基于分析的水源热泵利用低品味余热的试验分析

2020-06-23 10:26任建兴李芳芹冯海军章晓彤

科学技术与工程 2020年14期

马闯, 任建兴, 李芳芹, 侯鑫, 冯海军, 章晓彤

(上海电力大学能源与机械工程学院上海 200090)

目前中国经济快速发展，能源消费总量越来越多，其中工业领域的能耗约占能耗的70%，余热资源回收率仅30%左右[1]。在工业实际生产中广泛存在能量巨大、能量品位低的余热，将这部分可回收利用的余热排放到大气或者水体中，不仅能源利用率较低，还造成了生态环境的热污染等问题[2-3]。结合余热品位较低的情况，水源热泵是回收低品位余热很好的节能装置，在制热工况下，水源热泵通过耗费少量的高品位电能，依靠热力循环，实现低品位热能向高品位热能转移，获得高温水，并用来采暖，成为节能减排的一项重要措施[4-5]。

1 水源热泵回收低品位余热试验系统及原理

图1所示为水源热泵回收低品位余热试验系统，利用低温水的余热制取生活热水。该系统由水源侧系统、水源热泵系统和用户侧系统3部分组成。水源热泵机组型号为水-水整体式MSR-J036,其参数如表1所示，供热原理如图2所示。

图1 水源热泵回收低品位余热试验系统Fig.1 Water source heat pump recovery low grade waste heat test system

项目参数项目参数制冷剂R22额定制冷输入功率/kW2.1制冷剂充注量/kg1.15额定制热输入功率/kW2.8名义制冷量/kW10排气侧最大压力/MPa2.8名义制热量/kW8.3吸气侧最大压力/MPa0.75

图2 水源热泵供热原理Fig.2 Principle of water source heat pump heating

水源侧系统主要指从水源热泵系统到集水箱排水端的设备及其连接的管路，其中包括2 m3集水箱和5 kW法兰式加热器，此部分制取低温水并为回收系统提供低品位热能。

水源热泵系统是整个回收低品位余热试验的核心部分。在夏季和过渡季节，消耗少量的高品位电能，提取低温水的余热，加热生活用水，然后将热水送给用户。

用户侧系统主要指从水源热泵系统到用户房间内的换热设备及其连接的管路。此部分为水源热泵系统制取生活热水的终端设备，制取的生活用水由此提供给用户，满足生活需求。

在制热工况下，低温低压的制冷剂从蒸发器经过，吸收来自水源侧的低品位冷源的热量后温度上升，流入压缩机，被压缩成高压高温蒸汽，然后流入到冷凝器向热源放热，热量被用户侧带走，制冷剂冷凝放热后变为常温高压的液态制冷剂，通过膨胀阀降温降压处理后，低温低压的制冷剂又流入到蒸发器，反复循环，实现制热效果。

2 评价指标

2.1 性能系数

在热泵系统中，利用制热性能系数衡量热泵的性能。

(1)

式(1)中：ε为热泵制热系数；Q热为热泵系统所能实现的制热量，W；W为输入功率(压缩机消耗的电功率)，W。ε的值越高，说明压缩机的效率越高，产生的热量越多，热泵系统节能效果越好。

(2)

(3)

式(3)中:E蒸为蒸发器从低品位的电厂循环水中提取的余热热量，W；T0为环境温度，K；Te为制取低温水的温度，也就是水源侧蒸发器进口的温度，K。

(4)

式(4)中:E冷为冷凝器输出的热量，W；Tc为用户侧冷凝器水侧出口的温度，K。

将式(3)和式(4)代入式(2)得：

(5)

由热力学第一定律能量平衡方程，则在热泵系统中有：

E冷=E热+W

(6)

衡量水源热泵的制热性能好坏的参数制热性能系数的计算式为

(7)

再将式(6)和式(7)代入式(5)则得：

(8)

3 水源热泵回收低品位余热试验分析

3.1 低品位余热特性分析

目前中国余热资源丰富，存在于各行各业中，工业余热回收率仅约30%，大量低品位余热以排烟、排气、排水等形式排放到大气或水体中，可以回收的余热资源占总余热资源的60%左右，工业待发掘的余热回收潜力巨大[10-11]。中外研究者研究了从理论到实践利用热泵技术回收低品位余热的潜力及经济性[12-16]。根据中国工业余热利用的情况，通过有效的方式回收低品位余热，能够降低对生态环境的热污染，进一步提高能源利用率。