污水源热泵制热工况的实际运行特性分析.pdf

暖通空调年第卷第期 污水源热泵制热工况的 实际运行特性分析 天津大学王晓东 赵力 天津中水有限责任公司李育红 摘要通过对天津市一污水源热泵系统的监测 得到了冬季污水温度的 变化 范 围 热 泵系 统 的实际能效比与蒸发器和冷凝器 的进出 口水温 通过 与热 泵机组样本数据的比较 分析了 普通水源热 泵用作污水源热泵时的性 能差异 指 出了污水源热 泵应用中存在的一些问题并给 出了改进建议 关键词污水源热 泵能效比水源热泵应用 脚 肋明 沁犯由叨 劲朋 山 朋 乙 丫 山朋口 父 旧 一 一 引言 近年来 由于水资源的短缺 污水资源化利用 逐渐受到重视 中水回用技术得到推广 为污水源 热泵技术提供了难得的发展机遇 热泵的技术经济性与低位热源的特点密切相 关 为达到相同的供热温度 低位热源温度越高则 热泵护 值也就越高 对住宅供暖来说 理想的 热泵热源应具有以下特点 一 一 在整个供暖期有较 高且稳定的温度 可大量获得且不具有污染或腐蚀 性 城市污水水温与地域及季节有关 华北地区 城市污水水温 冬季一般不低于 夏季不超过 北京高碑店污水处理厂的长期监测结果显 示 城市污水水温冬季为 一 夏季为 一 城市污水水温还与来源有关 据统计 城市居住区内产生的废热约有会进人城市污 水系统中 随着住宅配套设施的完善 特别是生活 热水的普及 居民生活用热增多 使冬季城市污水 水温进一步提高 从而更适宜作为热泵的热源 日本某公司对不同冷热源方案进行了比较 结 果表明 热泵系统与传统电制冷和燃油锅炉系统相 比 可节约的初投资和的运行费 日本 某污水处理厂采用热泵系统前后两个供暖季的运 行记录显示 热泵系统运行费较锅炉系统大约低 川 文献 以北京为例对污水源热泵与传统 水源热泵 燃气锅 炉分体空调系统进行了比较 计算得出热泵制热系数为 制冷系数为 分体 空调制冷系数为 燃气锅炉效率为 北京市重点实验室开放基金项目编号 王晓东 男 年月生 在读硕士研究生 天津大学机械工程学院热能与制冷程系 收稿日期 一一 修回日期 一一 技术交流暖通空调 采用城市污水作为水源热泵的低位热源具有 一定优势 但是 由于城市污水水质复杂 污水源热 泵一般都采用间接换热的方式运行 传热温差大 热泵效率低 此外 生活污水中含有的氮 磷等营 养元素会使藻类等微生物在换热表面生长形成生 物膜 影响热泵换热效果 因此城市污水源热泵特 别是污水与热泵系统直接换热 在国内应用较少 此外 已发表的文献大都集中在污水源热泵的理论 和经济分析以及系统流程设计上困 尚缺乏对污水 源热泵系统实际运行数据的长期观测和分析 鉴 于上述原因 笔者针对天津市某污水源热泵系统 污水源为污水处理厂二沉池的污水 系统原理图 见图进行了较长时间的实地测量 得到了污水 温度及污水源热泵系统的运行数据 年第卷第期 华 月 污水处理 蒸蒸发器器 一一一一一 蒸发器器几几川川川 热用户 通弓 艺 沉池污水 图污水源热泵系统原理图 污水源热泵系统介绍 该污水源热泵热用户的总建筑面积为 其中用于中水处理 的厂房和生产车间建筑面 积为 办公楼建筑面积为 末端 设备均采用铸铁散热器 总供暖热量约为 考虑同时使用率 选择了台制热量约为 的热泵机组 采用并联设置 为便于调节负 荷 每台热泵机组采取双机头设计热泵机组的冷 凝器 干式蒸发器均为壳 管式换热器污水直接进 人机组蒸发器另外 考虑到原有建筑的供热安 全 选择了高温型热泵 最高温度可达 在低 温供热能够满足供暖要求的情况下可以降低温度 运行 保证较高的热泵效率 污水源热泵系统的具体构成见表 系统运行数据分析 实验采集 和热泵机组的冷凝器和蒸发 器进出口温度及耗电量和各水泵的流量 采样间隔 为 采样时间为年月 日 表污水源热泵系统构成 铭 牌参数备注 高温型水制热量 制冷剂根据冷 凝 器回水温度控制 热泵机组的启 源热泵 压缩机 台 功率停 能 量 调 节 范围为 和 热水循环流量 扬程 二 台 泵功率 污水泵流 量 扬程功 杯机组流量 机组流量 率 脚 补水泵流 量 生 扬程 功 率翩 系统运行数据的选择 原始数据为每记录一次的实验数据 采样 时间间隔相对较 长 且 污水和循环热水的流量很 大 因此水温 的测量误差对数据的可靠性影响较 大 因此 需要从采集的原始数据中找出可用于热 泵供热工况下性能分析的数据 数据筛选的步骤 和原则如下 根据热泵机组蒸发器进出口水温 由公 式 一 为热量 为比热容 为流量 为进出口温差计算出机组的蒸发器吸热量 其中数值小于等于 的剔除 出现这种情况的原 因是当时热泵机组没有运行 根据热泵机组冷凝器进出口水温 由公 式 一 计算出机组的冷凝器放热量 其 中数值小于蒸发器吸热量的数据予以剔除 出现 这种情况的原因主要是温度测量误差 根据热泵机组蒸发器进出口水温 由公 式 一 计算出机组的蒸发器吸热量 其 中数值小于等于 的认为 机组没有开机运行 因此在后来的性能计算时 不考虑机组的影 响 根据热泵机组冷凝器进出口水温 由公 式 一 计算出机组的冷凝器放热量 其 中数值小于等于 的认为 机组没有开机运行 数值大于 但是小于蒸发器吸热量的 认为机 组没有运行 只考虑机组 原始数据中耗电量是用倍率为的电表 测得的 且每记录一次 因此 每次记录的数 据值弋减去前一次记 录的数据值 一 再乘以 即为此内的用电量 此时段内平均耗电功 率为 一 一 根据上述步骤对数据进行筛选 得到组可 用数据 其中机组单独运行时的数据组 两机组同时运行时的数据组 另得到组蒸 暖通空调年第卷第期技术交流 发器进口污水温度数据 由于没有采用中间换热 器 所以该温度数据可 近似认为是原生 污水 的温 度 图给出了污水温度随时间的变化趋势 可以 发现污水的温度最低接近 大部分保持在 以 卜 非常适合作为热泵系统的低温热源 得到对应实际工况下的机组制热量为 压 缩机功耗为高于额定功耗 制热系 数为 考虑到污水泵和热水循环泵的功耗 能效比应为 根据筛选得到的实验数据计算出机组单 独运行的情况下 单位时间内冷凝器的制热量及单 位时间内系统的功耗 则系统的实际能效比 砍 一冷凝器的制热量 系统的功耗 对组数据分别进行计算后 系统的实际能 效比分布见图 尸赵龙一汤 价 犷亩丽而亩丽砚前丽而煎访廊而 时 图污水温度变化 机组单独运行情况分析 根据筛选得到的实验数据 蒸发器进出口和冷 凝器进出口水温如图所示 可以发现蒸发器 的 进口温度相对稳定 在 左右 而蒸发器的出口 水温多在 附近 温差大多保持在 冷凝 器的进口温度在 左右 而出口温度多在 附近 温差大多为 霆 钡试点 图机组实际能效比 八曰 月怪 异巡 袭 测试点 蒸发器进口旅发器扔 冷凝器进 冷凝器出口 图机组蒸发器和冷凝器进出口温度 根据所选热泵机组的样本数据可得到在蒸发 器进口水温为一 出口水温为 一 冷 凝器进口温度为 一 出口温度为一 工况下机组的制热量和功耗 对比实际运行工况 冷凝器运行工况较易确定 即为 进 出 而蒸发器的实际运行工况温差只有 但热泵机 组样本中给出的运行温差均为 可见实际系统 的污水泵型号选择偏大 因为该系统采用单一制 冷剂 蒸发温度不存在温度滑移 主要取决 于蒸发器的出口水温 所以根据机组样本中蒸发器 出口水温和制热量 功耗 制热系数的关系 可外推 从 图可以看出 绝大部分数据点的实际能效 比在一之间 通过进一步讨 一 算 剔除有明显误 差的数据后 图中能效比在 一 之 间的数据点的 平均能效比为 大大低于额定工 况下 机组 的 能效比 可 见 由于污水相比普通水源具有特殊 性 会造成蒸发器侧换热热阻的增加 在选择普通 水源热泵作为污水源热泵时能效比的 一 降必须加 以考虑 另外 实际压缩机的功耗已经高于额定功 耗 不利于长期运行 两机组同时运行情况分析 根据筛选得到的实验数据 两机组同时运行时 蒸发器进 出口和冷凝器进出口水温如图所示 可以发现蒸发器的进口温度相对稳定 在 左 右 而出口水温多在 附近 温差大多保持在 冷凝器的进口温度在 左右 而出口温度 多在 附近 温差大多为 采用节 的分析方法计算两机组同时运行 所对应的标准工况下的制热量 压缩机功耗 和制热 系数 两机组同时运行时蒸发器运行工况和 机组单独运行 的情况相同 均为进水 出水 而冷凝器的运行工况略有不同 冷凝器进 口温度和出口温度都降低了 根据机组样本 中蒸发器出口温度和制热量 功耗 制热系数的关 技术交流暖通空调 犯年第 卷第期 了 卜 尸尸砂 洲 几 价声对 人曰户下 心户归户叶产呜 产 叻内畔 八曰曰 月 尸 赵弱 测试点 蒸发器进口 蒸发器出口 冷凝器进日 冷凝器出 图两机组同时运行时蒸发器 和冷凝器进出口温度 系 可外推得到机组对应实际工况下的制热量为 压缩机功耗为 制热系数为 考虑到污水泵和热水循环泵 的功耗 能效比应为 对组实验数据分别进行计算后 系统的实 际能效比分布见图 羹 图 测试点 两机组同时运行时的实际能效比 从图可以看出 绝大部分的数据点的实际能 效比在 一之间 但数据点的分布比较分散 通 过进一步的计算 图中能效比在 一 之间的数据 点的平均能效比为 仍然低于根据样本外推 得到的数据 但差距较机组单独运行时变小 出现这种情况 的原因可能是机组并不是经常 开机运行 导致可供分析的数据点较少引起的 可 见 城市生活污水与常规水源的确有区别 主要表 现在相同工况下污水源热泵的能效比偏低 结论与建议 通过对实际污水源热泵运行数据的分析 可得 到以下结论城市污水的温度最低接近 大部分保持在 以上 非常适合作为热泵系统 的低温热源污水源热泵 的能效比较相同工况 下普通水源热泵的能效比明显降低 在实际工程中 选择设备时应有所考虑如仍按常规负荷选择 水源热泵机组 则会使压缩机的功耗超出额定功 耗 不利于机组长时间运行 污水源热泵运行特点有别于普通水源热泵 建 议开展污水源热泵蒸发器的强化传热研究 提高污 水侧的传热系数和蒸发温度 从而提高系统能效 比 在新型高效蒸发器推出之前 建议在污水源热 泵系统中采用满液式蒸发器 参考文献 李建兴 涂光备 周文忠城市污水热泵在住宅供热 中的应用 二流体机械 一 二高月芬水源热泵系统在污水处理厂的应用 供 热制冷 一 马最良 姚杨 赵丽莹污水源热泵系统的应用前景 仁三中国给水排水 一 巨 仁 一 二 吕锰 冯彦刚城市污水低位热能回收利用 的研究 业用水与废水 一 二 刘志斌 王海燕 吴荣华 等原生污水热泵空调系 统的工程应用与设计研究 可再生能源 一 卿阁诊 声 烟声 酬公份分创汾 石 唱舟健尹朴 洲份 分创 补嵘酬 哮启产分恻俗 澎扁 声今恻分心到 扁 娜产公 启恻分 弓砂谬虑 岁分之嗯点卜娜闷州声俞咬岁相 烂州分叹沙而 嗯 产分 嗯产 矛 两 娜 盈旧尹无补恻念倒分叹少勘恻 晓多产盈州分 会讯 年浙江省暖通空调学术年会召开 由浙江省土木建筑学会暖通空调动力学术委员会 中 国勘察设计协会建筑环境与设备专业委员会浙江省委员会 主办 浙江省制冷学会第五专业委员会协办的此次大会于 年月 日在杭州举行 多名代表参加了大会 中国勘察设计协会建筑环境与设备专业委员会名誉主 任委员陈贻谅教授级高工到会祝贺并作指导性发言 浙江 省土木建筑学会 浙江省制冷学会向大会发来贺信 会上浙江省土木建筑学会暖通空调动力学术委员会主 任委员姚国梁高工代表学会作了