1、水源热泵在立式污水处理建筑中的应用摘要:通过 动态系统模拟程序（TRNSYS ）对垂直储水式水源热泵系统的模拟，考虑单一热泵或者两组热泵系统对建筑物不同加热区域的影响，单热泵系统制冷与加热的平均能效比分别是 3.76 和 4.79。单储水箱容量从 5m增加到 15 m时最高能效比出现在 10 m时。热泵的电力消耗显著的受天气状况影响。双热泵系统的平均能效比是 3.68 和 4.92，除四月和十月双热泵系统的当月能耗比比单热泵系统高。关键词：水源；热泵；立式污水处理建筑；储热水箱；动态系统模拟程序（TRNSYS）1.简介能相较于传统的大型污水处理厂，供应自来水给多个大城市，小而分散的污水处理设施
2、被是更有前途的新型计划。这些小而分散的系统位置更靠近最终用户，例如城市的居民或工业园区。工业园区必须靠近城市，以及类似于大型污水处理厂的水处理的能源效率比较高的污水处理厂。在没有足够建筑空间的城市垂直污水处理设施是可以接受的，这种系统的优点是相较于大型水处理设施这套系统无需长距离输送污水而将污水对环境的影响最小化。然而，由于建设和运行这些系统的成本比现有的系统高得多，能源效率的提高是一个重要问题。解决这个问题的一种可能的方法是利用可再生能源技术，如太阳能电池，小型水力发电，和水源热泵系统。 污水水源是由水处理厂的蓄水池直接供给。以水作为热源达到节能目的。污水水源的温度与地温相同，并在冬季高于环
3、境温度，夏季低于环境温度。在水处理设备中有充足的污水，并且有较大的温度差。最近，这从污水水源中提取热能并用于制冷制热的建筑物水源热泵系统已在清州和韩国城南污水处理厂的测试。目前为止，在水源热泵系统的研究还是非常有限。Cho 和 Yun1参与研究了安装在清州一个污水处理厂水源热泵系统的制冷制热性能，在韩国的春季和秋季，该水源热泵的能效比比夏季和冬季低得多。在春天，空调的负荷是非常低的。这是一个非常典型的水源热泵工作工况，此时空调的平均能耗比分别为制冷 3.3 制热 7.2. 有更多的其他水源的研究，如海水，地表水，废水，污水，河水。Park 等 2 开发了一个模拟器，用于分析了河流的水源热泵系统
4、的特点，次系统显示河流的水源热泵系统制冷和制热的能耗比分别为 46 制热为 34. Lee 等3研究了一种容量为 100 水源热泵在立式污水处理建筑中的应用2RT 双级螺杆式热泵污水水源热泵的测试系统。制冷的能效比为 45，制热的能效比为 2.63.5。当制热的能效比分别为 2.6 和 3.5 为热水温度分别为 50 度和 70 度。Baik et al. 4研究了海水源和使用 R717 不同容量压缩机的水源热泵系统的性能。Kim 等5进行了一个安装在 890的建筑内海水水源多级热泵空调系统的实地测试。试验结果表明，平均制热和制冷的能耗比分别为 4 和 5。Jeon 等6研究了占地484的建筑
5、以螺杆式冷水机组和地源热泵结合的混合冷却系统。在这个混合制冷运行时，由于混合制冷系统的影响该机组只有只有冷水机组在运行且能耗比较低。Haiwen 等7建议电力驱动的海水源热泵节能计算应在整个采暖季进行。在一个研究案例中，发现使用传统的静态法计算时热泵供热系统的节能潜力明显被低估了20.6%。 Ally 等8 分析了一种家用地源热泵热水系统的有用能和能量。热水器的能效比从二月的低值 2.64 变化到九月的高值 3.67。热水器的性能明显依赖于从地面回路来的进水温度。系统效率低下的主要来源于压缩机和膨胀阀。本研究的目的是分析一个水源热泵在垂直水处理设施上的应用，使用动态系统模拟程序（TRNSYS）
6、动态仿真设计。在两种系统中单一的热泵配备一个储热水箱与两个热泵配备一个储热水箱的运行特性进行了比较。这个水源热泵的性能研究将改变新建的垂直水处理设施，对储热水箱的大小进行了优化，以大限度地提高热泵的能效比。2 水源热泵机组的模拟2.1 垂直水处理设施的建设 图 1 显示在清州垂直水处理建筑物空调空间。地下室有两个水库和泵房。在二楼有活性炭过滤器，臭氧发生器，臭氧箱，和电机控制装置。并在第三楼有膜过滤单元，反冲洗罐，和泵，垂直水处理控制室及办公室位于第四楼。工作人员仅驻留在大楼第四层。图 2 显示了主壁的细节和地板，这是需要估计建筑物的制热和制冷。墙体材料的热物理性能列于表 1。图 3 显示了从
7、一月到十二月在清州水处理厂的水源温度的变化。采暖季节是从十月到四月，采冷从五月到九月。平均水源温度在制热和制冷时别为 9.9和 20.7。在供暖季节，水源的温度范围是 3到 15.相对较低的水的温度出现在二月至三月水源热泵在立式污水处理建筑中的应用32.2 详细的仿真图 4 显示了含有水源热泵的垂直水处理设施的原理。污水源热泵是由热泵，蓄热水箱和风机盘管组成的。水源通过换热器供应热能到制冷剂，而循环的制冷剂通过热泵提供热能。热泵对储热水箱中的水进行热交换。风机盘管机组用于垂直水处理建筑提供空调。对热泵两种不同的配置进行了研究，一个单一的热泵和蓄热水箱，另一个两个泵和储热水箱。由于第三层和非住宅
8、的空间将保持 10左右，高温水不需要供应到风机润滑油系统以防止冬季结冻结水处理设备。该系统有两个热泵和储热水箱，一个热泵的运行是为了保证储热罐温度保持在 15，储热罐的水可在温度较低时通过热泵的冷凝器以改进取暖季节制热能力。在垂直水处理设施里第四层楼的空间在制热和制冷的季节温度控制在 2425。加热以保证的第三层及以下的空间必要的工作温度。水源热泵在立式污水处理建筑中的应用4图 1 位于清州垂直水处理空调建筑图 2 主要的墙壁和地板的细节（单位：mm）图 5 显示了组件的水源热泵模型的垂直水处理构筑物采用动态系统模拟程序（TRNSYS）获得。一个单一的热泵（668 型），储热水箱（38-2 型
9、）和风机盘管（753a 型）被用来为整个建筑提供空调。垂直水处理建设施的使用 56A 类型来输入建筑模型。水源的 TRNSYS 模型由 9C 提供一年的流量和温度数据。热泵的泵的运行是通过使用一种二维控制器在 TRNSYS 控制。热泵的功能是依赖于储热水箱中的水的温度。当储热水箱温度低于设定值时加热，热泵和循环泵运转直到温度达到设定值。当用于冷却操作，当储热水箱温度上升超过最大设定值，热泵开始工作。储热水箱在供热过程中的温度保持其在 39到 43之间. 储热水箱在制冷过程中的温度保持其在 10到 15之间。泵的运行，循环储热水箱和风机盘管机组之间的水，和风机盘管机组，通过测量垂直水处理建筑空间
10、的温度控制。图 6 显示了含有两个热泵和储热水箱的水源热泵系统中组件的建模。其中的一套热泵和蓄热水箱系统是用于第四楼的空调，储热水箱的温度在采暖季节维持在 39到 43，在制冷季节维持在 10 到 15。在第三层另一套热泵和蓄热水箱系统的储热水箱在供暖季节时的温度维持在 10。通过增加每个空调空间的热负荷来确定各热泵和蓄热水箱组成两个热泵系统的能力。水源热泵在立式污水处理建筑中的应用5图 3 清州水处理厂的水源的温度变化表 1 用于垂直水处理系统建设的墙壁的热性能Materials Thermal conductivity (kj/mhK)Specific heat (kj/kg k) Den
11、sity (kg/m3)Concrete 5.50 0.90 2300Board 0.60 100 800Insulation 0.12 1.47 40Moetar 5.45 0.80 2000TRNSYS 中使用的热泵能耗列于表 2。热泵的性能数据从安装在城南污水处理厂的水源热泵中获得。正如预期的那样，热泵的性能取决于水源温度和热泵中回水温度。表 3 显示的 TRNSYS 中各个组件的输入参数值。水源的平均流量为 190 L / M，循环流量热泵和蓄热水箱之和储热水箱和风机盘管之间的间的水的平均流量分别为：6840kg/h 和 12000 kg/h。在风机盘管的空气流量为 0.7m/h。天气
12、信息由在清州地区区域计量站获取并输入到 TRNSYS 中。的水源热泵的能耗比 cop 的定义入式（1）。在式（1）中，热泵两侧目前模拟加热或冷却的传热率 Q，由热泵的入口和出口的工质的温度差和流量进行计算。hpWQCOP（1）水源热泵在立式污水处理建筑中的应用6表 2 热泵的性能Load side temperature( )Source side temperature( )Capacity (kw) Power (kw)40 5 35.1 9.240 15 44.2 9.645 5 33.4 11.345 15 42.1 11.710 25 34.6 7.210 35 31.6 8.612
13、 25 36.7 7.312 35 33.3 8.7表 3TRNSYS 的输入数据Variables Input valuesFlow rate of raw water (l/m) 190Flow rate between thermal storage thank and heat bump (kg/h) 6840Flowrate between thermal storage thank and fan-coil unit (kg/h) 12,000Ventilation air flow rate (m3/h) 0.7图 4 水源热泵和蓄热水箱示意图水源热泵在立式污水处理建筑中的应用7
14、图 5 单一热泵系统的动态系统模拟程序（TRNSYS）建模模型图 6 两个热泵组合系统的动态系统模拟程序（TRNSYS）建模模型3 结果与讨论3.1 垂直水处理设施冷热负荷图 7 显示了在清州垂直水处理建筑一年的月平均的冷热负荷。对于第三和第四楼的供暖负荷分别在图 7 中列出。一年中冷热负荷的变化与外部空气温度的变化相关。正如预期的那样，在十二月，一月和二月热负荷，均高于其他外部温度较高的季节。冷负荷则在七月和八月达到峰值。从一月到四月之间和十二月到十月第三层的热负荷高于第四层 70%。当外界温度接近 10C，这是等于空调温度，热负荷明显降低。表 4 显示了每层楼的垂直水处理建筑物的最高热负荷
15、。由于平均热负荷是平均冷负荷的 2 倍，以建筑的年度峰值热负荷 95%确定热泵的最大容量。第四层的最年最大水源热泵在立式污水处理建筑中的应用8热负荷为 46 千瓦。总热负荷是从地下室到第三层空间和第四楼的热负荷的总和。冷负荷只计算第四楼。表 4 垂直水处理建筑物的最大热负荷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图 7 清州垂直水处理建筑物的冷热
16、负荷3.2 水源热泵的性能图 8 显示了单热泵系统的能耗比和耗电。在制热和制冷的季节平均的能耗比分别为 3.76 和 4.79。一年的平均电功率为 6.73kw。如图 3 所示，在寒冷季平均水源温度约为 20.7C.由于其在制冷季节冷凝器和蒸发器之间的热泵压力比较低，能耗比在供暖季节相对较高。系统的效率取决于水源温度，从储热水箱到热泵的回水温度，热泵的额定容量和工作量之比。由于水源温度和回水温度的变化在热泵制热和制冷的季节不明显，系统的能耗比主要依赖于负载变化。热泵的回水温度的温差不超过2 当水源水源热泵系统运转到接近其额定容量负荷高峰的一月采暖季和八月制冷季时，出现系统的最高能效比。图 9
17、显示在单一的热泵系统中从 5m到 15 m容量不同的储热水箱每月的能效比的变化，并发现罐体容积为 10 m能效比最高。随着槽的尺寸的增加，热泵的冷凝温度的增加，降低了热泵的性能。当储热水箱容量下降，热泵的加热或冷却负荷减少，而热泵性能也会降低。基于这些发现，可以确定储热水箱的最佳容量。图 10 显示的电功率消耗与原水源热泵区域位置的变化的关系，在未来什么地方会建造垂直的水处理构系统。汉城在供暖季节有最高的功率消耗，水源热泵在立式污水处理建筑中的应用9或是仁川，光州，和下一个。它们的电力消费会随着外界温度降低和热泵运行时间的增加而增加。图 8 单一热泵系统能耗比和电功率变化 图 9 能耗比与储热
18、水箱容量的变化图 10 不同区域能耗的变化图 11 显示了这两种热泵系统的能耗比。通过测定的第三及其以下楼层和第四层之间各空调区的采暖负荷对比两个热泵容量。单身的热泵系统 70%的容量是用于第三楼及以下的空间。由于第三层及以下的空间热泵的冷凝温度比第四层的低得多，所以第三层及以下的空间的热泵能耗比比第四楼高 7%。这两个热泵系统的制热和制冷的平均能耗比分别为 3.68 和 4.92。两套系统能耗比的变化趋势是相似的。在制热和制冷的季节，能耗比是和建筑物冷热荷载成正比的。因为，水源的温度变化和热泵回水温度在目前研究中对能耗比的影响不显著。图 12 显示了这两种热泵系统的电力消耗。由于第四层有较高
19、的热负荷所以其泵能耗高于第三层及以下的空间达19%。我们发现 4 月至 5 月，10 月和 11 月在它也被发现第四层的电力消耗变化梯度大于第三层及其以下空间，因为在 4 月和 11 月相比第四层热负荷显着下降。水源热泵在立式污水处理建筑中的应用10图 11 两个热泵组合系统能耗比的变化 图 12 两个热泵组合系统能耗的变化图 13 显示了单一的热泵系统和两个热泵系统之间的比较。一年中的两个热泵系统的平均能耗比值略高于单一的热泵系统。然而，在四月和十月时两个热泵系统的能耗比明显低于单一的热泵系统。如图 7 所示，各空调区十月和四月供热负荷相同。然而，这两个热泵系统的容量比分别为 70%和 30
20、%。这种不平衡的热负荷和热泵容量导致的两个热泵系统性能低。除了四月和十月，两个热泵系统的能耗比明显高于单一的热泵系统。这是由于单一热泵系统在第三层以下的空间的冷凝温度比两个热泵组合系统低。基于目前的动态仿真结果，即使单一的热泵系统比两个热泵系统的能耗比略低，单由于其安装更为简单，单一的热泵系统任是垂直水处理建筑物的较好的选择。当建筑物较大时对处理过的水容量的需求也更高，两个热泵系统可以提供的水处理能力更高，此时两个热泵系统也是不错的选择。4 结论对一个使用原始的水源热泵系统垂直水处理建筑物动态模拟显示。当单热泵系统应用于垂直水处理建筑物时，一年平均能耗比和电功率分别为 4.19 和 6.73 千瓦。单他必须有一个最佳的储热水箱的大小，因为制热或制冷负荷时热泵的冷凝温度与储热水箱的大小有关。热泵的电力消耗受到天气条件的显着影响。两个热泵组合系统用于建筑物的每个加热区，平均能耗比和电功率分别为 4.2 和 6.47 千瓦。冷热负荷显着影响能耗比的月平均变化。除了四月和十月，两个热泵组合系统的月平均能耗比略高于单一的热泵系统。在四月和十月不平均的热负荷和热泵的容量导致的两个热泵组合系统性能较低。
