污水源熱泵制熱模型及外在參數(shù)影響

程小松++彭冬根++李霜玲++周君明

摘要：分別建立了污水源熱泵四大部件（蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、膨脹閥）模型，并進行耦合。采用MATLAB軟件進行編程模擬，分別計算了污垢熱阻、污水流量、污水進口溫度變化對熱泵冬季制熱性能的影響。結果顯示：當污垢熱阻在0～1（m2·K）/kW范圍內變化，系統(tǒng)制熱量由353 kW降低到301 kW，降低了14.8%；當污水入口溫度由8 ℃升高到20 ℃時，系統(tǒng)制熱量由320 kW升高到423 kW，升高了32.1%；當污水流量由10 kg/s升到20 kg/s時，系統(tǒng)制熱量由339 kW增加到364 kW等。過程中熱泵COP在3.6～4.8范圍內變化，說明污水源熱泵具有較好的熱性能。

關鍵詞：污水源熱泵；污垢熱阻；污水流量；制熱性能

Abstract：

Four main device models （evaporator， condenser， compressor and expansion valve） of the sewagesource heat pump were developed and coupled. The MATLAB software was used for this simulation， and the effects of fouling resistance， sewage flow and sewage inlet temperature on the heating performance of sewagesource heat pump were calculated respectively. The results revealed that while the fouling resistance changed from 0 to 1（m2·K）/kW， the heating capacity of the device was decreased from 353 kW to 301 kW， decreased by 14.8%. While the sewage inlet temperature increased from 8 to 20 ℃， the heating capacity of the device was increased from 320 kW to 423 kW， increased by 32.1%. While the sewage flow increased from 10 kg/s to 20 kg/s， the heating capacity of the device was increased from 339 kW to 364 kW. The COP of this heat pump changed from 3.6 to 4.8 in the process， which illustrated the good heating performance of the sewage source heat pump.

Keywords：

sewagesource heat pump； fouling resistance； sewage flow； heating performance

能源短缺以及環(huán)境污染問題越來越受到人們的關注，隨著暖通空調能耗的增加，越來越多的低品位可再生能源應用到暖通空調領域。城市污水作為一種低品位可再生能源，由于其具有水量充足，溫度波動范圍小，冬暖夏涼等優(yōu)勢，正越來越受研究者的重視[12]，污水源熱泵是水源熱泵的一種，利用城市污水作為冷熱源，通過熱泵技術為建筑提供冷量或熱量[3]，充分體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保意識。

其他國家對熱泵系統(tǒng)的研究較早，20世紀80年代，就開始對如何回收污水中的熱量進行研究，并且，分析了污水源熱泵的應用成效[4]，中國起步較晚，2005年開始，孫德興等[5]研發(fā)了一種閉式取水裝置；吳榮華等[6]基于工程實踐，對系統(tǒng)能耗、制冷制熱系數(shù)等進行了詳細測試，分析了各參數(shù)的變化規(guī)律；莊兆意等[7]分析了直接式污水源熱泵系統(tǒng)中存在的污垢、機組冬夏季切換等關鍵問題。近年來，很多學者對污水源熱泵也做了很多理論和實驗分析[811]。

前人已經(jīng)對污水源熱泵做了不少研究，但較少將污水源熱泵的各種因素考慮在內。本文采用理論模擬的方式，研究了各種影響因素對直接式污水源熱泵的影響。

1模型建立

1.1充注量計算模型

由于在封閉的熱泵系統(tǒng)中制冷劑充注量不變，且制冷劑主要集中在蒸發(fā)器和冷凝器當中。而蒸發(fā)器、冷凝器中的制冷劑又絕大部分在其兩相區(qū)中。因此，如何計算兩相區(qū)中的制冷劑含量成為關鍵。本系統(tǒng)所采用的制冷劑為R22。

1.2壓縮機模型

系統(tǒng)采用螺桿式壓縮機，壓縮機的狀態(tài)方程為

1.3冷凝器模型

冷凝器的計算包括兩相區(qū)、過熱區(qū)及過冷區(qū)3個區(qū)域，冷凝器管內走制冷劑，管外走熱水，熱水與制冷劑為逆向流動，換熱量表達式為

1.4膨脹閥模型

1.5蒸發(fā)器模型

蒸發(fā)器的計算分兩相區(qū)和過熱區(qū)兩個區(qū)，制冷劑與管外污水逆向流動，根據(jù)能量守恒定律，可列出方程

1.6模型求解

采用MATLAB軟件編程，按照以上模型建立的先后順序編寫程序。圖1為程序的總流程圖，其中，蒸發(fā)器和冷凝器模型求解均為假定出口焓，將計算出的總管長與原設定管長對比，不相等則調節(jié)出口焓，直至相等為止。

膨脹閥模型計算后將mr，p與mr，c進行對比，不等則調整冷凝溫度，直至相等。緊接蒸發(fā)器模型計算，將新算出的過熱度與原設定過熱度對比，不等則調節(jié)蒸發(fā)溫度，直至相等。之后計算系統(tǒng)充注量，并判斷計算充注量與原設計充注量是否相等，不等則調節(jié)過熱度Δtsh，直至相等，輸出結果。

程序編寫完成之后，以表1中參數(shù)為基準參數(shù)，改變污垢熱阻、污水入口溫度、污水流量，觀察其對熱泵性能的影響。

2計算結果分析

2.1模型驗證

為了驗證模型的有效性，控制污水入口溫度由10～20 ℃變化，采用文獻[18]中的裝置結構數(shù)據(jù)及初始參數(shù)值，模擬計算得出結果，其與文獻[18]中的數(shù)據(jù)對比如圖2所示，兩者數(shù)據(jù)偏差在10%以內。

2.2污垢熱阻對熱泵性能的影響

圖3是污垢熱阻從0～1（m2·K）/kW變化所得出的熱泵性能變化圖。圖3（a）中，污垢熱阻增大，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)明顯降低；冷凝器過冷度升高，由1.3 ℃升高到1.9 ℃，這是由于壓縮機入口比容增加，制冷劑質量流量減小所致；蒸發(fā)器過熱度降低，由4.78 ℃降低到4.44 ℃，這是由于制冷劑汽化潛熱增加所致。圖3（b）中，蒸發(fā)器、冷凝器的換熱量降低，蒸發(fā)器換熱量Qe由283 kW降低到235 kW，相比降低了16.9%，原因是污垢熱阻增加影響了換熱器換熱效果，導致?lián)Q熱量降低；冷凝器換熱量Qc由353 kW降低到301 kW，相比降低了14.9%；壓縮機功率降低，由69.5 kW降低到65.4 kW。圖3（c）中，蒸發(fā)溫度te不斷減小，由2.70 ℃減小到-3.10 ℃，相比蒸發(fā)溫度，冷凝溫度tc降低趨勢較小，從48.0 ℃降低到46.6 ℃，；制熱COP降低，由4.07降低到3.60，相比下降了11.7%，原因是冷凝器換熱量下降，而壓縮機耗功率增加，導致制熱COP降低。

2.3污水入口溫度對熱泵性能的影響

圖4為污水入口溫度從8～20 ℃變化所得出的熱泵性能變化圖。圖4（a）中，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)逐漸升高，原因是污水入口溫度越大，水的雷諾數(shù)將會增大，導致水側對流換熱系數(shù)越大，總換熱系數(shù)增大；冷凝器出口過冷度不斷降低，由1.69降低到0 ℃；蒸發(fā)器出口過熱度不斷升高，由4.56升高到5.41 ℃。圖4（b）中，蒸發(fā)器換熱量Qe由253 kW升高到349 kW，升高了37.9%，原因是污水入口溫度的升高，加大了管內外的溫差及換熱系數(shù)；因此冷凝器的換熱量Qc升高，由320 kW升高到423 kW，升高了32.1%；壓縮機耗功升高，由67.0 kW升高到73.5 kW。圖4（c）中，蒸發(fā)溫度、冷凝溫度均隨污水入口溫度的升高而升高。熱泵制熱COP升高，由3.77升高到4.75，原因是污水入口溫度升高大大增強了換熱器的換熱。

2.4污水流量對熱泵性能的影響

圖5為污水質量流量從10～20 kg/s變化所得出的熱泵性能變化圖。圖5（a）中，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)均增加，原因是污水質量流量越大，污水的雷諾數(shù)將會越大，因此污水側的換熱系數(shù)越大，總換熱系數(shù)就會越大；冷凝器過冷度降低，由1.46降低到1.10 ℃，蒸發(fā)器過熱度升高，由4.69 ℃升高到4.86 ℃。圖5（b）中，蒸發(fā)器、冷凝器的換熱量逐漸升高，蒸發(fā)器換熱量由271 kW增加到293 kW，原因是污水流量的增加，增加了系統(tǒng)的換熱效率；冷凝器制熱量由339 kW增加到364 kW；壓縮機的耗功升高，由685 kW升高到70.2 kW。圖5（c）中，蒸發(fā)溫度、冷凝溫度均隨污水流量的增加而增加。熱泵的制熱COP升高，由3.96升高到4.17，升高了021，原因是污水流量的增加增大了蒸發(fā)器的換熱量，導致冷凝器的制熱量增大，制熱COP升高。

3結論

1）蒸發(fā)器內污水側的污垢熱阻越大，熱泵制熱量將會降低，污垢熱阻由0～1（m2·K）/kW變化，系統(tǒng)的制熱量下降了14.9%，熱泵制熱COP下降了11.7%。

2）污水入口溫度對污水源熱泵性能影響較大，入口溫度越高，制熱量越大，溫度由8～20 ℃變化，系統(tǒng)的制熱量升高了32.1%，熱泵制熱COP升高了25.9%。

3）污水流量對裝置性能的影響小于污垢熱阻及污水入口溫度，污水流量從10～20 kg/s變化，系統(tǒng)制熱量增加了7.4%，制熱COP增加了5.3%。

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