張群力,楊一雄,張新超,劉芳
(1 北京建筑大學(xué)供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)與空調(diào)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044;2 北京建筑大學(xué)北京節(jié)能減排與城鄉(xiāng)可持續(xù)發(fā)展省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100044;3 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082)
城市污水具有溫度相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn),是一種應(yīng)用潛力大且優(yōu)良的低品位熱源。污水源熱泵可以高效利用城市污水低品位熱能為建筑供熱和制冷。污水源熱泵供熱和制冷方式在世界上得到了較為廣泛的應(yīng)用。瑞典是最早將污水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用到城市區(qū)域供熱的國(guó)家,世界上第一個(gè)被正式投入運(yùn)營(yíng)的污水源熱泵系統(tǒng)就是在瑞典的斯德哥爾摩Sala鎮(zhèn),經(jīng)過(guò)五年的發(fā)展,瑞典用于供熱的污水源熱泵系統(tǒng)的裝機(jī)容量大約為541.3MW。1983年在奧斯陸開(kāi)始運(yùn)營(yíng)的污水源熱泵系統(tǒng)是挪威的第一個(gè)城市污水源熱泵系統(tǒng)。我國(guó)污水源熱泵技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用工程也較多。在21世紀(jì)初期,秦皇島的一個(gè)污水處理廠附近建造了國(guó)內(nèi)第一個(gè)污水源熱泵機(jī)組的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),至今仍運(yùn)行狀態(tài)良好。北京南站的污水源熱泵系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)早期較大的污水熱能利用系統(tǒng)。哈爾濱某商場(chǎng)建立了回收原生污水中余熱的原生污水源熱泵系統(tǒng)。通常污水源熱泵供熱應(yīng)用會(huì)面臨污水源熱泵能效提升和供熱系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的問(wèn)題。污水水質(zhì)差、易堵塞和結(jié)垢的問(wèn)題也會(huì)對(duì)污水源熱泵機(jī)組換熱器的傳熱性能產(chǎn)生影響,降低污水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行可靠性。目前污水源熱泵系統(tǒng)多采用滿液式污水蒸發(fā)器,而降膜式蒸發(fā)器能使制冷劑在換熱管外壁形式薄液膜,其蒸發(fā)熱阻小,是一種高效的蒸發(fā)形式,能夠產(chǎn)生較高的傳熱系數(shù)。冀文濤等對(duì)降膜蒸發(fā)器進(jìn)行了很多的實(shí)驗(yàn),研究了在水平管降膜式蒸發(fā)器中分別使用R134a和R123制冷劑其性能的變化、在水平增強(qiáng)管束中使用高壓制冷劑R32和R410A時(shí)具有核沸騰的水平管降膜式蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)變化以及在單管束中向下蒸汽流對(duì)水平管降膜蒸發(fā)器性能的影響,并總結(jié)了局部管束平均傳熱系數(shù)隨蒸汽速度的變化規(guī)律。
為提高現(xiàn)有污水源熱泵機(jī)組的供熱效率,本文提出利用水平管降膜式蒸發(fā)器替換滿液式蒸發(fā)器。研發(fā)了反沖洗水平管降膜式污水源熱泵供熱機(jī)組,并在污水利用現(xiàn)場(chǎng)建立了污水源熱泵機(jī)組供熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)比分析了降膜式污水蒸發(fā)器與滿液式污水蒸發(fā)器的換熱性能和熱泵機(jī)組供熱性能的差異。在污水源熱泵機(jī)組蒸發(fā)器的污水側(cè)安裝了原生污水反沖洗裝置,定期切換污水流向?qū)ξ鬯舭l(fā)器進(jìn)行反向沖洗,可以減少污水蒸發(fā)器的堵塞現(xiàn)象,提高污水蒸發(fā)器的傳熱系數(shù),提高直接換熱式原生污水源熱泵機(jī)組的供熱性能。
為對(duì)比分析實(shí)際污水工況下污水源熱泵機(jī)組的性能,本文在北京某住宅小區(qū)供熱現(xiàn)場(chǎng)搭建了可以對(duì)照不同蒸發(fā)器類型的污水源熱泵機(jī)組供熱性能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),該供熱機(jī)組與既有污水源熱泵機(jī)組并聯(lián)供熱,為供熱用戶提供熱量。污水源熱泵機(jī)組北部的城市排水管網(wǎng)中的實(shí)際污水流量為4000~5000m/h,冬季污水的溫度為12~19℃,夏季污水的溫度為22~28℃,污水的pH為中性。
通常熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器分為干式蒸發(fā)器、滿液式蒸發(fā)器和降膜式蒸發(fā)器等型式。目前污水源熱泵系統(tǒng)多采用滿液式污水蒸發(fā)器,該類型蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)低、體積大、制冷劑充灌量大,增加了現(xiàn)場(chǎng)安裝空間難度。降膜式蒸發(fā)器具有溫差小、傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、制冷劑充灌量低等優(yōu)點(diǎn),可以有效提高污水源熱泵機(jī)組的供熱性能。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理如圖1所示。
圖1 水平管降膜式污水源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理
污水源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由污水反沖洗系統(tǒng)、降膜式系統(tǒng)、滿液式系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)組成。其中污水反沖洗系統(tǒng)是由安裝在污水換熱器進(jìn)出口的4個(gè)電磁閥和控制柜組成,通過(guò)控制電磁閥不同的開(kāi)關(guān)組合,形成對(duì)污水換熱器的反沖洗,控制柜中的時(shí)間繼電器來(lái)控制相應(yīng)的開(kāi)關(guān),可以通過(guò)設(shè)置不同的切換時(shí)間間隔來(lái)改變系統(tǒng)的反沖洗頻率。在降膜式蒸發(fā)器工作流程中,經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后的制冷劑將依次經(jīng)過(guò)冷凝器和膨脹閥后,進(jìn)入水平管降膜式污水蒸發(fā)器內(nèi)與污水進(jìn)行換熱,吸熱后的制冷劑氣體再進(jìn)入壓縮機(jī)完成工作循環(huán)。表1為水平管降膜式污水蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)尺寸。
表1 水平管降膜式污水蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)尺寸
在滿液式蒸發(fā)器工作流程中,制冷劑經(jīng)膨脹閥后將進(jìn)入滿液式污水蒸發(fā)器內(nèi)與污水進(jìn)行換熱,吸熱后的制冷劑氣體再進(jìn)入壓縮機(jī)完成工作循環(huán)。表2為滿液式污水蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)尺寸。
表2 滿液式污水蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)尺寸
為防止換熱器堵塞,在換熱器污水進(jìn)口處設(shè)置有污水反沖洗裝置,該裝置是由四通旋堵將污水換熱器污水進(jìn)出口和污水管網(wǎng)供回水管連接,通過(guò)改變四通旋堵的方向來(lái)切換污水進(jìn)口中污水的流向,從而起到對(duì)換熱器反沖洗的作用。表3為該實(shí)驗(yàn)污水源熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)。
表3 污水源熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)
為更加真實(shí)準(zhǔn)確反映實(shí)際污水工況下的機(jī)組運(yùn)行性能差異,在實(shí)際住宅污水熱能利用現(xiàn)場(chǎng)搭建了50kW 供熱量的反沖洗降膜式污水源熱泵機(jī)組供熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并對(duì)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在降膜式蒸發(fā)器和滿液式蒸發(fā)器流程下的實(shí)際運(yùn)行性能進(jìn)行對(duì)比測(cè)試研究。對(duì)不同反沖洗頻率和時(shí)間對(duì)污水源熱泵機(jī)組供熱性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)物如圖2所示。
圖2 水平管降膜式蒸發(fā)器污水源熱泵系統(tǒng)
本實(shí)驗(yàn)所需的溫度和流量數(shù)據(jù)通過(guò)在污水熱交換器、熱泵系統(tǒng)等主要設(shè)施的進(jìn)出口處添加的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和儲(chǔ)存設(shè)備獲得,對(duì)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在運(yùn)行中的污水流量、污水供回水溫度、供熱熱水流量、供熱供回水溫度、系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和系統(tǒng)功率進(jìn)行了記錄,記錄時(shí)間間隔為5min。通過(guò)切換降膜式污水蒸發(fā)器與滿液式污水蒸發(fā)器的運(yùn)行,對(duì)兩者的性能進(jìn)行對(duì)比。以供熱回水溫度作為該機(jī)組開(kāi)啟與否的判斷條件,設(shè)定目標(biāo)溫度為50℃,當(dāng)供熱回水溫度高于50℃時(shí),機(jī)組停止運(yùn)行。
該實(shí)驗(yàn)使用熱電偶溫度計(jì)來(lái)測(cè)量污水的溫度、供熱的溫度和壓縮機(jī)進(jìn)出口制冷劑的溫度,使用電磁流量計(jì)測(cè)量污水的流量,使用壓力傳感器測(cè)量蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn)出口壓力。表4提供了測(cè)量?jī)x器名稱及精度。
表4 測(cè)量?jī)x器名稱及其精度
根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》,熱泵系統(tǒng)的供熱量計(jì)算方法如下。
根據(jù)測(cè)試所得污水側(cè)進(jìn)出口溫度和流量,可按照式(1)計(jì)算出蒸發(fā)器吸收的熱量。
式中,為污水源熱泵冷凝器的放熱量,kW;為冷凝器中污水的平均比熱容,kJ/(kg·℃);為冷凝器中熱水流量,kg/s;為冷凝器中熱水進(jìn)口溫度,℃;為冷凝器中熱水出口溫度,℃。
污水源熱泵機(jī)組供熱系數(shù)可根據(jù)式(3)計(jì)算。
式中,為熱交換器中制冷劑的蒸發(fā)溫度,℃。
在表4中已經(jīng)列出了各個(gè)儀器的精度范圍,根據(jù)測(cè)量?jī)x器的精度,采用Bevington和Robinson等的方法來(lái)計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差傳遞。表5提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擴(kuò)展不確定度,置信度為95%。
表5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擴(kuò)展不確定度
通過(guò)計(jì)算可知,蒸發(fā)器的換熱量、冷凝器的換熱量、污水源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)以及污水換熱器的總傳熱系數(shù)的不確定度均在±5%以內(nèi),說(shuō)明從該系統(tǒng)中獲取的數(shù)據(jù)誤差在合理范圍之內(nèi)。
分別測(cè)試了熱泵系統(tǒng)在降膜模式、滿液模式和反沖洗模式下的運(yùn)行狀態(tài),并記錄了各個(gè)參數(shù)的變化進(jìn)行分析。
該水平管降膜式污水蒸發(fā)器中的污水進(jìn)出口設(shè)置為上下進(jìn)出,實(shí)驗(yàn)中對(duì)該系統(tǒng)從開(kāi)機(jī)調(diào)試到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程均進(jìn)行了監(jiān)測(cè),整個(gè)過(guò)程可以分為調(diào)試階段、污水上進(jìn)下出階段和污水下進(jìn)上出三個(gè)階段。
如圖3所示,降膜式污水蒸發(fā)器在運(yùn)行時(shí)需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)試,使制冷劑能夠在污水管外壁形成均勻穩(wěn)定的薄膜,才能達(dá)到最佳性能;該降膜式污水蒸發(fā)器在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),平均傳熱系數(shù)約為1960.90W/(m·℃),最大能夠達(dá)到2210.23W/(m·℃);如圖4所示,當(dāng)把系統(tǒng)切換到滿液模式時(shí),滿液式污水蒸發(fā)器可以較快達(dá)到最佳性能,然而當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),滿液式污水蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)約為1224.28W/(m·℃)。降膜式污水蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)比滿液式污水蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)高了60.17%。在降膜式蒸發(fā)器運(yùn)行模式下其傳熱系數(shù)表現(xiàn)出了較大波動(dòng),這些波動(dòng)可能有兩個(gè)原因:①該機(jī)組為實(shí)驗(yàn)機(jī)組,降膜式蒸發(fā)器的規(guī)模較小,實(shí)際運(yùn)行時(shí)的降膜效果不太理想;②由于該機(jī)組需要在降膜模式和滿液模式之間切換,制冷劑的充注量可能較多,降膜效果減弱。
圖3 降膜式污水蒸發(fā)器傳熱系數(shù)的變化
圖4 滿液式污水蒸發(fā)器傳熱系數(shù)的變化
通過(guò)對(duì)污水供回水溫度、污水流量、供熱供回水溫度、供熱熱水流量和系統(tǒng)功率的監(jiān)測(cè)和分析得到了不同模式下污水源熱泵機(jī)組的供熱性能變化情況,如圖5、圖6 所示。在降膜模式下供熱供水溫度平均值為41.8℃,回水平均溫度為38.2℃。在滿液模式下,供熱供水溫度平均值為45.4℃,回水平均溫度為42.1℃。
如圖5所示,該熱泵機(jī)組在降膜模式下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),其平均供熱性能系數(shù)COP 為4.6;如圖6 所示,該熱泵機(jī)組在滿液模式下運(yùn)行時(shí),其平均供熱性能系數(shù)COP 為4.2。降膜式污水源熱泵機(jī)組的平均供熱性能系數(shù)比滿液式污水源熱泵機(jī)組的平均供熱性能系數(shù)提高了9.52%。
圖5 降膜式污水源熱泵機(jī)組的供熱性能變化
圖6 滿液式污水源熱泵機(jī)組的供熱性能變化
2.3.1 反沖洗模式下傳熱系數(shù)的變化
由于該降膜式污水蒸發(fā)器的污水進(jìn)出口是上下進(jìn)出,污水流向的改變也會(huì)對(duì)蒸發(fā)器和機(jī)組的性能產(chǎn)生影響。為驗(yàn)證污水反沖洗的頻率對(duì)污水源熱泵系統(tǒng)性能的影響,確定了不同的反沖洗頻率,設(shè)置反洗時(shí)間間隔分別為20min、30min、40min、50min 和60min 來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在污水上進(jìn)下出階段和下進(jìn)上出階段之間交替進(jìn)行反洗實(shí)驗(yàn),每個(gè)階段持續(xù)一個(gè)反洗間隔,通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門來(lái)改變流向。該系統(tǒng)在降膜模式下運(yùn)行,從污水下進(jìn)上出的階段開(kāi)始測(cè)試。如圖7為該降膜式污水源熱泵系統(tǒng)在不同的反沖洗時(shí)間間隔下傳熱系數(shù)的變化。
從圖7可以看出,降膜式污水蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)在污水下進(jìn)上出階段總是要低于污水上進(jìn)下出階段。當(dāng)反沖洗時(shí)間間隔為20min時(shí),降膜式污水蒸發(fā)器在污水下進(jìn)上出階段的傳熱系數(shù)平均值為1072.8W/(m·℃),在上進(jìn)下出階段的傳熱系數(shù)平均值為1516.4W/(m·℃),高約41.3%;當(dāng)反沖洗時(shí)間間隔為30min時(shí),降膜式污水蒸發(fā)器在污水下進(jìn)上出階段的傳熱系數(shù)平均值為1002.8W/(m·℃),在上進(jìn)下出階段的傳熱系數(shù)平均值為1440.3W/(m·℃),高約43.6%;當(dāng)反沖洗時(shí)間間隔為40min 時(shí),降膜式污水蒸發(fā)器在污水下進(jìn)上出階段的傳熱系數(shù)平均值為1019.2W/(m·℃),在上進(jìn)下出階段的傳熱系數(shù)平均值為1472.0W/(m·℃),高約44.4%;當(dāng)反沖洗時(shí)間間隔為50min時(shí),降膜式污水蒸發(fā)器在污水下進(jìn)上出階段的傳熱系數(shù)平均值為1073.8W/(m·℃),在上進(jìn)下出階段的傳熱系數(shù)平均值為1533.9W/(m·℃),高約42.9%;當(dāng)反沖洗時(shí)間間隔為60min 時(shí),降膜式污水蒸發(fā)器在污水下進(jìn)上出階段的傳熱系數(shù)平均值為1164.7W/(m·℃),在上進(jìn)下出階段的傳熱系數(shù)平均值為1526.2W/(m·℃),高約31%。因此,系統(tǒng)應(yīng)采用污水上進(jìn)下出的模式運(yùn)行,在進(jìn)行污水反沖洗時(shí),為確保傳熱系數(shù)不會(huì)減小,反沖洗的時(shí)間應(yīng)盡可能短。
圖7 在不同的反沖洗時(shí)間間隔下傳熱系數(shù)的變化
2.3.2 反沖洗模式下污水流量的變化
在污水上進(jìn)下出階段和下進(jìn)上出階段之間交替進(jìn)行反沖洗模式下污水流量變化的實(shí)驗(yàn),每個(gè)階段持續(xù)一個(gè)反沖洗間隔,通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門來(lái)改變污水流向。該系統(tǒng)在降膜模式下運(yùn)行,從污水下進(jìn)上出的階段開(kāi)始測(cè)試。如圖8為該降膜式污水源熱泵系統(tǒng)在不同的反沖洗時(shí)間間隔下污水流量的變化。反沖洗時(shí)間間隔依然為20min、30min、40min、50min和60min。
由圖8可知,當(dāng)反沖洗的時(shí)間間隔為20min時(shí),污水流量的變化范圍為10.2~10.5m/h,平均值為10.31m/h;當(dāng)反沖洗的時(shí)間間隔為30min時(shí),污水流量的變化范圍為10.1~10.5m/h,平均值為10.26m/h;當(dāng)反沖洗的時(shí)間間隔為40min時(shí),污水流量的變化范圍為10.1~10.5m/h,平均值為10.28m/h;當(dāng)反沖洗的時(shí)間間隔為50min 時(shí),污水流量的變化范圍為10.1~10.5m/h,平均值為10.25m/h;當(dāng)反沖洗的時(shí)間間隔為60min 時(shí),污水流量的變化范圍為9.9~10.4m/h,平均值為10.08m/h。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知,在進(jìn)行反沖洗之后,系統(tǒng)中的污水流量穩(wěn)定,反沖洗模式有效防止了系統(tǒng)中污垢的形成。
圖8 在不同的反沖洗時(shí)間間隔下污水流量的變化
為了觀察反沖洗模式長(zhǎng)期的防堵效果,分別在30min 和40min 的時(shí)間間隔下再次進(jìn)行了反沖洗實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖9所示。從圖9上部分可以看出,污水流量的平均值為9.7m/h,如果測(cè)試裝置沒(méi)有進(jìn)行反沖洗,無(wú)論是在污水上進(jìn)下出階段還是在污水下進(jìn)上出階段,污水源熱泵都將逐漸被污垢阻塞,污水流量將逐漸減少,并最終在低于機(jī)組流量限制時(shí)停止。從圖9下部分可以看出,當(dāng)反沖洗時(shí)間間隔為30min時(shí),污水流量的平均值為10.13m/h,當(dāng)反沖洗時(shí)間間隔為40min時(shí),污水流量的平均值為10.28m/h,均要優(yōu)于沒(méi)有進(jìn)行反沖洗的實(shí)驗(yàn)工況。因此,反沖洗可以有效防止污水源熱泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)污水管內(nèi)的結(jié)垢。
圖9 在不同運(yùn)行方式下污水流量的變化
為了提高原生污水源熱泵機(jī)組回收城市污水余熱的能效,本文提出一種反沖洗降膜式污水源熱泵機(jī)組,并在污水利用現(xiàn)場(chǎng)建立了污水源熱泵機(jī)組供熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)比分析了降膜式污水蒸發(fā)器與滿液式污水蒸發(fā)器的換熱性能和熱泵機(jī)組供熱性能的差異。針對(duì)污水源熱泵容易存在結(jié)垢的問(wèn)題,在污水源熱泵機(jī)組蒸發(fā)器的污水側(cè)部分增加了反沖洗系統(tǒng),防止污水換熱管的堵塞,提高污水源熱泵機(jī)組的供熱性能。主要結(jié)論如下。
(1)降膜式污水蒸發(fā)器可以獲得比傳統(tǒng)滿液式污水蒸發(fā)器更好的傳熱性能。在相同的運(yùn)行條件下,待機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行后,降膜式污水蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)可達(dá)1960.90W/(m·℃),而滿液式污水蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)僅為1224.28W/(m·℃),降膜式污水蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)比滿液式污水蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)提高了60.17%,降膜式蒸發(fā)器的傳熱性能要明顯優(yōu)于滿液式蒸發(fā)器。
(2)比較了熱泵機(jī)組在降膜模式下和滿液模式下的供熱性能變化情況。在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行后,降膜模式下機(jī)組的平均供熱性能系數(shù)為4.6,滿液模式下機(jī)組的平均供熱性能系數(shù)為4.2,降膜模式下機(jī)組的平均供熱性能系數(shù)比滿液模式下的平均供熱性能系數(shù)提高了9.52%,與采用滿液式蒸發(fā)器的污水源熱泵機(jī)組相比,采用降膜式蒸發(fā)器的污水源熱泵機(jī)組具有更好的供熱性能。
(3)污水反沖洗可以有效防止直接換熱式污水源熱泵機(jī)組管道的堵塞。當(dāng)污水下進(jìn)上出時(shí)會(huì)導(dǎo)致污水降膜蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)降低,因此在降膜式污水蒸發(fā)器中使用反沖洗模式時(shí),反沖洗的持續(xù)時(shí)間應(yīng)盡可能短,從而確保系統(tǒng)中的污水流量穩(wěn)定,并且降膜式蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)不會(huì)降低。