington和Robinson等的方法來計算實驗數(shù)據(jù)的誤差傳遞。表5提供了實驗數(shù)據(jù)的擴展不確定度，置信度為95%。

表5 實驗數(shù)據(jù)的擴展不確定度

通過計算可知，蒸發(fā)器的換熱量、冷凝器的換熱量、污水源熱泵機組的供熱系數(shù)以及污水換熱器的總傳熱系數(shù)的不確定度均在±5%以內，說明從該系統(tǒng)中獲取的數(shù)據(jù)誤差在合理范圍之內。

2 機組供熱性能對比

分別測試了熱泵系統(tǒng)在降膜模式、滿液模式和反沖洗模式下的運行狀態(tài)，并記錄了各個參數(shù)的變化進行分析。

2.1 降膜式蒸發(fā)器的傳熱性能

該水平管降膜式污水蒸發(fā)器中的污水進出口設置為上下進出，實驗中對該系統(tǒng)從開機調試到系統(tǒng)穩(wěn)定運行過程均進行了監(jiān)測，整個過程可以分為調試階段、污水上進下出階段和污水下進上出三個階段。

如圖3所示，降膜式污水蒸發(fā)器在運行時需要經(jīng)過較長時間的調試，使制冷劑能夠在污水管外壁形成均勻穩(wěn)定的薄膜，才能達到最佳性能；該降膜式污水蒸發(fā)器在穩(wěn)定運行時，平均傳熱系數(shù)約為1960.90W/(m·℃)，最大能夠達到2210.23W/(m·℃)；如圖4所示，當把系統(tǒng)切換到滿液模式時，滿液式污水蒸發(fā)器可以較快達到最佳性能，然而當系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，滿液式污水蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)約為1224.28W/(m·℃)。降膜式污水蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)比滿液式污水蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)高了60.17%。在降膜式蒸發(fā)器運行模式下其傳熱系數(shù)表現(xiàn)出了較大波動，這些波動可能有兩個原因：①該機組為實驗機組，降膜式蒸發(fā)器的規(guī)模較小，實際運行時的降膜效果不太理想；②由于該機組需要在降膜模式和滿液模式之間切換，制冷劑的充注量可能較多，降膜效果減弱。

圖3 降膜式污水蒸發(fā)器傳熱系數(shù)的變化

圖4 滿液式污水蒸發(fā)器傳熱系數(shù)的變化

2.2 降膜式污水源熱泵機組的供熱性能

通過對污水供回水溫度、污水流量、供熱供回水溫度、供熱熱水流量和系統(tǒng)功率的監(jiān)測和分析得到了不同模式下污水源熱泵機組的供熱性能變化情況，如圖5、圖6 所示。在降膜模式下供熱供水溫度平均值為41.8℃，回水平均溫度為38.2℃。在滿液模式下，供熱供水溫度平均值為45.4℃，回水平均溫度為42.1℃。

如圖5所示，該熱泵機組在降膜模式下穩(wěn)定運行時，其平均供熱性能系數(shù)COP 為4.6；如圖6 所示，該熱泵機組在滿液模式下運行時，其平均供熱性能系數(shù)COP 為4.2。降膜式污水源熱泵機組的平均供熱性能系數(shù)比滿液式污水源熱泵機組的平均供熱性能系數(shù)提高了9.52%。

圖5 降膜式污水源熱泵機組的供熱性能變化

圖6 滿液式污水源熱泵機組的供熱性能變化

2.3 反沖洗頻率實驗

2.3.1 反沖洗模式下傳熱系數(shù)的變化

由于該降膜式污水蒸發(fā)器的污水進出口是上下進出，污水流向的改變也會對蒸發(fā)器和機組的性能產(chǎn)生影響。為驗證污水反沖洗的頻率對污水源熱泵系統(tǒng)性能的影響，確定了不同的反沖洗頻率，設置反洗時間間隔分別為20min、30min、40min、50min 和60min 來進行實驗。在污水上進下出階段和下進上出階段之間交替進行反洗實驗，每個階段持續(xù)一個反洗間隔，通過手動調節(jié)閥門來改變流向。該系統(tǒng)在降膜模式下運行，從污水下進上出的階段開始測試。如圖7為該降膜式污水源熱泵系統(tǒng)在不同的反沖洗時間間隔下傳熱系數(shù)的變化。

從圖7可以看出，降膜式污水蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)在污水下進上出階段總是要低于污水上進下出階段。當反沖洗時間間隔為20min時，降膜式污水蒸發(fā)器在污水下進上出階段的傳熱系數(shù)平均值為1072.8W/(m·℃)，在上進下出階段的傳熱系數(shù)平均值為1516.4W/(m·℃)，高約41.3%；當反沖洗時間間隔為30min時，降膜式污水蒸發(fā)器在污水下進上出階段的傳熱系數(shù)平均值為1002.8W/(m·℃)，在上進下出階段的傳熱系數(shù)平均值為1440.3W/(m·℃)，高約43.6%；當反沖洗時間間隔為40min 時，降膜式污水蒸發(fā)器在污水下進上出階段的傳熱系數(shù)平均值為1019.2W/(m·℃)，在上進下出階段的傳熱系數(shù)平均值為1472.0W/(m·℃)，高約44.4%；當反沖洗時間間隔為50min時，降膜式污水蒸發(fā)器在污水下進上出階段的傳熱系數(shù)平均值為1073.8W/(m·℃)，在上進下出階段的傳熱系數(shù)平均值為1533.9W/(m·℃)，高約42.9%；當反沖洗時間間隔為60min 時，降膜式污水蒸發(fā)器在污水下進上出階段的傳熱系數(shù)平均值為1164.7W/(m·℃)，在上進下出階段的傳熱系數(shù)平均值為1526.2W/(m·℃)，高約31%。因此，系統(tǒng)應采用污水上進下出的模式運行，在進行污水反沖洗時，為確保傳熱系數(shù)不會減小，反沖洗的時間應盡可能短。

圖7 在不同的反沖洗時間間隔下傳熱系數(shù)的變化

2.3.2 反沖洗模式下污水流量的變化

在污水上進下出階段和下進上出階段之間交替進行反沖洗模式下污水流量變化的實驗，每個階段持續(xù)一個反沖洗間隔，通過手動調節(jié)閥門來改變污水流向。該系統(tǒng)在降膜模式下運行，從污水下進上出的階段開始測試。如圖8為該降膜式污水源熱泵系統(tǒng)在不同的反沖洗時間間隔下污水流量的變化。反沖洗時間間隔依然為20min、30min、40min、50min和60min。

由圖8可知，當反沖洗的時間間隔為20min時，污水流量的變化范圍為10.2～10.5m/h，平均值為10.31m/h；當反沖洗的時間間隔為30min時，污水流量的變化范圍為10.1～10.5m/h，平均值為10.26m/h；當反沖洗的時間間隔為40min時，污水流量的變化范圍為10.1～10.5m/h，平均值為10.28m/h；當反沖洗的時間間隔為50min 時，污水流量的變化范圍為10.1～10.5m/h，平均值為10.25m/h；當反沖洗的時間間隔為60min 時，污水流量的變化范圍為9.9～10.4m/h，平均值為10.08m/h。通過對實驗結果的分析可知，在進行反沖洗之后，系統(tǒng)中的污水流量穩(wěn)定，反沖洗模式有效防止了系統(tǒng)中污垢的形成。

圖8 在不同的反沖洗時間間隔下污水流量的變化

為了觀察反沖洗模式長期的防堵效果，分別在30min 和40min 的時間間隔下再次進行了反沖洗實驗，結果如圖9所示。從圖9上部分可以看出，污水流量的平均值為9.7m/h，如果測試裝置沒有進行反沖洗，無論是在污水上進下出階段還是在污水下進上出階段，污水源熱泵都將逐漸被污垢阻塞，污水流量將逐漸減少，并最終在低于機組流量限制時停止。從圖9下部分可以看出，當反沖洗時間間隔為30min時，污水流量的平均值為10.13m/h，當反沖洗時間間隔為40min時，污水流量的平均值為10.28m/h，均要優(yōu)于沒有進行反沖洗的實驗工況。因此，反沖洗可以有效防止污水源熱泵長時間運行時污水管內的結垢。

圖9 在不同運行方式下污水流量的變化

3 結論

為了提高原生污水源熱泵機組回收城市污水余熱的能效，本文提出一種反沖洗降膜式污水源熱泵機組，并在污水利用現(xiàn)場建立了污水源熱泵機組供熱實驗平臺，對比分析了降膜式污水蒸發(fā)器與滿液式污水蒸發(fā)器的換熱性能和熱泵機組供熱性能的差異。針對污水源熱泵容易存在結垢的問題，在污水源熱泵機組蒸發(fā)器的污水側部分增加了反沖洗系統(tǒng)，防止污水換熱管的堵塞，提高污水源熱泵機組的供熱性能。主要結論如下。

（1）降膜式污水蒸發(fā)器可以獲得比傳統(tǒng)滿液式污水蒸發(fā)器更好的傳熱性能。在相同的運行條件下，待機組穩(wěn)定運行后，降膜式污水蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)可達1960.90W/(m·℃)，而滿液式污水蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)僅為1224.28W/(m·℃)，降膜式污水蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)比滿液式污水蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)提高了60.17%，降膜式蒸發(fā)器的傳熱性能要明顯優(yōu)于滿液式蒸發(fā)器。

（2）比較了熱泵機組在降膜模式下和滿液模式下的供熱性能變化情況。在機組穩(wěn)定運行后，降膜模式下機組的平均供熱性能系數(shù)為4.6，滿液模式下機組的平均供熱性能系數(shù)為4.2，降膜模式下機組的平均供熱性能系數(shù)比滿液模式下的平均供熱性能系數(shù)提高了9.52%，與采用滿液式蒸發(fā)器的污水源熱泵機組相比，采用降膜式蒸發(fā)器的污水源熱泵機組具有更好的供熱性能。

（3）污水反沖洗可以有效防止直接換熱式污水源熱泵機組管道的堵塞。當污水下進上出時會導致污水降膜蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)降低，因此在降膜式污水蒸發(fā)器中使用反沖洗模式時，反沖洗的持續(xù)時間應盡可能短，從而確保系統(tǒng)中的污水流量穩(wěn)定，并且降膜式蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)不會降低。