污水源热泵制热模型及外在参数影响
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇污水源热泵制热模型及外在参数影响范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：分别建立了污水源热泵四大部件（蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀）模型，并进行耦合。采用MATLAB软件进行编程模拟，分别计算了污垢热阻、污水流量、污水进口温度变化对热泵冬季制热性能的影响。结果显示：当污垢热阻在0～1（m2・K）/kW范围内变化，系统制热量由353 kW降低到301 kW，降低了14.8%；当污水入口温度由8 ℃升高到20 ℃时，系统制热量由320 kW升高到423 kW，升高了32.1%；当污水流量由10 kg/s升到20 kg/s时，系统制热量由339 kW增加到364 kW等。过程中热泵COP在3.6～4.8范围内变化，说明污水源热泵具有较好的热性能。
关键词：污水源热泵；污垢热阻；污水流量；制热性能
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
能源短缺以及环境污染问题越来越受到人们的关注，随着暖通空调能耗的增加，越来越多的低品位可再生能源应用到暖通空调领域。城市污水作为一种低品位可再生能源，由于其具有水量充足，温度波动范围小，冬暖夏凉等优势，正越来越受研究者的重视[12]，污水源热泵是水源热泵的一种，利用城市污水作为冷热源，通过热泵技术为建筑提供冷量或热量[3]，充分体现了节能环保意识。
其他国家对热泵系统的研究较早，20世纪80年代，就开始对如何回收污水中的热量进行研究，并且，分析了污水源热泵的应用成效[4]，中国起步较晚，2005年开始，孙德兴等[5]研发了一种闭式取水装置；吴荣华等[6]基于工程实践，对系统能耗、制冷制热系数等进行了详细测试，分析了各参数的变化规律；庄兆意等[7]分析了直接式污水源热泵系统中存在的污垢、机组冬夏季切换等关键问题。近年来，很多学者对污水源热泵也做了很多理论和实验分析[811]。
前人已经对污水源热泵做了不少研究，但较少将污水源热泵的各种因素考虑在内。本文采用理论模拟的方式，研究了各种影响因素对直接式污水源热泵的影响。
1模型建立
1.1充注量计算模型
由于在封闭的热泵系统中制冷剂充注量不变，且制冷剂主要集中在蒸发器和冷凝器当中。而蒸发器、冷凝器中的制冷剂又绝大部分在其两相区中。因此，如何计算两相区中的制冷剂含量成为关键。本系统所采用的制冷剂为R22。
1.2压缩机模型
系统采用螺杆式压缩机，压缩机的状态方程为
1.3冷凝器模型
冷凝器的计算包括两相区、过热区及过冷区3个区域，冷凝器管内走制冷剂，管外走热水，热水与制冷剂为逆向流动，换热量表达式为
1.4膨胀阀模型
1.5蒸发器模型
蒸发器的计算分两相区和过热区两个区，制冷剂与管外污水逆向流动，根据能量守恒定律，可列出方程
1.6模型求解
采用MATLAB软件编程，按照以上模型建立的先后顺序编写程序。图1为程序的总流程图，其中，蒸发器和冷凝器模型求解均为假定出口焓，将计算出的总管长与原设定管长对比，不相等则调节出口焓，直至相等为止。
膨胀阀模型计算后将mr，p与mr，c进行对比，不等则调整冷凝温度，直至相等。紧接蒸发器模型计算，将新算出的过热度与原设定过热度对比，不等t调节蒸发温度，直至相等。之后计算系统充注量，并判断计算充注量与原设计充注量是否相等，不等则调节过热度Δtsh，直至相等，输出结果。
程序编写完成之后，以表1中参数为基准参数，改变污垢热阻、污水入口温度、污水流量，观察其对热泵性能的影响。
2计算结果分析
2.1模型验证
为了验证模型的有效性，控制污水入口温度由10～20 ℃变化，采用文献[18]中的装置结构数据及初始参数值，模拟计算得出结果，其与文献[18]中的数据对比如图2所示，两者数据偏差在10%以内。
2.2污垢热阻对热泵性能的影响
图3是污垢热阻从0～1（m2・K）/kW变化所得出的热泵性能变化图。图3（a）中，污垢热阻增大，蒸发器的传热系数明显降低；冷凝器过冷度升高，由1.3 ℃升高到1.9 ℃，这是由于压缩机入口比容增加，制冷剂质量流量减小所致；蒸发器过热度降低，由4.78 ℃降低到4.44 ℃，这是由于制冷剂汽化潜热增加所致。图3（b）中，蒸发器、冷凝器的换热量降低，蒸发器换热量Qe由283 kW降低到235 kW，相比降低了16.9%，原因是污垢热阻增加影响了换热器换热效果，导致换热量降低；冷凝器换热量Qc由353 kW降低到301 kW，相比降低了14.9%；压缩机功率降低，由69.5 kW降低到65.4 kW。图3（c）中，蒸发温度te不断减小，由2.70 ℃减小到-3.10 ℃，相比蒸发温度，冷凝温度tc降低趋势较小，从48.0 ℃降低到46.6 ℃，；制热COP降低，由4.07降低到3.60，相比下降了11.7%，原因是冷凝器换热量下降，而压缩机耗功率增加，导致制热COP降低。
2.3污水入口温度对热泵性能的影响
图4为污水入口温度从8～20 ℃变化所得出的热泵性能变化图。图4（a）中，蒸发器的传热系数逐渐升高，原因是污水入口温度越大，水的雷诺数将会增大，导致水侧对流换热系数越大，总换热系数增大；冷凝器出口过冷度不断降低，由1.69降低到0 ℃；蒸发器出口过热度不断升高，由4.56升高到5.41 ℃。图4（b）中，蒸发器换热量Qe由253 kW升高到349 kW，升高了37.9%，原因是污水入口囟鹊纳高，加大了管内外的温差及换热系数；因此冷凝器的换热量Qc升高，由320 kW升高到423 kW，升高了32.1%；压缩机耗功升高，由67.0 kW升高到73.5 kW。图4（c）中，蒸发温度、冷凝温度均随污水入口温度的升高而升高。热泵制热COP升高，由3.77升高到4.75，原因是污水入口温度升高大大增强了换热器的换热。
2.4污水流量对热泵性能的影响
图5为污水质量流量从10～20 kg/s变化所得出的热泵性能变化图。图5（a）中，蒸发器的传热系数均增加，原因是污水质量流量越大，污水的雷诺数将会越大，因此污水侧的换热系数越大，总换热系数就会越大；冷凝器过冷度降低，由1.46降低到1.10 ℃，蒸发器过热度升高，由4.69 ℃升高到4.86 ℃。图5（b）中，蒸发器、冷凝器的换热量逐渐升高，蒸发器换热量由271 kW增加到293 kW，原因是污水流量的增加，增加了系统的换热效率；冷凝器制热量由339 kW增加到364 kW；压缩机的耗功升高，由685 kW升高到70.2 kW。图5（c）中，蒸发温度、冷凝温度均随污水流量的增加而增加。热泵的制热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发器的换热量，导致冷凝器的制热量增大，制热COP升高。
3结论
1）蒸发器内污水侧的污垢热阻越大，热泵制热量将会降低，污垢热阻由0～1（m2・K）/kW变化，系统的制热量下降了14.9%，热泵制热COP下降了11.7%。
2）污水入口温度对污水源热泵性能影响较大，入口温度越高，制热量越大，温度由8～20 ℃变化，系统的制热量升高了32.1%，热泵制热COP升高了25.9%。
3）污水流量对装置性能的影响小于污垢热阻及污水入口温度，污水流量从10～20 kg/s变化，系统制热量增加了7.4%，制热COP增加了5.3%。
参考文献：
[1] MEGGERS F， LEIBUNDGUT H. The potential of wastewater heat and exergy： decentralized hightemperature recovery with a heat pump [J]. Energy Build， 2011，43（4）：87986.
[2] GU Y X ， FANG J. Research on the energysaving and heat transfer performance of wastewater source heat pump [C]//APEC Conference on LowCarbon Towns and Physical Energy Storage， Changsha， China，2013：37681.
[3] HEPBASLI A， BIYIK E， EKREN O.A key review of wastewater source heat pump （WWSHP） systems [J]. Energy Conversion and Management， 2014， 88： 700722.
[4] LEIF W. Heat pump based on sewage for district heating [J].New Energy Conference Technology， 1981， 3：4549.
[5] 孙德兴，吴荣华. 设置有旋转反冲洗格栅滤网德城市污水冷热源的应用装置：CN 2668729Y [P]. 2005115.
SUN D X， WU R H. A urban sewage heat and cold source device with rotating backwash grid mesh： CN 2668729Y [P]. 2005115. （in Chinese）
[6] 吴荣华，张成虎，孙德兴.城市原生污水源热泵系统运行工况与参数特性[J]. 流体机械，2005，33（11）：7376.
WU R H， ZHANG C H， SUN D X. Operating condition and parameter characteristic of urban wastewater source heat pump system [J]. Fluid Machinery， 2005， 33（11）：7376. （in Chinese）
[7] 庄兆意， 齐杰，张承虎，等. 直接式污水源热泵系统的关键技术分析[J].暖通空调，2011，41（10）：96101.
ZHUANG Z Y， QI J， ZHANG C H， et al. Key techniques of direct sewage source heat pump systems [J]. Heating Ventilating & Air Conditioning， 2011，41（10）：96101. （in Chinese）
[8] 王智伟，李扬，孙海洋，等. 直接式污水源热泵蒸发器、冷凝器污垢生长测试研究[J]. 西安建筑科技大学学报，2014，46（4），567571.
WANG Z W， LI Y， SUN H Y， et al. Test and research on the fouling in condenser and evaporator of direct sewage source heat pump system [J]. Journal of Xi'an University of Architecture & Technology，2014，46（4）：567571. （in Chinese）
[9] 吴学慧，钟益，孙德兴，等. 污水冷热源系统污垢类型
及其增长特性[J]. 暖通空调，2012，42（1）：7376.
WU X H， ZHONG Y， SUN D X， et al. Type and growing characteristics of fouling in sewage cold and heat source systems [J]. Heating Ventilating & Air Conditioning， 2012， 42（1）：7376. （in Chinese）
[10] LIU Z， MA L， ZHANG J. Application of a heat pump system using untreated urban sewage as a heat source [J]. Applied Thermal Engineering， 2014，62：74757.
[11] CHAO S， YANG L， WANG X， et al. An experimental and numerical study of a defouling evaporator used in a wastewater source heat pump [J]. Applied Thermal Engineering，2014，70：501509.
[12] 陈芝久.制冷系统热动力学[M]. 北京：机械工业出版社，1998.
CHEN Z J. Thermodynamic of refrigeration system [M]. Beijing： Mechanical Industry Press， 1988. （in Chinese）
[13] 堂超镔，杨春信.蒸汽压缩制冷系统制冷剂充灌量计算模型[C]//热力学分析与节能论文集.北京：科学出版社，2003.
TANG C B， YANG C X. The calculation model of refrigerant charge in vapor compression refrigeration system [C]//Proceedings of the Thermodynamic Analysis and Energy Saving.Beijing： Science Press， 2003. （in Chinese）
[14] CLELAND A C. Computer subroutines for rapid evaluation of refrigeration thermodynamic properties [J]. International Journal of Refrigeration， 1986， 9（8）：346351.
[15] 茹卡蹩ㄋA A. 换热器内的对流换热[M]. 马昌文，居滋泉，肖宏才.译. 北京：科学出版社，1986： 337370.
JUCA W K. Convective heat transfer in the heat exchanger [M]. Translated by MA C W， JU Z Q， XIAO H C. Beijing： Science Press， 1986； 337370. （in Chinese）
[16] 彦启森，石文星，田长青. 空气调节用制冷技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2010：89129.
YAN Q S， SHI W X， TIAN C Q. Air conditioning refrigeration technology [M]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2010； 89129. （in Chinese）
[17] 张小松，王铁军，金苏敏，等. 制冷技术与装置设计[M].重庆：重庆大学出版社，2008： 222223.
ZHANG X S， WANG T J， JIN S M， et al. Refrigeration technology and device design [M]. Chongqing： Chongqing University Press， 2008： 222223. （in Chinese）
[18] 朱明清. 污水源热泵系统设计及性能分析[D]. 南京：南京理工大学，2010.
ZHU M Q. Design and analysis of sewagesource heat pump system [D]. Nanjing：Nanjing University of Science & Technology， 2010. （in Chinese）