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直接式与间接式污水源热泵系统供热性能分析点击：1826 日期：[ 2014-04-26 21:57:55 ] |
| 直接式与间接式污水源热泵系统供热性能分析 钱剑峰1, 2 ,张力隽3,张吉礼1,孙德兴3 (1.大连理工大学土木水利学院,辽宁大连 116024; 2.哈尔滨商业大学土木与制冷工程学院,黑龙江哈尔滨 150028;3.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨 150090) 摘要：城市污水源热泵系统的性能系数是其经济性的重要评价指标.基于工程热力学的基本原理,对直接式和间接式系统供热工况的性能进行了分析与比较.结果表明:直接式污水源热泵系统的实际COP比间接系统高约0.3,污水温度与用户供水温度对系统性能影响较大,而系统污水或中介水温降、蒸发器或冷凝器平均温差对系统性能影响较小. 关键词：污水源;热泵系统;直接式;间接式;性能系数 中图分类号：TU831.6 文献标识码：A 城市污水是一种城市余热型清洁能源,作为热泵冷热源为建筑物供暖、制冷具有重要的现实意义[1-2].污水源热泵比传统的热源和空调有明显的节能效果,这一点已被诸多研究和实践证实[3-7].我国以原生污水、一级出水作热源的直接式污水源热泵系统的实际工程还不多见,如文献[5-7]所报道的均为间接式污水源热泵系统.虽然对直接式系统研究很少,在系统经济、节能、环保性分析时,研究者大都未考虑污水换热器等中间系统的影响.实际上两者的污水资源利用成本差异较大,不仅受不同地区、用户及国家能源政策等因素影响,而且初投资及运行费用差距也较大.因此,本文将对直接式系统的能源利用效率进行分析,并与间接式系统进行比较,量化地衡量直接式系统的节能效果,并作为经济性评价的基础,为直接式系统的实际应用提供依据. 1 直接式系统性能系数 在热泵之间进行选择和评价时最为常用的性能指标是性能系数COP(Coefficient Of Perform-ance).相同的工况下,COP值越大,说明热泵系统的效率越高、越节能.直接式污水源热泵系统(如图1),污水由取水设备经防阻塞处理、污水泵提升后直接进入机组的蒸发器,放出热量后排回到污水干渠中.热泵机组的制冷剂吸收污水的热量,经压缩升温后将热量提供给用户.实际系统的性能系数与蒸发器进出口温度、冷凝器进出口温度有关. 污水源热泵系统中常用的蒸发器、冷凝器一般为卧式壳管式,传热介质的流动方式为逆流.它们的对数平均传热温差分别为[8]: 上两式中,污水的供水温度根据当地污水干渠的冬季实测温度确定.热泵系统供给用户的供水温度,按照实际工程中热泵采暖时的供水温度范围取用,一般在40~60℃之间.为达到较好的经济性,污水出口水温与蒸发温度之差应控制在合理范围.若蒸发温度te过低,压缩比增大,吸汽比容变大,使得制冷系统运行的供热系数和机组效率均下降,经济性变差,制冷量下降,或需要增大压缩机的容量.而从传热学观点分析,te过低使传热温差Δtm,e变大.这样在同样制冷量时,可选择传热面积小的蒸发器,可减少换热设备的初投资.反之,te过高,则选择的蒸发器面积大,但制冷系统运行的经济性提高和制冷量增加,或可选用较小的压缩机.据文献,壳管式蒸发器蒸发温度宜比出口水温低2~4℃. 蒸气压缩式热泵理想循环为逆卡诺循环.一切实际循环的性能系数总是小于相同热源时的逆卡诺循环的性能系数,即相同冷、热源时,逆卡诺循环性能系数为实际热泵循环的最理想值. 式中:COPmax为逆卡诺循环热泵供热性能系数;Tc,Te分别为热力学冷凝温度、蒸发温度(K).蒸气压缩式热泵理想循环由前面确定的蒸发温度和冷凝温度,结合热泵循环所进行的过程,可以确定各状态点.通过查表、状态方程、数值计算等方法可确定各点状态参数.理想循环的冷凝器放热量和功耗、性能系数分别为： 式中:Qc为理想循环冷凝器放热量(kW);W为理想循环压缩机消耗功(kW);COPl为理想循环性能系数;mR为制冷剂质量流量(kg/s);h1~h3为各状态点的焓值(kJ/kg).实际热泵系统的性能系数应考虑电动机效率、压缩机效率、换热器效率、系统其它损失等各种效率和能量损失. COP=COPl·η1·η2·η3·(1-η4) (11)式中:COP为实际热泵循环性能系数;η1为电动机效率,取95%;η2为压缩机效率,取86%~90%;η3为换热器效率,90%~95%;η4为考虑输送、阀门等其它损失的效率,一般大于95%.显然,COPmax>COPl>COP,目前虽然没有实际热泵循环能达到卡诺循环,但COPmax仍常用来粗略计算和比较热泵系统的性能.COPmax是热泵系统的实际性能系数,用来比较、选用热泵等,是热泵经济性重要评价指标. 2 间接式系统性能系数 间接式污水源热泵系统(如图2)增加了污水换热器,污水不直接与进热泵机组,而由中介循环水作载热体. 与直接式系统相比,间接式系统在求解蒸发温度和冷凝温度时需借助中介换热器对数平均温差. 式中:tz,i,tz,o分别为中介循环水流入、流出蒸发器的温度(℃);Δtm,z为污水换热器换热平均温差,根据工程实际经验取3~4℃;设Δtz为循环水流入、流出蒸发器温度差(℃),Δtz=tz,i-tz,o.当使用卧式壳管式蒸发器,氟利昂制冷剂时取4~6℃.同前面直接式系统计算,污水供水温度tw,i根据当地污水干渠冬季实测温度及气象参数确定,若将污水温降Δtw=tw,i-tw,o视为已知,则可得出: 从而确定系统中各点的温度.另外,蒸发器的蒸发温度比中介循环水出口温度低2~4℃,作为核算条件验证计算的合理性. 在相同的用户采暖供、回水温度和相同的污水取、排水温度间工作的两系统,间接式系统比直接式系统多经过一次换热,损失一部分热量,使得两系统的冷凝温度相同,但间接式系统的蒸发温度较低,因此间接式系统的性能系数也低于直接式系统. 3 影响因素分析 在热泵系统COP值比较之前,需确定适当计算条件,使得两种系统在均等的条件下进行计算,才能使结果具有可比性.对于污水源热泵系统,其比较条件为:相同的气候条件、同一建筑、相同采暖(制冷)效果、相同的输入污水水温、对环境相同影响等.由前面分析可知,热泵系统的性能系数与污水的温度、污水温降、用户供水水温、用户供回水温差等有关,另外还与设备(蒸发器、冷凝器、污水换热器)的平均温差选取有关.为了区分直接式系统和间接式系统,可用下标z表示直接式系统,j表示间接式系统.下面以哈尔滨地区为例,建筑的冬季采暖热负荷指标为55~65 kW/m2,冬季未处理城市污水温度为9~11℃,已处理城市污水温度为8℃左右. 3·1 污水参数 污水的参数指污水进入直接式系统的蒸发器或间接式系统的污水换热器的温度,以及系统能使污水温度降低的程度. 由图3可以看出,冬季污水水温越高,污水进入蒸发器或污水换热器的温度越高,热泵系统的性能系数也就越高.污水源热泵的理想循环(卡诺循环)的COP在6.25~7之间,饱和循环的COP在5~5.5间,实际循环的COP在3.5左右,直接式系统的经济性明显优于间接式系统. 由图4可以看出,直接式系统的COP随污水温降、间接式系统的COP随中介水的温降增大而下降.即从单位体积(或质量)的污水中取热量增加,反而使系统的COP有所下降,但是由于污水温降增大,则可以选择较小的污水泵,减少系统的总投资.COP下降使运行费用上升.因此在设计计算时要综合考虑运行费用和投资额的变化,使总费用最小,选取合理的污水温降. 3·2 设备参数 蒸发器和冷凝器的平均传热温差是影响系统经济性的重要因素.从图5和图6可见,主要设备平均温差的选择对系统的COP影响并不大,平均温差每变化1℃,系统的COP变化约为0.1. 3·3 用户参数 用户参数包括用户供水温度和供回水温差两个重要因素.图7表明:随着用户采暖供水升高,污水源热泵系统的性能系数变小,直接式系统与间接式系统COP值的差别也变小,但直接式系统的COP值仍大于间接式系统的.可见,在实际中,无论是直接还是间接,降低用户供水温度,都有利于增大热泵系统的节能效果,对直接式系统的影响要比对间接式系统的影响明显.图8表明:用户供回水温差增大使得系统的COP增大,但用户供回水温差在4~8℃间变化,实际系统,不论是直接式系统还是间接式系统,COP值的变化量只有0.1左右,基本是平行的同时增大相同的值. 4 结 论 性能系数是热泵系统经济性的重要评价指标.本文主要基于工程热力学的基本原理,对直接和间接系统进行能源有效利用情况了分析.1)通过建立系统各点温度关系方程组,确定了蒸发温度和冷凝温度,从而可计算系统的COP值.2)以相同蒸发温度和冷凝温度下的逆卡诺循环、制冷剂饱和循环的COP及考虑各种效率和能量损失的实际循环的COP作为对比进行分析.计算结果表明:直接式污水源热泵系统的实际COP比间接系统高约0.3,因此,直接系统比间接系统有更好的经济性.3)不论是直接式还是间接式污水源热泵系统,污水温度对热泵系统的性能都近似呈现线性的影响.冬季污水温度升高使系统的COP升高,污水温度升高2℃,COP升高0.3;直接系统污水(间接系统中介水)冬季温降、蒸发器平均传热温差,冷凝器平均传热温差对系统性能影响较小;用户冬季供水温度升高,使系统的COP下降. 参考文献：略 |
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