新型污水源热泵空调的实验研究

李宏彬，陈志刚，王斌，黄宇，谭孝友，龙敬武

(邵阳学院机械与能源工程系，湖南邵阳422000)

1 新型污水源热泵系统概述

污水源热泵空调技术是我国当前各类热泵技术中发展和应用前景最被看好的一类技术，节能减排效果显著.与燃煤、燃气、然油等锅炉房系统相比［1-2］:我国年污水排放量达464亿 m3，若将污水能通过污水源热泵系统再次回收利用则可节省用煤量0.33亿吨，以全国年总能耗30亿吨标煤计算，达到了1.1%，若按空调的一次能源消耗量10亿吨标煤计算，达3.3%.同时每年可减少排放量达72万吨.据相关统计，15万平方米供冷、供热、以及供生活热水，年可节约标煤1万吨，减排二氧化硫300吨、烟量2200万m3、颗粒物6400吨，年少排炉渣2800吨、废水600吨.但是，污水源热泵作为一个大功率用电器，当电力资源不稳定时会对设备产生较大的损耗.

新型污水源热泵系统则针对这一问题做出了研究，该项目通过在污水源热泵机组污水入口端增加蓄能器装置，达到全时段充分利用能源的目的.通过这套装置，在夜间机组停机或低载运行时将电能储蓄用于污水的预制冷或加热，当机组正常运作时则只需消耗少量的电能.由于在电力方面，夜间耗电量处于低峰期，并且部分地区实行分时段计量电价，因此，此套装置既可以避免机组在用电高峰期电压较低时进行非正常的运作而导致机组损耗，又可以充分利用廉价电能，产生一定经济效益.

2 新型污水源热泵工作原理及特点

2.1 新型污水源热泵工作原理

利用蓄能器，实现对污水预处理，有效的避免了用电高峰期机组运作所带来的副作用.

2.2 新型污水源热泵的组成

新型污水源热泵系统主要由压缩机、室内热交换器、室外热交换器、节流装置、控制系统、蓄能器等组成，如图1所示［3-4］:

图1 新型污水源热泵系统结构图Fig.1 New the sewage source heat pump system

蓄能器模块运行流程:生活生产污水经过蓄能器进行预处理(本次试验测试为夏季机组运行情况，故预处理采用预制冷)，得到低温污水与热泵机组室外换热器进行热交换，由于污水经低温处理，故能更加有效的带走热量.

2.3 新型污水源热泵的特点［5］

目前市场上所通用的污水源热泵机组设备大，所需电力资源高，同时电力资源的不稳定会对机组有着较大的损耗，而这一款新型污水源热泵在工作期间所利用的污水是通过蓄能器预处理过后的，而蓄能器所利用的能源是夜间用电低峰期时的电能，可大大降低空调系统的对电力资源的依赖，减少设备的运行费用，其系统结构简单，配置成本低廉，经济效益显著，同时通过实验的研究数据发现，使用蓄能器后设备的能效系数有少量提升，单位制冷量有一定的提高.

该系统的运行方式使能量输入与输出之比达到1∶4，即输入1千瓦的电能就能够达到4千瓦以上的热量，节能30% ～75%，比普通污水源热泵高出4～7个百分点.采暖时每使用一吨污水可获取5000～10000千瓦热能，比普通污水源热泵高出300～600千瓦热量.同时通过对蓄能器的利用，能有效降低尤其是城市白天对电能的依赖程度［6］.

因此，开发利用新型污水源热泵，降低建筑冬季采暖、夏季空调和生活热水供应对电力资源的集中高峰非饱和的不良消耗(包括高峰用电期间电力资源的不稳定所连带的一些设备损耗)，对促进我国建设节约型社会、节约能源、保护环境具有重要的社会发展意义，对促进人与建筑、人与城市环境、建筑与环境的和谐并存和可持续发展具有重要的建筑科学学术发展意义.

3 新型污水源热泵系统试验分析

3.1 试验目的

为了验证所设计的新型污水源热泵系统相对于原有热泵系统的优势，设计了一个对比试验.其中一组为含蓄能器装置的污水源热泵，另一组无蓄能器装置.在耗电量相同的情况下，分别测量其室外换热器和室内换热器的水流量、水的进出口温度，得到实验数据.

3.2 试验装置及操作步骤

(1)选用两组型号为GSHP1900M的污水源热泵机组;

(2)将两组机组进行分类，并做改装处理;

1)第一组机组进行改装，在其室外换热器污水入口处增加蓄能器装置，标为含蓄能器机组.

2)第二组机组保持不变，标为无蓄能器机组.

(3)两台机组保持正常运行状态，并在同样的运行环境下，记录在消耗同样电能(第一组机组耗电量由两部分构成:①污水源热泵所耗电能，②蓄能器对污水进行预处理时所耗电能;第二组机组耗电量则只为污水源热泵耗电量)时的各自制冷量;含蓄能器和不含蓄能器的试验数据分别如表1、表2所示.

(4)整理试验数据.

3.3 试验数据换算方法［7］

换热器1的制冷量为:

换热器2的换热量为:

式中:G1和G2—室外换热器和室内换热器的水流量［kg/s］

t1、t2和 t4、t3—室外换热器和室内换热器水的进、出口温度［℃］

Cp—水的定压比热，Cp=4.1868KJ/kg·℃

表1 含蓄能器机组试验数据统计表Tab.1 Accumulator unit test data statistics

表2 无蓄能器机组试验数据统计表Tab.2 No accumulator unit test data statistics

3.4 试验数据处理

通过试验所得表1、2数据进行整理，利用上述计算公式，结合各处水流量以及各进出水口温度来计算机组制冷量;同时利用电能表记录机组电流，通过计算得出机组耗电量.

3.5 试验注意事项

(1)冷流体在蓄能器中预制冷温度不得低于0℃;

(2)长期不用应将系统中的水全部放掉.

3.6 试验数据计算分析结论［8］

通过试验可知，新型污水源热泵运行耗能稍低于普通污水源热泵.虽然蓄能器也要消耗一定电量，但是其消耗的乃用电低谷时期的廉价电力资源，在其效果上，明显错开用电高峰期，缓解了用电压力.而且在用电高峰期能对污水进行预处理，使系统运行更加稳定.总的来看，该套设备能明显增加经济效益.

图2 新型污水源热泵与普通污水源热泵制冷量与耗电量的关系Fig.2 The relationship of a new type of sewage-source heat and ordinary sewage source heat pump in capacity and poweer consumpti

对试验所测数据进行计算分析，得到两种机组制冷量与耗电量的关系如图2所示:

4 总结

当今社会，电器的高速发展导致对电力资源的过度依赖以及不良使用，高度集中的高峰用电给电力资源带来巨大压力，包括对电力设备产生高负荷所带来的一系列安全问题.而此设备能有效错开用电高峰期，合理利用夜间被白白浪费掉的廉价电力资源.并且，通过实验研究数据证明此套设备相比较于普通污水源热泵能耗稍低，在节能方面具有一定优势.新型污水源热泵空调系统有着巨大的节能潜力和广阔的应用前景.

［1］吴业正.制冷原理及设备［M］.西安:西安交通大学出版社，2010.

［2］贺平，孙刚，王飞，吴华新.供热工程［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［3］清华大学建筑研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告［R］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［4］王文书.污水自然净化生态工程方法［S］.北京:化学工业出版社，2006.

［5］吴业正.制冷压缩机［M］.北京:机械工业出版社，2013.

［6］张克危.流体机械原理［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［7］陈芝久.制冷装置自动化［M］.北京:机械工业出版社，2012.

［8］薛殿华.空气调节［M］.北京:清华大学出版社，2012.