含沙污水源热泵系统声空化换热特性与节能减排分析

作     者：孔繁鹏 

作者单位：哈尔滨商业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：钱剑峰;李祥

授予年度：2024年

学科分类：083305[工学-城乡生态环境与基础设施规划] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0814[工学-土木工程] 0833[工学-城乡规划学] 

主      题：污水源热泵系统 含沙量 泥沙中值粒径 声空化防除垢 碳排放量 

摘      要：污水源热泵系统作为空调的冷热源具有显著的节能环保效益,但系统长期运行而导致的污水侧换热系数下降问题却尤为突出,超声波防除垢技术借助声空化效应,可以实现高效防除垢的同时又具有节能等特点。通过调研城市污水、地表水等污水并经大量实验发现,污水中的泥沙在换热器内结垢的同时,不同泥沙粒径的结垢量并不相同,不同组分的泥沙粒径对结垢是否有影响,大粒径的泥沙颗粒是否存在除垢效果,含沙污水是否对污水源系统存在有利影响的研究并不多,故本文从含沙污水出发并结合超声波声空化防除垢技术,从实验角度、系统角度、环境角度分别验证两者耦合后对污水源热泵系统(后文称之超声波耦合含沙污水源热泵系统)的影响以及其节能减排效益。主要研究内容如下: 首先,从实验角度出发,搭建了含沙污水防除垢与超声波声空化动态实验台,将超声波防除垢技术引入到污水源热泵系统中,调研并配比实验含沙污水,通过实验的方法分析出污水中含沙量、泥沙中值粒径以及超声波耦合含沙污水对污垢的影响,以结垢量、污垢厚度、除垢率、传热系数作为评判依据,结果表明含沙污水在换热管内的结垢量并非随着时间一直线性增大,存在结垢量的波动;随着污水中泥沙中值粒径的不断增大,结垢量在逐渐减小,最大相差16.1g,大泥沙中值粒径对污垢有着更好的摩擦剥蚀作用;污水中含沙量越大,结垢量越大,结垢量最大值出现在含沙量为1200g/m3,中值粒径为0.05mm时,结垢量为56.1g,污垢厚度为0.84mm,在同一工况下的含沙污水中施加超声波声空化作用,作用时间5min至60min,传热系数最大提升了 259.67W/(m2·K);含沙量的增大会削弱声空化效应,含沙量越少,声空化除垢率越高。 其次,从系统角度出发,以辽宁沈阳某商场作为案例进行了含沙污水源热泵系统的设计,为对比出含沙污水及超声波耦合后的污水源热泵系统的节能优势,设计了与之对比的冷水机组复合燃气锅炉系统(传统系统),依据第三章除垢实验结果,对TRNSYS软件中的换热器参数进行设定,建模后模拟出全年能耗,结果表明超声波系统若按设定开启,全年能耗为264kWh,远小于因除垢而减少的能耗;污水中含沙量的增大会导致系统能耗的增加,500g/m3含沙量的全年能耗要比1200g/m3的降低5.32×104kWh;泥沙中值粒径的增大会导致能耗的降低,0.45mm泥沙中值粒径要比0.05mm泥沙中值粒径单月能耗降低1.1×104kWh,全年能耗降低6.6×104kWh;超声波耦合含沙污水会带来系统能耗的降低,全年能耗相比最高降低1.53×105kWh,折合电费12.2万元,冷水机组复合燃气锅炉系统的全年能耗为8.02×105kWh,大于任意工况下超声波耦合后的含沙污水源热泵系统的全年能耗。 最后,从环境角度出发,借助碳排放因子的碳排放量计算方法,核算了生产阶段与运行阶段系统所消耗的材料、燃料、电力的碳排放因子,最后进行统一整理,结果表明含沙污水会降低污水源热泵系统运行阶段的碳排放量,而超声波耦合含沙污水源热泵系统的全年碳排放量要相比未耦合的降低2.52×104kgCO2,更为减排;无论是否耦合超声波的含沙污水源热泵系统,其碳排放量都要低于冷水机组复合燃气锅炉的全年碳排放量。