不同换热形式的污水热泵工程运行能效分析

点击：1876 日期：[ 2014-04-26 21:08:14 ]

不同换热形式的污水热泵工程运行能效分析李建兴1,　赵　力2,　池勇志3 (1.天津市市政工程设计研究院,天津300051;2.天津大学机械工程学院,天津300072; 3.天津城市建设学院市政与环境工程系,天津300384) 摘要：对分别采用直接式、间接式换热系统的两个不同的污水源热泵工程,进行了系统运行参数实测,并计算得到了冬季热泵系统的运行能效比。数据对比表明,直接换热式污水热泵系统的能效比较高,实际工况与样本工况的COP值偏差仅为7%,而间接式系统则为27%。关键词：污水源热泵;　直接换热;　间接换热;　运行特性中图分类号：X703.1　文献标识码:C　文章编号:1000-4602(2009)02-0098-04 城市污水中蕴藏有大量的低位能源,建筑物排放污水中所含的热能足以供应1/7左右相应建筑面积采暖空调的能耗。与传统水源热泵相比,污水热泵在实际运行中存在不良水质换热过程中可能引发的各种问题,主要包括堵塞、污染与腐蚀三个方面。针对上述问题, 将污水热泵系统分为直接式与间接式两类。若水源水直接进入热泵机组的蒸发器或冷凝器换热则为直接式系统,若水源水先与中介水换热、然后由中介水进入机组则为间接式系统。直接式系统对水源水质有较高的要求,或者说对蒸发器、冷凝器适应较差水质的能力有较高的要求。一般限定采用城市污水站中的二级出水、江河湖水、海水、地下水、部分工企业废水等,这类水源水中仅含有少量粒径<1mm的固体悬浮物,水质相对洁净。蒸发器或冷凝器则须有可靠的防堵、防污染与腐蚀能力。间接式系统采用污水换热器通过中介水进入热泵机组蒸发器或冷凝器,因此对水源水质要求较低。工程实践已经证明,即使是水质极差、完全不加处理的城市原生污水,只要使用合适的防阻技术,整个系统即可保证长期连续安全运行。笔者对参与和主持设计的分别采用直接式、间接式换热系统的天津市两个不同的污水热泵工程进行了跟踪测试,对实际运行工况进行了分析和比较。 1　直接换热式机组运行工况分析该工程总建筑面积为4600m2,其中厂区为 3400m2、办公区为1200m2,末端设备为散热器, 总热负荷为500kW,水源为污水处理厂二级出水, 其夏季水温为21~25℃,比外界气温要低10℃,而冬季出水水温基本为14~18.5℃,高于周围环境温度20℃。系统流程见图1。该工程选用HGHP高温型水源热泵机组,系统主要设备参数见表1。系统采用直接利用方式,即二级出水直接进入水源热泵机组的蒸发器而不经过中间换热器,测试时间为2006年12月1日—20日。通过测试热泵机组的蒸发器和冷凝器的进、出口水温,以及整个系统(包括水泵)的用电量,计算出供热量及用电量,并评价系统的运行能效(COP), 结果见图2。图2中的测试数据点为239个,经分析可知,热泵系统运行工况下的平均COP为2.81。根据样本数据,HGHP220型水源热泵机组在蒸发器进/出口温度(污水温度)为18℃/14℃、冷凝器进/出口温度(热源温度)为45℃/55℃时,制热量为212kW, 功率为55.4kW,热泵机组COP为3.83,综合考虑输送能耗后,得出热泵系统计算COP为3.02。实际工况COP低于样本工况7%。图3是一个测试日(12月14日9:00—15日 7:00)内机组蒸发器和冷凝器进、出口温度变化曲线。可见,污水进、出口温差仅为2.8℃,且蒸发器温差远小于冷凝器温差。造成换热温差较小的原因是污水流量大于样本流量,同时污水侧换热器表面污垢较多造成换热效果较差也是导致换热温差较小的原因。在工程设计中,增大污水量可以提高机组蒸发温度,对提高机组运行COP有利,但同时较大的污水量会增加污水泵的输送能耗,造成系统运行效率偏低。 2　间接换热式机组运行工况分析该工程总建筑面积为5000m2,其中厂区为4500m2、办公区为500m2,末端设备为风机盘管。总热负荷为395kW,水源为污水处理厂的二级出水,经过污水—中介水壳管式换热器换热后,进入热泵机组。冬季供热运行3台,夏季制冷运行1台(仅供办公区空调)。系统流程见图4。二级出水先进入污水换热器,将热量传给中介水(清水),中介水进入机组蒸发器,通过热泵循环提升热量至冷凝器,实现冬季制热运行。系统设备参数见表2,测试时间为2007年11月17日—29 日。与直接换热类似,在一个测试时段内,根据计算出的供热量及用电量评价系统的运行能效(COP),结果见图5。图5中的测试数据点为93个,经分析可知,热泵系统运行工况下的平均COP为1.55。根据样本数据,FOCS-WH0951型水源热泵机组在蒸发器进/出口温度(污水温度)为11℃/13℃、冷凝器进/ 出口温度(热源温度)为45℃/55℃时,供热量为 187.6kW,功率为58.1kW,热泵机组COP为3.23, 综合考虑输送能耗后,得出热泵系统计算COP为 2.13。实际工况COP低于样本工况27%。图6是一个测试日(11月20日9:00—21日 7:00)内机组蒸发器和冷凝器进、出口温度变化曲线。可见,蒸发器进口温度为13℃,出口温度为11 ℃,平均温度为12℃,而对比同期的污水温度(18 ℃)可知,由于中间换热器的存在,使进入机组的温度降低了5℃,这5℃的温差损失即是污水与中介水通过污水换热器的传热温差。由此可知,中间换热器的存在,虽然改善了热泵机组的运行条件,但是由于蒸发温度降低较多,在一定程度上使机组乃至系统的能效比变得较低,系统运行的经济性变差。 3　两种换热形式的系统运行效果比较直接换热式污水热泵,由于污水直接进入机组, 蒸发温度相对较高,系统能效比较高,实际工况接近样本工况,COP值偏差仅为7%;而间接换热式污水热泵,由于中间换热器存在传热温差损失,机组蒸发温度较低,系统能效比较低,实际工况COP值与样本工况偏差达27%。同时,中间换热器的存在也增加了系统的输送能耗,致使系统运行经济性变差。对比分析两个工程测试期间的机组蒸发器冷凝器的进、出口水温,中间换热器传热温差损失约为5 ℃。根据热泵机组运行的经验,蒸发温度每降低1 ℃则机组制热量降低7%、输入功率减少2%、COP降低5%,间接换热式污水热泵虽然改善了机组的运行条件,但是对机组的运行效率影响明显。同时, 间接换热形式没有根本解决污水对传热的影响,只是将污堵、腐蚀等问题留给了中间换热器,间接保护了热泵机组。对于直接换热系统,由于进入机组的污水含杂质较多,与机组测试条件水质相差较大,对热泵机组的换热效果影响较大;另外,由于进入机组的污水流量远大于机组额定流量,造成污水输送能耗较大,但是污水侧大流量小温差运行可以提高热泵机组蒸发温度,对提高机组的能效比有利,综合考虑两者影响,大流量运行对系统能效比影响较小。对于间接换热系统,由于增加了中介水循环泵系统,机组运行更为安全,但热泵系统及管路设计复杂、初投资及运行费用增加;另外,中介水系统存在换热温差损失,使机组蒸发温度降低,能效比下降,加之前述运行费用的增加,对系统能效比影响较大。针对以上问题,研究人员开发了新型污水热泵机组,采用特殊材料制造蒸发器和冷凝器,如合金钢材质(镍、铜合金,钛合金)等,主动增强机组对水质的适应性,同时又可以减少中间水换热的热效率损失。基于同样的原因,换热表面不可采用波纹、内肋等加强换热,这将提高合金钢用量,增加制造成本。 4　结语对分别采用直接式、间接式换热系统的两个不同的污水源热泵工程,进行了系统运行参数实测,数据对比表明,直接换热式污水热泵系统的能效比较高,实际工况与样本工况的COP值偏差仅为7%,而间接式系统则为27%。参考文献: [1]高琼,吴春江,杨士安.卢沟桥污水厂二级出水热泵系统的运行经验[J].中国给水排水,2006,22(20):57- 60. [2]华乃元.清华同方水源热泵机组在住宅建筑中的应用 [J].机电信息,2006,(19):62-63. [3]李建兴,涂光备.住宅采暖采用中水热泵技术的探讨 [J].中国给水排水,2004,20(4):24-26. [4]姚杨,宋艳,那威.污垢对污水源热泵系统性能的影响 [J].哈尔滨工业大学学报,2007,39(4):599-603. [5]李建兴,涂光备,周文忠.城市污水热泵在住宅供热中的应用[J].流体机械,2004,(9):65-68.

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