上海地区污水源热泵制冷工况实验研究

张 涛, 朱群志, 姚博伟, 蒋瑜毅, 周 振

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

上海地区污水源热泵制冷工况实验研究

张 涛, 朱群志, 姚博伟, 蒋瑜毅, 周 振

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

城市污水具有温度相对恒定,冬暖夏凉的特点,是一种优良的低温热源,与热泵结合具有很好的节能前景.搭建了热泵实验平台,并以上海市某污水厂的二级出水为热源,研究了污水源侧流量、用户侧流量、进口温度对制冷工况下系统性能系数的影响;基于实验数据,对系统的性能系数进行拟合,并与实际结果进行了验证.研究结果表明,系统性能系数随用户侧进口温度的增加而缓慢增加;随污水源侧流量、用户侧流量的增加而明显增加;系统性能系数的拟合结果可以较好地反映系统的实际运行工况,平均误差仅为3.35%.

城镇污水; 热泵; 流量; 温度; 性能拟合

近年来,随着国民生活水平的提高,城市污水的排放量逐年增加.以上海市为例,据统计,上海市城镇污水处理厂的日平均运行水量约为6.0×106t.城镇污水具有水量大,水质稳定,冬暖夏凉的特点,是一种优良的低温热源.利用热泵来回收污水中的热能是现在研究的热点之一[1-2].与常见的空气源热泵相比,污水源热泵具有较高的性能系数(Coefficient of Performance,COP)[3],因此可以减少建筑能耗及二氧化碳排放[4-5],具有很大的节能潜力.

目前国内已建成的污水源热泵系统中大都以污水处理厂的二级出水作为热源[6],并且对污水源热泵的研究及示范工程主要集中在中国北方地区,在南方地区(如上海等城市)的研究相对较少[7].这些城市冬夏季污水温度与环境温度的差距虽没有北方城市那么大,但也有巨大的节能潜力.本文搭建了热泵实验平台,并以上海市某污水厂的二级出水为热源,研究了污水源侧流量、用户侧流量、进口温度对系统COP的影响,并在实验的基础上,对系统的COP进行了公式拟合.

1 实验平台搭建

1.1 系统组成

图1和图2分别为污水源热泵的系统原理和实物图.该系统为水-水源热泵机组,分别由污水源侧、用户侧、热泵3个子系统组成.其中,污水源侧由A和B两个水箱、一个水泵及相应的连接管道组成,A水箱为系统污水进口,B水箱为系统污水出口;用户侧由一个水泵、C水箱、风机盘管及相应的连接管道组成,其中C水箱体积较小,主要用于用户侧进口水温测量.

图1 污水源热泵系统原理

图2 污水源热泵系统测试实验平台

开始时,对于水源侧,A水箱内为污水,B水箱无水,a阀门和d阀门打开,b阀门和c阀门关闭;工作时,A水箱中的污水经压缩泵、流量计后进入水源热泵系统内换热,之后经d阀门回到B水箱.对于用户侧,实验开始时,C水箱中注满水,开启风机盘管及用户侧压缩泵;工作时,C水箱的水经压缩泵、流量计后与热泵系统换热,之后到达风机盘管,通过风机盘管向房间内供冷.

1.2 系统测量装置

污水源热泵系统需要测量的变量主要为水源侧进口水温、水源侧出口水温、用户侧进口水温、用户侧出口水温、系统功耗以及环境温度.实验设计时,图1中A,B,C水箱内沿高度方向分别均匀布置了5个热电偶,污水源侧进口水温、出口水温及用户侧进口水温分别由A,B,C水箱内对应时刻几个热电偶的平均温度计算而得;用户侧出口水温由布置在风机盘管出口50 mm和80 mm处两个热电偶的平均值计算而得,两个热电偶均固定在水管中间,测量值为真实的用户侧出口水温.整个系统功耗(包含水泵、压缩机、风机盘管的功耗)由电流和电压的乘积计算而得,本文中的电压采用定值,为380 V;电流值由交流电流传感器测量,采用4～20 mA标准输出.表1为系统关键部件及测量仪器的详细信息.

表1 系统部件及测量仪器具体参数

2 计算分析

热泵系统的制冷性能指标通常以COP来衡量,对于污水源热泵同样适用,其计算定义为:

(1)

式中:Qc——系统的制冷量,kW;

W0——系统总的功耗,kW.

在本文中,系统的总功耗主要由压缩机功耗、水泵功耗、风机功耗等3部分组成.

系统稳定运行时,制冷量为:

(2)

c——水的比热容,取值为4.2 kJ/(kg· ℃);

te,o——风机盘管出口处水温, ℃;

te,i——风机盘管进口处水温, ℃.

当三相负载平衡时,系统的总功耗为:

(3)

式中:U——电压,这里取值为380 V;

I——电流,具体数值由电流传感器测得,A;

cosφ——功率因数,生产厂家建议取值为0.8.

水源热泵的COP主要受蒸发侧水温及冷凝侧水温的影响,Gordon and Ng模型是对系统COP拟合中经典的模型之一[8].公式为:

(4)

式中:COPsim——拟合的系统性能系数;

tc,i——水源侧进口水温, ℃;

A0,A1,A2——待确定的系数.

拟合的系统性能系数COPsim与实际系统性能指数COPexp之间的差距,通常通过误差来衡量,即:

(5)

3 实验过程及结果分析

3.1 污水厂进厂水温与上海市环境温度比较

图3为2010年上海市某污水厂的污水进水温度与环境温度[9]月平均值的对比图.从图3可以看出,上海市的污水进水温度冬季一般在15 ℃左右,夏季一般在25 ℃左右;和室外环境温度相比,污水的进水温度全年相对比较稳定,在15.2～25.7 ℃之间波动,具有冬暖夏凉的特点.污水厂月平均进水温度与月平均环境温度之间的温差在冬季1月份存在正的最大值,在夏季7月份存在负的最大值,分别为9.7 ℃和-5.8 ℃.冬季的正温差和夏季的负温差可降低热泵系统冷热源之间的温差,保证污水源热泵系统较高的COP.

图3 2011年上海市某污水厂污水进水温度与环境温度月平均值的比较

3.2 流量和蒸发温度对系统COP的影响

从图3可以看出,7月份和8月份夏季污水的水温基本在25 ℃左右.基于此,本文在污水水温为25.1±0.1 ℃的情况下,通过实验研究了污水源侧流量、用户侧流量及用户侧进口温度对系统COP的影响.其中,污水源侧和用户侧的系统设计最大流量均为41 L/min.

3.2.1 污水源侧流量对系统COP的影响

保持用户侧进口温度及流量不变,同时保持污水源侧进口水温不变,改变污水源侧的流量.通过数据采集仪记录的用户侧出口温度及系统电流,即可计算得到系统COP在该工况下的变化规律.

用户侧水流量保持在41 L/min时,系统的COP随污水源侧流量的变化趋势如图4所示.从图4可以看出,系统的COP随污水源侧流量的增大而增大.污水源侧流量从26 L/min增加至41 L/min过程中,系统的COP几乎呈线性增长;由于用户侧的流量不变,用户侧进出口温差也基本保持不变,在4.50 ℃左右.

图4 污水侧流量对系统COP和用户侧进出口温差的影响

3.2.2 用户侧流量对系统COP的影响

保持污水源侧进口温度及流量不变,同时保持用户侧进口水温不变,改变用户侧的流量.通过数据采集仪记录的用户侧出口温度及系统电流,即可计算得到系统COP在该工况下的变化规律.

污水源侧流量保持在41 L/min时,用户侧流量对系统COP及用户侧进出口温差的影响如图5所示.从图5可以看出,系统的COP随着用户侧流量的增大而逐渐增大,但当流量接近最大流量时,系统的COP增势变缓.与图4相比可以看出,用户侧流量对系统COP的影响更明显.同时,当用户侧流量增大时用户侧进出口的温差减小,用户侧流量从26 L/min增加至41 L/min过程中,用户侧进出口温差从5.76 ℃减小到4.58 ℃.

图5 用户侧流量对系统COP和用户侧进出口温差的影响

3.2.3 用户侧进口水温对系统COP的影响

保持用户侧及污水源侧的流量均为最大流量,同时保持污水源侧的水温不变,改变用户侧的进口温度.通过数据采集仪记录的用户侧出口温度及系统电流,即可计算得到系统的COP在该工况下的变化规律.本文对用户侧进口温度分别为8.0±0.1 ℃,8.5±0.1 ℃,9.0±0.1 ℃,9.5±0.1 ℃ 4个工况进行了实验研究.

图6反映的是用户侧进口水温对系统COP的影响.

图6 用户侧进口水温对系统COP的影响

从图6可以看出,系统的COP随着用户侧进口水温的增加而略微有所增加,从4.16增加至4.23,总体增幅不大.同时,由于用户侧的流量保持不变,因此用户侧进出口的温差也相对恒定,在4.3 ℃左右.

3.3 污水源热泵COP拟合

污水水温会影响热泵的蒸发温度及系统运行特性;同时污水源侧的水温和用户侧的水温会共同影响系统的COP.对不同污水源侧水温、用户侧水温进行全范围覆盖的实验研究,需要耗费大量的人力物力.因此,本文根据式(4),对最大流量条件下基于污水源侧进口水温、用户侧出口温度的系统的COP进行拟合,并将拟合结果与其他随机污水侧进口温度、用户侧出口温度条件下的实验结果进行验证.从污水厂获得的数据得知,一般情况下,污水厂出厂温度会比进水温度高3～5 ℃,因此本文随机污水的水温范围在24～30 ℃左右.

拟合选取不同的污水侧进口水温、用户侧出口水温具体如表2所示.

表2 系统COP拟合对应系统参数

根据式(4),输入以上参数,解矩阵后,即可求得对应未知数A0,A1,A2的值.求得的结果为:A0=-23.308 2;A1=-0.153 5;A2=14.732 8.即污水源热泵的拟合结果为:

(6)

根据式(6),对该拟合公式在其他不同污水进水温度及用户侧进口水温的适用性进行了随机试验,最终拟合与实际结果对比如表3所示.

表3 拟合结果与实际结果对比

从表3可以看出,式(6)的拟合结果可以较好地用来预测系统的实际性能系数COPexp,系统拟合的性能系数COPsim与实际运行结果比较接近,最大误差小于7%,平均误差仅为3.35%.

本文中实验平台每天的流量约为60 t,而一般的污水厂或是水源热泵的流量基本都在几千吨甚至上万吨;同时文中根据式(4)得到的拟合结果也仅对该实验平台有意义,对于不同容量的污水源热泵系统,或不同的控制模式,会得到不同的拟合结果,因而本文中的实验结果及结论对大容量的系统工程仅具有定性的参考意义.

4 结 论

(1) 系统的COP随污水源侧流量的增大呈线性增长;用户侧进出口温差基本不变.

(2) 系统的COP随用户侧流量的增大而逐渐增大,接近最大流量时,COP的增幅变缓;同时用户侧进出口的温差随流量的增大而减小;用户侧流量比污水源侧流量对系统COP的影响更明显.

(3) 系统的COP随用户侧进口水温的增加而略微增加.

(4) 系统性能系数的拟合可以较好地模拟系统的实际运行工况,拟合结果与实际结果相比平均误差仅为3.35%.

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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

张涛(1986-),男,博士,讲师,山东临沂人.主要研究方向为热泵空调系统设计.E-mail:zhtyn86@163.com.

上海高校青年教师培养资助计划(ZZsdl15076);上海市科学委员会科研计划项目(14DZ1207106).

TU831.36;X703

A

1006-4729(2017)05-0434-05

(编辑 桂金星)