采集凝固热热泵系统连续取热的参数条件分析

钱剑峰，郭 运，李江丹

(哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028)

利用水源热泵为建筑物实现供暖空调，在充分利用可再生能源的基础上，可使电能利用率提高3～4倍，大大地减少对环境的污染.针对寒冷地区冬季地表水温过低和干渠污水流量不足等环境水源现状，本文提出采集水源凝固热热泵系统为建筑物供热的新思路.

采集凝固热热泵系统为获取环境水中的低温热能资源而设计［1－3］.采用常规换热器从低温水的凝固放热中吸收热量作为热泵的低温热源时，由于低温水换热凝固过程的结冰固化，小则堵死流体通道，大则使得换热器有冻裂危险.因此，如何有效安全地排除水流凝固过程中黏附于内壁面的冰层，从而连续提取水中凝固热成为采集凝固热技术的首要问题.

1 采集凝固热热泵系统

1.1 系统的水源

采集水源凝固热热泵系统的水源主要为地表水和城市污水两类.

地表水通常水量充足，作为热泵空调冷热源时，仅为热泵系统提供物理冷热能，因而可根据利用难易程度把它分为2类，称作第一类地表水和第二类地表水［4］.前者主要包括《地表水环境质量标准》中的Ⅰ～Ⅲ类水质地表水，含有的固体污杂物少且尺度较小，其冷热能利用较易实现，取排水系统较简单;后者包括Ⅳ～劣Ⅴ类水质的轻度至重度污染的地表水，通常含有大尺度污杂物，易堵塞管路或对管路造成不可忽视的腐蚀与污染，热能利用难度稍大，取排水系统较复杂，其中堵塞问题可借鉴城市污水源热泵技术的防阻机技术.

城市污水温度较为稳定，水量波动大、水质差.据统计，全国每年城市污水排放量达464×108m3/a，城市污水排放量与生产、生活水平、住宅密集度等因素密切有关，排放量约为0.25 m3/(人·d)，排放系数约为0.85.城市污水主要为工业废水和生活污水，工业废水水量较有规律且较稳定，而生活污水水量一日内变化幅度较大，因此污水干渠一日内的流量波动很大.本文通过对哈尔滨、青岛两处污水的调研，发现逐时流量波动较大，此两处测试日内最大、最小流量比分别达到2∶1和5∶1，另外，在哈尔滨太平污水处理厂调研获知该厂日平均最大、最小流量比也接近2∶1，因而系统设计应考虑污水流量的不稳定性，以最小污水量作为设计依据.考虑不同地区、性质建筑的热负荷差异及污水排放系数，很多场合，尤其是小型干渠，仅靠提取有限温差的污水显热已远不能满足用户高峰热负荷要求.城市污水作冷热源的水质问题将引起系统管路和换热设备的堵塞、腐蚀、污染等问题.较大尺度的污杂物是产生堵塞的根源，笔者等在2006年3月若干次对哈尔滨的某两处污水干渠的现场测定发现，污水中大尺度污杂物质量浓度均达0.3 kg/m3左右，若以100 m3/h污水流量计则污物累积量达30 kg/h，可见，不采用有效防堵塞技术，短时间内换热设备必被阻塞，采用旋转反冲洗装置可得到有效解决.

1.2 凝固换热器

凝固换热器是系统的关键设备之一，本文所提出的凝固换热器由换热管束、螺旋绞龙和驱动装置组成，示意图如图1.驱动装置包括电机、减速装置、齿轮及驱动轴.运行中需保证电机、齿轮等有效联动，管程设计为单管程，凝固换热器中换热管数不可过多.每排换热管中均设有绞龙，绞龙的斜角偏离轴向一定角度.绞龙的旋转由端头的齿轮驱动，齿轮之间相互啮合，由连接于主轴的齿轮带动，主轴与减速装置用常规机械方法密封连接，使得减速装置与水空间隔绝.水与防冻液空间中设有横向导流板，提高水速以提高换热系数.由换热管中出来的冰－水冰浆被送回水源.获得凝固热的水－乙二醇溶液作为热媒体由水泵驱动在凝固换热器与热泵机组的蒸发器之间循环.

图1 凝固换热器构造示意图

采用钢制螺旋绞龙排冰可适用于地表水和城市污水.当应用于第一类地表水源时，还可采用价格低廉的螺旋钢针代替钢制螺旋绞龙，并采用软性轴代替原来内管中心的小管作驱动轴.螺旋钢针如刷子般缠绕固定于软轴，软性轴两端均连接刚性轴，由刚性轴连接电机驱动，其排冰原理与钢制螺旋绞龙相似.当螺旋钢丝用于第二类地表水或者城市污水时，由于通过防阻机的非清洁水中可能含有头发丝等细长杂物，长久运行会黏附于螺旋钢针周边，最终堵塞流通断面，因而此种场合不适用.

2 连续取热参数条件

采集凝固热时，流出凝固换热器的流体为冰－水冰浆，当含冰率较高时，系统管道中就会堵塞，这样为满足系统连续提取凝固热的要求，设计工况下凝固热换热器出口含冰率不能太高，已达到安全疏运条件.

文献［5－6］中指出，在各种平均含冰率下，水平管道中管道断面的冰晶粒子的浓度分布的规律是，管道断面下部的冰晶粒子浓度要小于平均值，而管道断面上部的冰晶粒子浓度要高于平均值;随着管道内平均流速的增加，断面浓度趋于均匀.只要冰浆的平均流速高于0.05 m/s且IPF＜30%时，在管道中就不会出现堵塞现象，这就是安全排冰的参数条件.

采用第一类地表水源系统，系统需满足

其中:IPFsys、IPF为系统出口含冰率和凝固换热器出口含冰率，按质量分数计算，%;Gw，h为热源水流量，kg/s;dw为排水管道管径，m;QF为凝固换热器换热量，kW;twi，h、two，h为进出凝固换热器的水源水温，℃;c、L为水的比热及凝固潜热，单位为kJ/(kg·℃)，kJ/kg.

当采用第二类地表水或城市污水源时，系统水源侧流量是用于防阻机的再生水量与流经凝固换热器的换热水量之和，连续提取凝固热的流量参数条件满足式(1)、(3)和(4).

其中:βb为防阻机的再生水量比.

冰－水冰浆在沿途排水管内将发生融解或者均匀混合，达到稳定状态.若冰颗粒未全部融解，则在长输送管段内混合温度为0℃，此时均匀混合后的含冰率满足

采用城市污水源系统，由于系统所取流量不超过污水干渠最小流量，考虑干渠中污水流量的时变特性，系统换热后污水与干渠其余污水混合后的含冰率将更小.若算得IPFmix＜0，则说明冰颗粒在沿途排水管内已全部融解.

3 流动阻力分析

刘永红对冰－乙二醇水溶液组成的冰浆进行了流动阻力实验研究［6］，实验结论如下，在小流速条件下，冰－乙二醇水溶液冰浆的流动阻力都比清水的流动阻力大.但是当流速超过0.3～0.5 m/s时，不同的IPF表现出不同的流动阻力特点:当IPF＜2%时，冰浆的流动阻力与清水接近，两者相差在3%以内;当IPF=2% ～30%时，冰浆的流动阻力比清水小，两者相差在10% ～30%;当IPF＞30%时，冰浆在管内流动出现堵塞.在IPF=2% ～30%时，归纳出的冰浆流动阻力系数的半经验公式为:

Knodel等人对冰－水组成的冰浆进行了流动阻力实验研究［7］，归纳出适用于 IPF=4% ～11%的紊流工况下冰浆流动阻力系数的半经验公式为:

在地表水取排水管网中，水流多处于紊流工况，其Re数达1×104以上，Re=1×104～1×105范围内在比较式(6)和(7)在=IPF=4% ～10%时两种公式求得的两种冰浆流动阻力系数，如图2.

图2 冰浆流动阻力系数计算对比

由图2可见，在Re=1×104～1×105且在4%～10%时，两种冰浆的流动阻力系数计算值很接近，两者相差在3%以内，说明在较低IPF时，液相性质(水或乙二醇水溶液)对冰浆的流动特性影响很小.在Re=7×104以上且IPF=4% ～10%时，冰浆的流动阻力系数与清水很接近.

地表水源采集凝固热热泵系统，排水管网的冰－水冰浆的IPF通常小于10%，因而冰－水冰浆的流动特性可归纳为:

城市污水源采集凝固热热泵系统，通常污水干渠靠近供热供冷的建筑物，排水管网较短，冰－水冰浆的流动阻力可忽略.

4 结语

针对寒冷地区冬季地表水温过低和干渠污水流量不足等水源现状，本文提出采集非清洁水源凝固热为建筑物供热，这是推广热泵技术、开发环境低位能源实践中产生的新思路.介绍了采集凝固热热泵系统及其关键设备凝固换热器，分析了系统连续提取凝固热的运行参数条件，总结了系统的流动阻力计算方法，这将为环境水源采集凝固热热泵系统的应用与发展提供有益的参考.

［1］QIAN J F，SUN D X.Optimization and analysis of the urban sewage source heat pump system by finite time thermodynamics theory［C］//Proceedings of the5 th International Symposium on Heating，Ventilating and Air Conditioning，Beijing:Tsinghua university，2007:923－926.

［2］孙德兴，张承虎，吴荣华，等.利用冷水凝固热的热泵系统与装置［J］.暖通空调，2006，36(7):41－44.

［3］钱剑峰，孙德兴，张承虎.新型地表水源热泵及其相关技术分析［J］.哈尔滨商业大学学报:自然科学版，2007，23(2):231－234.

［4］钱剑峰，孙德兴，张承虎.采集凝固热热泵技术凝固及换热性能的理论分析［J］.太阳能学报，2007，28(11):1200－1205.

［5］刘永红.冰浆流动特性和传热特性研究［D］.上海:同济大学，1997.

［6］刘永红，陈沛霖.水平管道中冰浆流动的摩阻特性的实验研究［J］.力学与实践，1997，19(6):36－38.

［7］KNODEL B，CHOI U.Heat transfer and pressure drop in icewater slurries［J］.Applied Thermal Engineering，2000，20(7):671－685.