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水源熱泵在立式污水處理建筑中的應(yīng)用
文獻(xiàn)翻譯
題 目 水源熱泵在立式污水處理
建筑中的應(yīng)用
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 （系）
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時(shí)間
水源熱泵在立式污水處理建筑中的應(yīng)用
摘要:通過動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模擬程序（TRNSYS）對(duì)垂直儲(chǔ)水式水源熱泵系統(tǒng)的模擬，考慮單一熱泵或者兩組熱泵系統(tǒng)對(duì)建筑物不同加熱區(qū)域的影響，單熱泵系統(tǒng)制冷與加熱的平均能效比分別是3.76和4.79。單儲(chǔ)水箱容量從5m3增加到15 m3時(shí)最高能效比出現(xiàn)在10 m3時(shí)。熱泵的電力消耗顯著的受天氣狀況影響。雙熱泵系統(tǒng)的平均能效比是3.68和4.92，除四月和十月雙熱泵系統(tǒng)的當(dāng)月能耗比比單熱泵系統(tǒng)高。
關(guān)鍵詞：水源；熱泵；立式污水處理建筑；儲(chǔ)熱水箱；動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模擬程序（TRNSYS）
1.簡(jiǎn)介
能相較于傳統(tǒng)的大型污水處理廠，供應(yīng)自來水給多個(gè)大城市，小而分散的污水處理設(shè)施被是更有前途的新型計(jì)劃。這些小而分散的系統(tǒng)位置更靠近最終用戶，例如城市的居民或工業(yè)園區(qū)。工業(yè)園區(qū)必須靠近城市，以及類似于大型污水處理廠的水處理的能源效率比較高的污水處理廠。在沒有足夠建筑空間的城市垂直污水處理設(shè)施是可以接受的，這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是相較于大型水處理設(shè)施這套系統(tǒng)無需長(zhǎng)距離輸送污水而將污水對(duì)環(huán)境的影響最小化。然而，由于建設(shè)和運(yùn)行這些系統(tǒng)的成本比現(xiàn)有的系統(tǒng)高得多，能源效率的提高是一個(gè)重要問題。解決這個(gè)問題的一種可能的方法是利用可再生能源技術(shù)，如太陽能電池，小型水力發(fā)電，和水源熱泵系統(tǒng)。
污水水源是由水處理廠的蓄水池直接供給。以水作為熱源達(dá)到節(jié)能目的。污水水源的溫度與地溫相同，并在冬季高于環(huán)境溫度，夏季低于環(huán)境溫度。在水處理設(shè)備中有充足的污水，并且有較大的溫度差。最近，這從污水水源中提取熱能并用于制冷制熱的建筑物水源熱泵系統(tǒng)已在清州和韓國城南污水處理廠的測(cè)試。
目前為止，在水源熱泵系統(tǒng)的研究還是非常有限。Cho和Yun[1]參與研究了安裝在清州一個(gè)污水處理廠水源熱泵系統(tǒng)的制冷制熱性能，在韓國的春季和秋季，該水源熱泵的能效比比夏季和冬季低得多。在春天，空調(diào)的負(fù)荷是非常低的。這是一個(gè)非常典型的水源熱泵工作工況，此時(shí)空調(diào)的平均能耗比分別為制冷3.3制熱7.2. 有更多的其他水源的研究，如海水，地表水，廢水，污水，河水。Park 等 [2] 開發(fā)了一個(gè)模擬器，用于分析了河流的水源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)，次系統(tǒng)顯示河流的水源熱泵系統(tǒng)制冷和制熱的能耗比分別為4~6制熱為3~4. Lee等[3]研究了一種容量為100 RT雙級(jí)螺桿式熱泵污水水源熱泵的測(cè)試系統(tǒng)。制冷的能效比為4～5，制熱的能效比為2.6～3.5。當(dāng)制熱的能效比分別為2.6和3.5為熱水溫度分別為50 度和70 度。Baik et al. [4]研究了海水源和使用R717不同容量壓縮機(jī)的水源熱泵系統(tǒng)的性能。Kim等[5]進(jìn)行了一個(gè)安裝在890㎡的建筑內(nèi)海水水源多級(jí)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)地測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，平均制熱和制冷的能耗比分別為4和5。Jeon等[6]研究了占地484㎡的建筑以螺桿式冷水機(jī)組和地源熱泵結(jié)合的混合冷卻系統(tǒng)。在這個(gè)混合制冷運(yùn)行時(shí)，由于混合制冷系統(tǒng)的影響該機(jī)組只有只有冷水機(jī)組在運(yùn)行且能耗比較低。Haiwen等[7]建議電力驅(qū)動(dòng)的海水源熱泵節(jié)能計(jì)算應(yīng)在整個(gè)采暖季進(jìn)行。在一個(gè)研究案例中，發(fā)現(xiàn)使用傳統(tǒng)的靜態(tài)法計(jì)算時(shí)熱泵供熱系統(tǒng)的節(jié)能潛力明顯被低估了20.6%。Ally等[8] 分析了一種家用地源熱泵熱水系統(tǒng)的有用能和能量。熱水器的能效比從二月的低值2.64變化到九月的高值3.67。熱水器的性能明顯依賴于從地面回路來的進(jìn)水溫度。系統(tǒng)效率低下的主要來源于壓縮機(jī)和膨脹閥。
本研究的目的是分析一個(gè)水源熱泵在垂直水處理設(shè)施上的應(yīng)用，使用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模擬程序（TRNSYS）動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)。在兩種系統(tǒng)中——單一的熱泵配備一個(gè)儲(chǔ)熱水箱與兩個(gè)熱泵配備一個(gè)儲(chǔ)熱水箱的運(yùn)行特性進(jìn)行了比較。這個(gè)水源熱泵的性能研究將改變新建的垂直水處理設(shè)施，對(duì)儲(chǔ)熱水箱的大小進(jìn)行了優(yōu)化，以大限度地提高熱泵的能效比。
2 水源熱泵機(jī)組的模擬
2.1 垂直水處理設(shè)施的建設(shè)
圖1顯示在清州垂直水處理建筑物空調(diào)空間。地下室有兩個(gè)水庫和泵房。在二樓有活性炭過濾器，臭氧發(fā)生器，臭氧箱，和電機(jī)控制裝置。并在第三樓有膜過濾單元，反沖洗罐，和泵，垂直水處理控制室及辦公室位于第四樓。工作人員僅駐留在大樓第四層。圖2顯示了主壁的細(xì)節(jié)和地板，這是需要估計(jì)建筑物的制熱和制冷。墻體材料的熱物理性能列于表1。圖3顯示了從一月到十二月在清州水處理廠的水源溫度的變化。采暖季節(jié)是從十月到四月，采冷從五月到九月。平均水源溫度在制熱和制冷時(shí)別為9.9℃和20.7℃。在供暖季節(jié)，水源的溫度范圍是3℃到15℃.相對(duì)較低的水的溫度出現(xiàn)在二月至三月
2.2 詳細(xì)的仿真
圖4顯示了含有水源熱泵的垂直水處理設(shè)施的原理。污水源熱泵是由熱泵，蓄熱水箱和風(fēng)機(jī)盤管組成的。水源通過換熱器供應(yīng)熱能到制冷劑，而循環(huán)的制冷劑通過熱泵提供熱能。熱泵對(duì)儲(chǔ)熱水箱中的水進(jìn)行熱交換。風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組用于垂直水處理建筑提供空調(diào)。對(duì)熱泵兩種不同的配置進(jìn)行了研究，一個(gè)單一的熱泵和蓄熱水箱，另一個(gè)兩個(gè)泵和儲(chǔ)熱水箱。由于第三層和非住宅的空間將保持10℃左右，高溫水不需要供應(yīng)到風(fēng)機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)以防止冬季結(jié)凍結(jié)水處理設(shè)備。該系統(tǒng)有兩個(gè)熱泵和儲(chǔ)熱水箱，一個(gè)熱泵的運(yùn)行是為了保證儲(chǔ)熱罐溫度保持在15℃，儲(chǔ)熱罐的水可在溫度較低時(shí)通過熱泵的冷凝器以改進(jìn)取暖季節(jié)制熱能力。在垂直水處理設(shè)施里第四層樓的空間在制熱和制冷的季節(jié)溫度控制在24–25℃。加熱以保證的第三層及以下的空間必要的工作溫度。
圖1位于清州垂直水處理空調(diào)建筑
圖2主要的墻壁和地板的細(xì)節(jié)（單位：mm）
圖5顯示了組件的水源熱泵模型的垂直水處理構(gòu)筑物采用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模擬程序（TRNSYS）獲得。一個(gè)單一的熱泵（668型），儲(chǔ)熱水箱（38-2型）和風(fēng)機(jī)盤管（753a型）被用來為整個(gè)建筑提供空調(diào)。垂直水處理建設(shè)施的使用56A類型來輸入建筑模型。水源的TRNSYS模型由9C提供一年的流量和溫度數(shù)據(jù)。熱泵的泵的運(yùn)行是通過使用一種二維控制器在TRNSYS控制。熱泵的功能是依賴于儲(chǔ)熱水箱中的水的溫度。當(dāng)儲(chǔ)熱水箱溫度低于設(shè)定值時(shí)加熱，熱泵和循環(huán)泵運(yùn)轉(zhuǎn)直到溫度達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)用于冷卻操作，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱溫度上升超過最大設(shè)定值，熱泵開始工作。儲(chǔ)熱水箱在供熱過程中的溫度保持其在39℃到43℃之間. 儲(chǔ)熱水箱在制冷過程中的溫度保持其在10℃到15℃之間。泵的運(yùn)行，循環(huán)儲(chǔ)熱水箱和風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組之間的水，和風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組，通過測(cè)量垂直水處理建筑空間的溫度控制。圖6顯示了含有兩個(gè)熱泵和儲(chǔ)熱水箱的水源熱泵系統(tǒng)中組件的建模。其中的一套熱泵和蓄熱水箱系統(tǒng)是用于第四樓的空調(diào)，儲(chǔ)熱水箱的溫度在采暖季節(jié)維持在39℃到43℃，在制冷季節(jié)維持在10到15℃。在第三層另一套熱泵和蓄熱水箱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱水箱在供暖季節(jié)時(shí)的溫度維持在10℃。通過增加每個(gè)空調(diào)空間的熱負(fù)荷來確定各熱泵和蓄熱水箱組成兩個(gè)熱泵系統(tǒng)的能力。
圖3清州水處理廠的水源的溫度變化
表1用于垂直水處理系統(tǒng)建設(shè)的墻壁的熱性能
Materials
Thermal conductivity (kj/mhK)
Specific heat (kj/kg k)
Density (kg/m3)
Concrete
5.50
0.90
2300
Board
0.60
100
800
Insulation
0.12
1.47
40
Moetar
5.45
0.80
2000
TRNSYS中使用的熱泵能耗列于表2。熱泵的性能數(shù)據(jù)從安裝在城南污水處理廠的水源熱泵中獲得。正如預(yù)期的那樣，熱泵的性能取決于水源溫度和熱泵中回水溫度。表3顯示的TRNSYS中各個(gè)組件的輸入?yún)?shù)值。水源的平均流量為190 L / M，循環(huán)流量熱泵和蓄熱水箱之和儲(chǔ)熱水箱和風(fēng)機(jī)盤管之間的間的水的平均流量分別為：6840kg/h和12000 kg/h。在風(fēng)機(jī)盤管的空氣流量為0.7m3/h。天氣信息由在清州地區(qū)區(qū)域計(jì)量站獲取并輸入到TRNSYS中。的水源熱泵的能耗比cop的定義入式（1）。在式（1）中，熱泵兩側(cè)目前模擬加熱或冷卻的傳熱率Q，由熱泵的入口和出口的工質(zhì)的溫度差和流量進(jìn)行計(jì)算。
（1）
表2熱泵的性能
Load side temperature(℃)
Source side temperature(℃)
Capacity (kw)
Power (kw)
40
5
35.1
9.2
40
15
44.2
9.6
45
5
33.4
11.3
45
15
42.1
11.7
10
25
34.6
7.2
10
35
31.6
8.6
12
25
36.7
7.3
12
35
33.3
8.7
表3TRNSYS的輸入數(shù)據(jù)
Variables
Input values
Flow rate of raw water (l/m)
190
Flow rate between thermal storage thank and heat bump (kg/h)
6840
Flowrate between thermal storage thank and fan-coil unit (kg/h)
12,000
Ventilation air flow rate (m3/h)
0.7
圖4水源熱泵和蓄熱水箱示意圖
圖5單一熱泵系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模擬程序（TRNSYS）建模模型
圖6兩個(gè)熱泵組合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模擬程序（TRNSYS）建模模型
3 結(jié)果與討論
3.1 垂直水處理設(shè)施冷熱負(fù)荷
圖7顯示了在清州垂直水處理建筑一年的月平均的冷熱負(fù)荷。對(duì)于第三和第四樓的供暖負(fù)荷分別在圖7中列出。一年中冷熱負(fù)荷的變化與外部空氣溫度的變化相關(guān)。正如預(yù)期的那樣，在十二月，一月和二月熱負(fù)荷，均高于其他外部溫度較高的季節(jié)。冷負(fù)荷則在七月和八月達(dá)到峰值。從一月到四月之間和十二月到十月第三層的熱負(fù)荷高于第四層70%。當(dāng)外界溫度接近10?C，這是等于空調(diào)溫度，熱負(fù)荷明顯降低。表4顯示了每層樓的垂直水處理建筑物的最高熱負(fù)荷。由于平均熱負(fù)荷是平均冷負(fù)荷的2倍，以建筑的年度峰值熱負(fù)荷95%確定熱泵的最大容量。第四層的最年最大熱負(fù)荷為46千瓦?？偀嶝?fù)荷是從地下室到第三層空間和第四樓的熱負(fù)荷的總和。冷負(fù)荷只計(jì)算第四樓。
表4垂直水處理建筑物的最大熱負(fù)荷
Description of buliding
Basement (kw)
1st floor (kw)
2nd floor (kw)
3rd floor (kw)
4th floor (kw)
Toarl (kw)
Maximum heating load
9.84
8.52
5.4
10
12
46
圖7清州垂直水處理建筑物的冷熱負(fù)荷
3.2 水源熱泵的性能
圖8顯示了單熱泵系統(tǒng)的能耗比和耗電。在制熱和制冷的季節(jié)平均的能耗比分別為3.76和4.79。一年的平均電功率為6.73kw。如圖3所示，在寒冷季平均水源溫度約為20.7?C.由于其在制冷季節(jié)冷凝器和蒸發(fā)器之間的熱泵壓力比較低，能耗比在供暖季節(jié)相對(duì)較高。系統(tǒng)的效率取決于水源溫度，從儲(chǔ)熱水箱到熱泵的回水溫度，熱泵的額定容量和工作量之比。由于水源溫度和回水溫度的變化在熱泵制熱和制冷的季節(jié)不明顯，系統(tǒng)的能耗比主要依賴于負(fù)載變化。熱泵的回水溫度的溫差不超過2℃ 當(dāng)水源水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)到接近其額定容量負(fù)荷高峰的一月采暖季和八月制冷季時(shí)，出現(xiàn)系統(tǒng)的最高能效比。圖9顯示在單一的熱泵系統(tǒng)中從5m3到15 m3容量不同的儲(chǔ)熱水箱每月的能效比的變化，并發(fā)現(xiàn)罐體容積為10 m3能效比最高。隨著槽的尺寸的增加，熱泵的冷凝溫度的增加，降低了熱泵的性能。當(dāng)儲(chǔ)熱水箱容量下降，熱泵的加熱或冷卻負(fù)荷減少，而熱泵性能也會(huì)降低?；谶@些發(fā)現(xiàn)，可以確定儲(chǔ)熱水箱的最佳容量。圖10顯示的電功率消耗與原水源熱泵區(qū)域位置的變化的關(guān)系，在未來什么地方會(huì)建造垂直的水處理構(gòu)系統(tǒng)。漢城在供暖季節(jié)有最高的功率消耗，或是仁川，光州，和下一個(gè)。它們的電力消費(fèi)會(huì)隨著外界溫度降低和熱泵運(yùn)行時(shí)間的增加而增加。
圖8單一熱泵系統(tǒng)能耗比和電功率變化 圖9能耗比與儲(chǔ)熱水箱容量的變化
圖10不同區(qū)域能耗的變化
圖11顯示了這兩種熱泵系統(tǒng)的能耗比。通過測(cè)定的第三及其以下樓層和第四層之間各空調(diào)區(qū)的采暖負(fù)荷對(duì)比兩個(gè)熱泵容量。單身的熱泵系統(tǒng)70%的容量是用于第三樓及以下的空間。由于第三層及以下的空間熱泵的冷凝溫度比第四層的低得多，所以第三層及以下的空間的熱泵能耗比比第四樓高7%。這兩個(gè)熱泵系統(tǒng)的制熱和制冷的平均能耗比分別為3.68和4.92。兩套系統(tǒng)能耗比的變化趨勢(shì)是相似的。在制熱和制冷的季節(jié)，能耗比是和建筑物冷熱荷載成正比的。因?yàn)椋吹臏囟茸兓蜔岜没厮疁囟仍谀壳把芯恐袑?duì)能耗比的影響不顯著。圖12顯示了這兩種熱泵系統(tǒng)的電力消耗。由于第四層有較高的熱負(fù)荷所以其泵能耗高于第三層及以下的空間達(dá)19%。我們發(fā)現(xiàn)4月至5月，10月和11月在它也被發(fā)現(xiàn)第四層的電力消耗變化梯度大于第三層及其以下空間，因?yàn)樵?月和11月相比第四層熱負(fù)荷顯著下降。
圖11 兩個(gè)熱泵組合系統(tǒng)能耗比的變化 圖12 兩個(gè)熱泵組合系統(tǒng)能耗的變化
圖13顯示了單一的熱泵系統(tǒng)和兩個(gè)熱泵系統(tǒng)之間的比較。一年中的兩個(gè)熱泵系統(tǒng)的平均能耗比值略高于單一的熱泵系統(tǒng)。然而，在四月和十月時(shí)兩個(gè)熱泵系統(tǒng)的能耗比明顯低于單一的熱泵系統(tǒng)。如圖7所示，各空調(diào)區(qū)十月和四月供熱負(fù)荷相同。然而，這兩個(gè)熱泵系統(tǒng)的容量比分別為70%和30%。這種不平衡的熱負(fù)荷和熱泵容量導(dǎo)致的兩個(gè)熱泵系統(tǒng)性能低。除了四月和十月，兩個(gè)熱泵系統(tǒng)的能耗比明顯高于單一的熱泵系統(tǒng)。這是由于單一熱泵系統(tǒng)在第三層以下的空間的冷凝溫度比兩個(gè)熱泵組合系統(tǒng)低?；谀壳暗膭?dòng)態(tài)仿真結(jié)果，即使單一的熱泵系統(tǒng)比兩個(gè)熱泵系統(tǒng)的能耗比略低，單由于其安裝更為簡(jiǎn)單，單一的熱泵系統(tǒng)任是垂直水處理建筑物的較好的選擇。當(dāng)建筑物較大時(shí)對(duì)處理過的水容量的需求也更高，兩個(gè)熱泵系統(tǒng)可以提供的水處理能力更高，此時(shí)兩個(gè)熱泵系統(tǒng)也是不錯(cuò)的選擇。
4 結(jié)論
對(duì)一個(gè)使用原始的水源熱泵系統(tǒng)垂直水處理建筑物動(dòng)態(tài)模擬顯示。當(dāng)單熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于垂直水處理建筑物時(shí)，一年平均能耗比和電功率分別為4.19和6.73千瓦。單他必須有一個(gè)最佳的儲(chǔ)熱水箱的大小，因?yàn)橹茻峄蛑评湄?fù)荷時(shí)熱泵的冷凝溫度與儲(chǔ)熱水箱的大小有關(guān)。熱泵的電力消耗受到天氣條件的顯著影響。兩個(gè)熱泵組合系統(tǒng)用于建筑物的每個(gè)加熱區(qū)，平均能耗比和電功率分別為4.2和6.47千瓦。冷熱負(fù)荷顯著影響能耗比的月平均變化。除了四月和十月，兩個(gè)熱泵組合系統(tǒng)的月平均能耗比略高于單一的熱泵系統(tǒng)。在四月和十月不平均的熱負(fù)荷和熱泵的容量導(dǎo)致的兩個(gè)熱泵組合系統(tǒng)性能較低。
圖13單一和兩個(gè)熱泵系統(tǒng)能耗比的比較。
致 謝
這項(xiàng)先進(jìn)水處理研究項(xiàng)目由the Ministry of Land, Infrastructure和 Transport of the Korean government共同資助。
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