新型污水源熱泵空調(diào)的實(shí)驗(yàn)研究

李宏彬，陳志剛，王斌，黃宇，譚孝友，龍敬武

(邵陽(yáng)學(xué)院機(jī)械與能源工程系，湖南邵陽(yáng)422000)

1 新型污水源熱泵系統(tǒng)概述

污水源熱泵空調(diào)技術(shù)是我國(guó)當(dāng)前各類熱泵技術(shù)中發(fā)展和應(yīng)用前景最被看好的一類技術(shù)，節(jié)能減排效果顯著.與燃煤、燃?xì)?、然油等鍋爐房系統(tǒng)相比［1-2］:我國(guó)年污水排放量達(dá)464億 m3，若將污水能通過(guò)污水源熱泵系統(tǒng)再次回收利用則可節(jié)省用煤量0.33億噸，以全國(guó)年總能耗30億噸標(biāo)煤計(jì)算，達(dá)到了1.1%，若按空調(diào)的一次能源消耗量10億噸標(biāo)煤計(jì)算，達(dá)3.3%.同時(shí)每年可減少排放量達(dá)72萬(wàn)噸.據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，15萬(wàn)平方米供冷、供熱、以及供生活熱水，年可節(jié)約標(biāo)煤1萬(wàn)噸，減排二氧化硫300噸、煙量2200萬(wàn)m3、顆粒物6400噸，年少排爐渣2800噸、廢水600噸.但是，污水源熱泵作為一個(gè)大功率用電器，當(dāng)電力資源不穩(wěn)定時(shí)會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生較大的損耗.

新型污水源熱泵系統(tǒng)則針對(duì)這一問題做出了研究，該項(xiàng)目通過(guò)在污水源熱泵機(jī)組污水入口端增加蓄能器裝置，達(dá)到全時(shí)段充分利用能源的目的.通過(guò)這套裝置，在夜間機(jī)組停機(jī)或低載運(yùn)行時(shí)將電能儲(chǔ)蓄用于污水的預(yù)制冷或加熱，當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)作時(shí)則只需消耗少量的電能.由于在電力方面，夜間耗電量處于低峰期，并且部分地區(qū)實(shí)行分時(shí)段計(jì)量電價(jià)，因此，此套裝置既可以避免機(jī)組在用電高峰期電壓較低時(shí)進(jìn)行非正常的運(yùn)作而導(dǎo)致機(jī)組損耗，又可以充分利用廉價(jià)電能，產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)效益.

2 新型污水源熱泵工作原理及特點(diǎn)

2.1 新型污水源熱泵工作原理

利用蓄能器，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水預(yù)處理，有效的避免了用電高峰期機(jī)組運(yùn)作所帶來(lái)的副作用.

2.2 新型污水源熱泵的組成

新型污水源熱泵系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、室內(nèi)熱交換器、室外熱交換器、節(jié)流裝置、控制系統(tǒng)、蓄能器等組成，如圖1所示［3-4］:

圖1 新型污水源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 New the sewage source heat pump system

蓄能器模塊運(yùn)行流程:生活生產(chǎn)污水經(jīng)過(guò)蓄能器進(jìn)行預(yù)處理(本次試驗(yàn)測(cè)試為夏季機(jī)組運(yùn)行情況，故預(yù)處理采用預(yù)制冷)，得到低溫污水與熱泵機(jī)組室外換熱器進(jìn)行熱交換，由于污水經(jīng)低溫處理，故能更加有效的帶走熱量.

2.3 新型污水源熱泵的特點(diǎn)［5］

目前市場(chǎng)上所通用的污水源熱泵機(jī)組設(shè)備大，所需電力資源高，同時(shí)電力資源的不穩(wěn)定會(huì)對(duì)機(jī)組有著較大的損耗，而這一款新型污水源熱泵在工作期間所利用的污水是通過(guò)蓄能器預(yù)處理過(guò)后的，而蓄能器所利用的能源是夜間用電低峰期時(shí)的電能，可大大降低空調(diào)系統(tǒng)的對(duì)電力資源的依賴，減少設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配置成本低廉，經(jīng)濟(jì)效益顯著，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)的研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，使用蓄能器后設(shè)備的能效系數(shù)有少量提升，單位制冷量有一定的提高.

該系統(tǒng)的運(yùn)行方式使能量輸入與輸出之比達(dá)到1∶4，即輸入1千瓦的電能就能夠達(dá)到4千瓦以上的熱量，節(jié)能30% ～75%，比普通污水源熱泵高出4～7個(gè)百分點(diǎn).采暖時(shí)每使用一噸污水可獲取5000～10000千瓦熱能，比普通污水源熱泵高出300～600千瓦熱量.同時(shí)通過(guò)對(duì)蓄能器的利用，能有效降低尤其是城市白天對(duì)電能的依賴程度［6］.

因此，開發(fā)利用新型污水源熱泵，降低建筑冬季采暖、夏季空調(diào)和生活熱水供應(yīng)對(duì)電力資源的集中高峰非飽和的不良消耗(包括高峰用電期間電力資源的不穩(wěn)定所連帶的一些設(shè)備損耗)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境具有重要的社會(huì)發(fā)展意義，對(duì)促進(jìn)人與建筑、人與城市環(huán)境、建筑與環(huán)境的和諧并存和可持續(xù)發(fā)展具有重要的建筑科學(xué)學(xué)術(shù)發(fā)展意義.

3 新型污水源熱泵系統(tǒng)試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的新型污水源熱泵系統(tǒng)相對(duì)于原有熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)比試驗(yàn).其中一組為含蓄能器裝置的污水源熱泵，另一組無(wú)蓄能器裝置.在耗電量相同的情況下，分別測(cè)量其室外換熱器和室內(nèi)換熱器的水流量、水的進(jìn)出口溫度，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

3.2 試驗(yàn)裝置及操作步驟

(1)選用兩組型號(hào)為GSHP1900M的污水源熱泵機(jī)組;

(2)將兩組機(jī)組進(jìn)行分類，并做改裝處理;

1)第一組機(jī)組進(jìn)行改裝，在其室外換熱器污水入口處增加蓄能器裝置，標(biāo)為含蓄能器機(jī)組.

2)第二組機(jī)組保持不變，標(biāo)為無(wú)蓄能器機(jī)組.

(3)兩臺(tái)機(jī)組保持正常運(yùn)行狀態(tài)，并在同樣的運(yùn)行環(huán)境下，記錄在消耗同樣電能(第一組機(jī)組耗電量由兩部分構(gòu)成:①污水源熱泵所耗電能，②蓄能器對(duì)污水進(jìn)行預(yù)處理時(shí)所耗電能;第二組機(jī)組耗電量則只為污水源熱泵耗電量)時(shí)的各自制冷量;含蓄能器和不含蓄能器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表1、表2所示.

(4)整理試驗(yàn)數(shù)據(jù).

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算方法［7］

換熱器1的制冷量為:

換熱器2的換熱量為:

式中:G1和G2—室外換熱器和室內(nèi)換熱器的水流量［kg/s］

t1、t2和 t4、t3—室外換熱器和室內(nèi)換熱器水的進(jìn)、出口溫度［℃］

Cp—水的定壓比熱，Cp=4.1868KJ/kg·℃

表1 含蓄能器機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Accumulator unit test data statistics

表2 無(wú)蓄能器機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 No accumulator unit test data statistics

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

通過(guò)試驗(yàn)所得表1、2數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用上述計(jì)算公式，結(jié)合各處水流量以及各進(jìn)出水口溫度來(lái)計(jì)算機(jī)組制冷量;同時(shí)利用電能表記錄機(jī)組電流，通過(guò)計(jì)算得出機(jī)組耗電量.

3.5 試驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1)冷流體在蓄能器中預(yù)制冷溫度不得低于0℃;

(2)長(zhǎng)期不用應(yīng)將系統(tǒng)中的水全部放掉.

3.6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析結(jié)論［8］

通過(guò)試驗(yàn)可知，新型污水源熱泵運(yùn)行耗能稍低于普通污水源熱泵.雖然蓄能器也要消耗一定電量，但是其消耗的乃用電低谷時(shí)期的廉價(jià)電力資源，在其效果上，明顯錯(cuò)開用電高峰期，緩解了用電壓力.而且在用電高峰期能對(duì)污水進(jìn)行預(yù)處理，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定.總的來(lái)看，該套設(shè)備能明顯增加經(jīng)濟(jì)效益.

圖2 新型污水源熱泵與普通污水源熱泵制冷量與耗電量的關(guān)系Fig.2 The relationship of a new type of sewage-source heat and ordinary sewage source heat pump in capacity and poweer consumpti

對(duì)試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到兩種機(jī)組制冷量與耗電量的關(guān)系如圖2所示:

4 總結(jié)

當(dāng)今社會(huì)，電器的高速發(fā)展導(dǎo)致對(duì)電力資源的過(guò)度依賴以及不良使用，高度集中的高峰用電給電力資源帶來(lái)巨大壓力，包括對(duì)電力設(shè)備產(chǎn)生高負(fù)荷所帶來(lái)的一系列安全問題.而此設(shè)備能有效錯(cuò)開用電高峰期，合理利用夜間被白白浪費(fèi)掉的廉價(jià)電力資源.并且，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)證明此套設(shè)備相比較于普通污水源熱泵能耗稍低，在節(jié)能方面具有一定優(yōu)勢(shì).新型污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)有著巨大的節(jié)能潛力和廣闊的應(yīng)用前景.

［1］吳業(yè)正.制冷原理及設(shè)備［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2010.

［2］賀平，孫剛，王飛，吳華新.供熱工程［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

［3］清華大學(xué)建筑研究中心.中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告［R］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［4］王文書.污水自然凈化生態(tài)工程方法［S］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［5］吳業(yè)正.制冷壓縮機(jī)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［6］張克危.流體機(jī)械原理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［7］陳芝久.制冷裝置自動(dòng)化［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［8］薛殿華.空氣調(diào)節(jié)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2012.