上海地區(qū)污水源熱泵制冷工況實驗研究

張 濤, 朱群志, 姚博偉, 蔣瑜毅, 周 振

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

上海地區(qū)污水源熱泵制冷工況實驗研究

張 濤, 朱群志, 姚博偉, 蔣瑜毅, 周 振

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

城市污水具有溫度相對恒定,冬暖夏涼的特點,是一種優(yōu)良的低溫?zé)嵩?與熱泵結(jié)合具有很好的節(jié)能前景.搭建了熱泵實驗平臺,并以上海市某污水廠的二級出水為熱源,研究了污水源側(cè)流量、用戶側(cè)流量、進(jìn)口溫度對制冷工況下系統(tǒng)性能系數(shù)的影響;基于實驗數(shù)據(jù),對系統(tǒng)的性能系數(shù)進(jìn)行擬合,并與實際結(jié)果進(jìn)行了驗證.研究結(jié)果表明,系統(tǒng)性能系數(shù)隨用戶側(cè)進(jìn)口溫度的增加而緩慢增加;隨污水源側(cè)流量、用戶側(cè)流量的增加而明顯增加;系統(tǒng)性能系數(shù)的擬合結(jié)果可以較好地反映系統(tǒng)的實際運行工況,平均誤差僅為3.35%.

城鎮(zhèn)污水; 熱泵; 流量; 溫度; 性能擬合

近年來,隨著國民生活水平的提高,城市污水的排放量逐年增加.以上海市為例,據(jù)統(tǒng)計,上海市城鎮(zhèn)污水處理廠的日平均運行水量約為6.0×106t.城鎮(zhèn)污水具有水量大,水質(zhì)穩(wěn)定,冬暖夏涼的特點,是一種優(yōu)良的低溫?zé)嵩?利用熱泵來回收污水中的熱能是現(xiàn)在研究的熱點之一[1-2].與常見的空氣源熱泵相比,污水源熱泵具有較高的性能系數(shù)(Coefficient of Performance,COP)[3],因此可以減少建筑能耗及二氧化碳排放[4-5],具有很大的節(jié)能潛力.

目前國內(nèi)已建成的污水源熱泵系統(tǒng)中大都以污水處理廠的二級出水作為熱源[6],并且對污水源熱泵的研究及示范工程主要集中在中國北方地區(qū),在南方地區(qū)(如上海等城市)的研究相對較少[7].這些城市冬夏季污水溫度與環(huán)境溫度的差距雖沒有北方城市那么大,但也有巨大的節(jié)能潛力.本文搭建了熱泵實驗平臺,并以上海市某污水廠的二級出水為熱源,研究了污水源側(cè)流量、用戶側(cè)流量、進(jìn)口溫度對系統(tǒng)COP的影響,并在實驗的基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)的COP進(jìn)行了公式擬合.

1 實驗平臺搭建

1.1 系統(tǒng)組成

圖1和圖2分別為污水源熱泵的系統(tǒng)原理和實物圖.該系統(tǒng)為水-水源熱泵機(jī)組,分別由污水源側(cè)、用戶側(cè)、熱泵3個子系統(tǒng)組成.其中,污水源側(cè)由A和B兩個水箱、一個水泵及相應(yīng)的連接管道組成,A水箱為系統(tǒng)污水進(jìn)口,B水箱為系統(tǒng)污水出口;用戶側(cè)由一個水泵、C水箱、風(fēng)機(jī)盤管及相應(yīng)的連接管道組成,其中C水箱體積較小,主要用于用戶側(cè)進(jìn)口水溫測量.

圖1 污水源熱泵系統(tǒng)原理

圖2 污水源熱泵系統(tǒng)測試實驗平臺

開始時,對于水源側(cè),A水箱內(nèi)為污水,B水箱無水,a閥門和d閥門打開,b閥門和c閥門關(guān)閉;工作時,A水箱中的污水經(jīng)壓縮泵、流量計后進(jìn)入水源熱泵系統(tǒng)內(nèi)換熱,之后經(jīng)d閥門回到B水箱.對于用戶側(cè),實驗開始時,C水箱中注滿水,開啟風(fēng)機(jī)盤管及用戶側(cè)壓縮泵;工作時,C水箱的水經(jīng)壓縮泵、流量計后與熱泵系統(tǒng)換熱,之后到達(dá)風(fēng)機(jī)盤管,通過風(fēng)機(jī)盤管向房間內(nèi)供冷.

1.2 系統(tǒng)測量裝置

污水源熱泵系統(tǒng)需要測量的變量主要為水源側(cè)進(jìn)口水溫、水源側(cè)出口水溫、用戶側(cè)進(jìn)口水溫、用戶側(cè)出口水溫、系統(tǒng)功耗以及環(huán)境溫度.實驗設(shè)計時,圖1中A,B,C水箱內(nèi)沿高度方向分別均勻布置了5個熱電偶,污水源側(cè)進(jìn)口水溫、出口水溫及用戶側(cè)進(jìn)口水溫分別由A,B,C水箱內(nèi)對應(yīng)時刻幾個熱電偶的平均溫度計算而得;用戶側(cè)出口水溫由布置在風(fēng)機(jī)盤管出口50 mm和80 mm處兩個熱電偶的平均值計算而得,兩個熱電偶均固定在水管中間,測量值為真實的用戶側(cè)出口水溫.整個系統(tǒng)功耗(包含水泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管的功耗)由電流和電壓的乘積計算而得,本文中的電壓采用定值,為380 V;電流值由交流電流傳感器測量,采用4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)輸出.表1為系統(tǒng)關(guān)鍵部件及測量儀器的詳細(xì)信息.

表1 系統(tǒng)部件及測量儀器具體參數(shù)

2 計算分析

熱泵系統(tǒng)的制冷性能指標(biāo)通常以COP來衡量,對于污水源熱泵同樣適用,其計算定義為:

(1)

式中:Qc——系統(tǒng)的制冷量,kW;

W0——系統(tǒng)總的功耗,kW.

在本文中,系統(tǒng)的總功耗主要由壓縮機(jī)功耗、水泵功耗、風(fēng)機(jī)功耗等3部分組成.

系統(tǒng)穩(wěn)定運行時,制冷量為:

(2)

c——水的比熱容,取值為4.2 kJ/(kg· ℃);

te,o——風(fēng)機(jī)盤管出口處水溫, ℃;

te,i——風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)口處水溫, ℃.

當(dāng)三相負(fù)載平衡時,系統(tǒng)的總功耗為:

(3)

式中:U——電壓,這里取值為380 V;

I——電流,具體數(shù)值由電流傳感器測得,A;

cosφ——功率因數(shù),生產(chǎn)廠家建議取值為0.8.

水源熱泵的COP主要受蒸發(fā)側(cè)水溫及冷凝側(cè)水溫的影響,Gordon and Ng模型是對系統(tǒng)COP擬合中經(jīng)典的模型之一[8].公式為:

(4)

式中:COPsim——擬合的系統(tǒng)性能系數(shù);

tc,i——水源側(cè)進(jìn)口水溫, ℃;

A0,A1,A2——待確定的系數(shù).

擬合的系統(tǒng)性能系數(shù)COPsim與實際系統(tǒng)性能指數(shù)COPexp之間的差距,通常通過誤差來衡量,即:

(5)

3 實驗過程及結(jié)果分析

3.1 污水廠進(jìn)廠水溫與上海市環(huán)境溫度比較

圖3為2010年上海市某污水廠的污水進(jìn)水溫度與環(huán)境溫度[9]月平均值的對比圖.從圖3可以看出,上海市的污水進(jìn)水溫度冬季一般在15 ℃左右,夏季一般在25 ℃左右;和室外環(huán)境溫度相比,污水的進(jìn)水溫度全年相對比較穩(wěn)定,在15.2～25.7 ℃之間波動,具有冬暖夏涼的特點.污水廠月平均進(jìn)水溫度與月平均環(huán)境溫度之間的溫差在冬季1月份存在正的最大值,在夏季7月份存在負(fù)的最大值,分別為9.7 ℃和-5.8 ℃.冬季的正溫差和夏季的負(fù)溫差可降低熱泵系統(tǒng)冷熱源之間的溫差,保證污水源熱泵系統(tǒng)較高的COP.

圖3 2011年上海市某污水廠污水進(jìn)水溫度與環(huán)境溫度月平均值的比較

3.2 流量和蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COP的影響

從圖3可以看出,7月份和8月份夏季污水的水溫基本在25 ℃左右.基于此,本文在污水水溫為25.1±0.1 ℃的情況下,通過實驗研究了污水源側(cè)流量、用戶側(cè)流量及用戶側(cè)進(jìn)口溫度對系統(tǒng)COP的影響.其中,污水源側(cè)和用戶側(cè)的系統(tǒng)設(shè)計最大流量均為41 L/min.

3.2.1 污水源側(cè)流量對系統(tǒng)COP的影響

保持用戶側(cè)進(jìn)口溫度及流量不變,同時保持污水源側(cè)進(jìn)口水溫不變,改變污水源側(cè)的流量.通過數(shù)據(jù)采集儀記錄的用戶側(cè)出口溫度及系統(tǒng)電流,即可計算得到系統(tǒng)COP在該工況下的變化規(guī)律.

用戶側(cè)水流量保持在41 L/min時,系統(tǒng)的COP隨污水源側(cè)流量的變化趨勢如圖4所示.從圖4可以看出,系統(tǒng)的COP隨污水源側(cè)流量的增大而增大.污水源側(cè)流量從26 L/min增加至41 L/min過程中,系統(tǒng)的COP幾乎呈線性增長;由于用戶側(cè)的流量不變,用戶側(cè)進(jìn)出口溫差也基本保持不變,在4.50 ℃左右.

圖4 污水側(cè)流量對系統(tǒng)COP和用戶側(cè)進(jìn)出口溫差的影響

3.2.2 用戶側(cè)流量對系統(tǒng)COP的影響

保持污水源側(cè)進(jìn)口溫度及流量不變,同時保持用戶側(cè)進(jìn)口水溫不變,改變用戶側(cè)的流量.通過數(shù)據(jù)采集儀記錄的用戶側(cè)出口溫度及系統(tǒng)電流,即可計算得到系統(tǒng)COP在該工況下的變化規(guī)律.

污水源側(cè)流量保持在41 L/min時,用戶側(cè)流量對系統(tǒng)COP及用戶側(cè)進(jìn)出口溫差的影響如圖5所示.從圖5可以看出,系統(tǒng)的COP隨著用戶側(cè)流量的增大而逐漸增大,但當(dāng)流量接近最大流量時,系統(tǒng)的COP增勢變緩.與圖4相比可以看出,用戶側(cè)流量對系統(tǒng)COP的影響更明顯.同時,當(dāng)用戶側(cè)流量增大時用戶側(cè)進(jìn)出口的溫差減小,用戶側(cè)流量從26 L/min增加至41 L/min過程中,用戶側(cè)進(jìn)出口溫差從5.76 ℃減小到4.58 ℃.

圖5 用戶側(cè)流量對系統(tǒng)COP和用戶側(cè)進(jìn)出口溫差的影響

3.2.3 用戶側(cè)進(jìn)口水溫對系統(tǒng)COP的影響

保持用戶側(cè)及污水源側(cè)的流量均為最大流量,同時保持污水源側(cè)的水溫不變,改變用戶側(cè)的進(jìn)口溫度.通過數(shù)據(jù)采集儀記錄的用戶側(cè)出口溫度及系統(tǒng)電流,即可計算得到系統(tǒng)的COP在該工況下的變化規(guī)律.本文對用戶側(cè)進(jìn)口溫度分別為8.0±0.1 ℃,8.5±0.1 ℃,9.0±0.1 ℃,9.5±0.1 ℃ 4個工況進(jìn)行了實驗研究.

圖6反映的是用戶側(cè)進(jìn)口水溫對系統(tǒng)COP的影響.

圖6 用戶側(cè)進(jìn)口水溫對系統(tǒng)COP的影響

從圖6可以看出,系統(tǒng)的COP隨著用戶側(cè)進(jìn)口水溫的增加而略微有所增加,從4.16增加至4.23,總體增幅不大.同時,由于用戶側(cè)的流量保持不變,因此用戶側(cè)進(jìn)出口的溫差也相對恒定,在4.3 ℃左右.

3.3 污水源熱泵COP擬合

污水水溫會影響熱泵的蒸發(fā)溫度及系統(tǒng)運行特性;同時污水源側(cè)的水溫和用戶側(cè)的水溫會共同影響系統(tǒng)的COP.對不同污水源側(cè)水溫、用戶側(cè)水溫進(jìn)行全范圍覆蓋的實驗研究,需要耗費大量的人力物力.因此,本文根據(jù)式(4),對最大流量條件下基于污水源側(cè)進(jìn)口水溫、用戶側(cè)出口溫度的系統(tǒng)的COP進(jìn)行擬合,并將擬合結(jié)果與其他隨機(jī)污水側(cè)進(jìn)口溫度、用戶側(cè)出口溫度條件下的實驗結(jié)果進(jìn)行驗證.從污水廠獲得的數(shù)據(jù)得知,一般情況下,污水廠出廠溫度會比進(jìn)水溫度高3～5 ℃,因此本文隨機(jī)污水的水溫范圍在24～30 ℃左右.

擬合選取不同的污水側(cè)進(jìn)口水溫、用戶側(cè)出口水溫具體如表2所示.

表2 系統(tǒng)COP擬合對應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)式(4),輸入以上參數(shù),解矩陣后,即可求得對應(yīng)未知數(shù)A0,A1,A2的值.求得的結(jié)果為:A0=-23.308 2;A1=-0.153 5;A2=14.732 8.即污水源熱泵的擬合結(jié)果為:

(6)

根據(jù)式(6),對該擬合公式在其他不同污水進(jìn)水溫度及用戶側(cè)進(jìn)口水溫的適用性進(jìn)行了隨機(jī)試驗,最終擬合與實際結(jié)果對比如表3所示.

表3 擬合結(jié)果與實際結(jié)果對比

從表3可以看出,式(6)的擬合結(jié)果可以較好地用來預(yù)測系統(tǒng)的實際性能系數(shù)COPexp,系統(tǒng)擬合的性能系數(shù)COPsim與實際運行結(jié)果比較接近,最大誤差小于7%,平均誤差僅為3.35%.

本文中實驗平臺每天的流量約為60 t,而一般的污水廠或是水源熱泵的流量基本都在幾千噸甚至上萬噸;同時文中根據(jù)式(4)得到的擬合結(jié)果也僅對該實驗平臺有意義,對于不同容量的污水源熱泵系統(tǒng),或不同的控制模式,會得到不同的擬合結(jié)果,因而本文中的實驗結(jié)果及結(jié)論對大容量的系統(tǒng)工程僅具有定性的參考意義.

4 結(jié) 論

(1) 系統(tǒng)的COP隨污水源側(cè)流量的增大呈線性增長;用戶側(cè)進(jìn)出口溫差基本不變.

(2) 系統(tǒng)的COP隨用戶側(cè)流量的增大而逐漸增大,接近最大流量時,COP的增幅變緩;同時用戶側(cè)進(jìn)出口的溫差隨流量的增大而減小;用戶側(cè)流量比污水源側(cè)流量對系統(tǒng)COP的影響更明顯.

(3) 系統(tǒng)的COP隨用戶側(cè)進(jìn)口水溫的增加而略微增加.

(4) 系統(tǒng)性能系數(shù)的擬合可以較好地模擬系統(tǒng)的實際運行工況,擬合結(jié)果與實際結(jié)果相比平均誤差僅為3.35%.

[1] YANG W,ZHOU J,XU W,etal.Current status of ground-source heat pumps in China[J].Energy Policy,2010,38(1):323-332.

[2] 莊兆意,徐瑩,李鑫,等.污水源熱泵機(jī)組冬季運行工況實測與分析[J].暖通空調(diào),2008,38(11):133-136.

[3] CADDET (The Centre for the Analysis and Dissemination of Demonstrated Energy Technologies) Energy Efficiency.First DHC system in japan using untreated sewage as a heat source[R].Result 290,JP97.503/5X.D01,1997:112-125.

[4] CADDET (The Centre for the Analysis and Dissemination of Demonstrated Energy Technologies) Energy Efficiency.Reduced fouling of sewage water heat pumps[R].Demo 33,JP93.501/5X.H03,1995:156-188.

[5] BAEK N C,SHIN U C,YOON J H.A study on the design and analysis of a heatpump heating system using wastewater as a heat source[J].Solar Energy,2005,78 (3):427-440.

[6] 孫春錦,吳榮華,孫源淵,等.污水源熱泵技術(shù)研究現(xiàn)狀及分析[J].暖通空調(diào),2015,45(9):49-53.

[7] 周志平,李念平.污水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的節(jié)能減排分析[J].建筑節(jié)能,2012,40(6):46-49.

[8] ASHRAE.ASHRAE Guideline 14-2002 Measurement of Energy and Demand Savings[S].Atlanta,GA:ASHRAE,2002.

[9] 上海市統(tǒng)計局.上海統(tǒng)計年鑒[M/OL].北京:中國統(tǒng)計出版社,2011.[2016-03-18].http://www.stats-sh.gov.cn/data/toTjnj.xhtml?y=2011.

ExperimentalStudyofSewageSourceHeatPumpRunningatRefrigerateConditioninShanghai

ZHANG Tao, ZHU Qunzhi, YAO Bowei, JIANG Yuyi, ZHOU Zhen

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

City sewage,which is an excellent low temperature heat source,has the characteristic of being relatively stable in temperature,cool in summer and warm in winter and a promising energy-saving prospect.A sewage source heat pump is constructed;the secondary effluent from the sewage plant is employed as the heat source.Based on this,the effect of the flow rate of the sewage side on the system COP under the cooling condition is studied in experiments,along with the flow rate and inlet temperature of the user side.Built on the tests data,system COP is fitted.The results show that system COP is slowly increased with the user side inlet temperature,but markedly increases with the flow rate of the sewage side and user side.The COP fitting result can well present the system actual operation with an average error of only 3.35%.

urban sewage; heat pump; flow rate; temperature; performance fitting

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.05.005

2016-03-18

張濤(1986-),男,博士,講師,山東臨沂人.主要研究方向為熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計.E-mail:zhtyn86@163.com.

上海高校青年教師培養(yǎng)資助計劃(ZZsdl15076);上海市科學(xué)委員會科研計劃項目(14DZ1207106).

TU831.36;X703

A

1006-4729(2017)05-0434-05

(編輯 桂金星)