江水源热泵水质标准实验及传热特性分析＊

秦增虎，童明伟，项 勇

（1.重庆大学 低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆 400030；2.重庆嘉陵制冷空调设备有限公司，重庆 400037）

利用丰富的江河水作为冷热源发展水源热泵技 术日益受到人们的青睐，国内外已有利用江河水发展水源热泵技术的应用实例[1－4］.而发展长江水水源热泵技术的关键在于热泵机组换热器的选择以及长江水水质对换热器传热效果的影响.由于江水中存在大量泥沙和悬浮物，会影响机组换热器的换热效果[5］，而江水中泥沙和悬浮物的含量不同对机组换热效果的影响程度也不同.本文以重庆段长江水为水源，为了能够提出适应长江上游地区地表水源条件下的高效节能水源热泵机组的水质标准，对在不同含沙量、浊度及藻类物质条件下热泵机组的性能变化等情况进行了实验研究.

1 长江水水源概况

我国长江水资源丰富，多年平均水流量为10 930m3/s，为分析长江水源的可利用性及其对热泵机组性能的影响，笔者自2007年7月以来对重庆段长江水温水质进行了抽样监测：重庆段长江水夏季平均水温为23～25℃，江底水温约21℃，冬季平均13～15℃，江底水温约15℃，全年均不结冰，为无冻水源.《水源热泵机组》（GB/T 19409—2003）中规定的热泵机组制冷、制热水温为10～25℃.可见，重庆段江水温度适宜发展长江水源热泵技术.

参考《地源热泵系统工程技术规范》（GB 50366—2005）对采用地表水的水源热泵机组推荐的水质要求与调研得出的重庆段江水水质比较见表1.除含沙量及浊度以外，其他江水水质指标均可满足要求.

表1 长江水水质与水源热泵机组推荐水质要求比较Tab.1 Comparison of water quality of Yangtze River and recommended water quality of water source heat pump unit

2 实验测试系统

测试系统由2个水回路构成：冷却水回路和冷冻水回路.分别在机组蒸发器和冷凝器入口设流量计，以测量冷冻水和冷却水的流量；其进、出口设温度传感器，测量冷冻水和冷却水的进、出口温度.系统设2台换热器.其中，冷冻水与冷却水将在换热器A中进行热交换，确保冷冻水温度稳定在设定值；通过换热器A的冷却水，再在换热器B中与冷源水进行热交换，以保证其温度稳定在设定值.冷却水含沙量的测定：用含沙量取样器，取一定体积的水，通过200目滤网过滤出其中的沙子，放入烘箱内烘干后称得沙子的质量，并计算得出含沙量；冷却水浊度用专用浊度计测量得出.

测试系统设2个各4m3的水箱，一个为冷冻水箱，一个为冷却水箱.冷却水箱内设搅拌器，充分搅拌水中的泥沙等，防止沙子在水箱中沉积.冷冻水泵额定流量约为45m3/h，冷却水泵额定流量为50 m3/h.为方便调节工况，系统设阀门若干.测试系统流程如图1所示.

图1 水源热泵机组测试系统流程图Fig.1 The test system flow of water source heat pump units

3 实验测试条件

预计机组的性能对含沙量等水质指标不是非常敏感，因此在较宽的含沙量和浊度等指标范围内进行了测试，实测水质指标如表2所示.

表2 热泵机组测试的水质条件Tab.2 The test water conditions of heat pump units

测试机组采用适应长江上游地区地表水源条件下的高效节能水源热泵机组，机组型号为SRBLG500，名义制冷（热）量为500（575）kW，制冷（热）消耗功率为81（113）kW.机组已通过合肥通用机电产品检测院检测，在清水条件下机组的能效比可达6.10.在上述各水质条件下，维持机组冷却水进/出口温度：25/30℃，冷冻水进/出口温度：12/7℃.自2010年1月至5月热泵机组性能测试实验分别在不同水质条件下连续运行24d（每天10h）并作性能测试，每测试完一组水质后都要对机组冷凝器进行清洗.

4 实验结果分析

4.1 水质变化对机组性能的影响

针对水质条件，本实验主要考虑了含沙量和浊度2个主要指标，但其各自对冷凝器传热特性的影响（进而影响机组的COP）规律在本实验中无法验证，且有关这两者对热泵机组性能的影响也鲜有报道，而含沙量会对浊度产生影响[6－7］，故实验按照不同含沙量和浊度的组合进行.为了能够更为清晰简洁地表示出不同含沙量与浊度组合，我们用2个指标参数的数字乘积取对数来表示它们的综合效应：若A表示含沙量，B表示浊度，则log（A×B）即为两指标的综合效应，且A＞B.在不同冷却水水质条件下测试了水源热泵机组的性能，测试热泵机组选用针对长江上游水质特点设计研发的高效水源热泵机组，得到热泵机组性能系数（COP）与水质条件变化的关系，如图2所示.

图2 不同含沙量及浊度条件下机组COP的变化趋势Fig.2 The change trends of units COP under different conditions of sediment concentration and turbidity

由图2可知，当log（A×B）大于4时，COP值迅速降低，说明该水质对热泵运行十分不利，log（A×B）大约在3.7时热泵性能比较好.因此，当水质条件为含沙量≤100g/m3，浊度≤50NTU时比较合适.从实验结果看，在实验含沙量和浊度范围内，热泵机组的性能系数最大下降了3.73%，冷却水含沙量和浊度对机组性能没有显著影响.可见，针对长江上游水质特点研发的高效水源热泵机组对水质条件要求较低.

4.2 水质变化对冷却水比热容cp的影响

冷却水侧冷凝器散热量的计算公式为：

式中：Q为冷却水的换热量；tco，i为冷却水的进口温度；tco，o为冷却水的出口温度.冷却水的进出口温度与水质无关，可以准确测量；冷却水的质量流量可以通过测得的体积流量与冷却水的密度计算得到.由于水质变化，冷却水的密度会较清水略有变化，但在本实验中冷却水中固体物质的比例很小，可以认为冷却水的密度没有改变.若以清水工况作为基准，根据水质实验的结果可得出不同水质条件下冷却水浊水比热容的变化情况，如图3所示.

图3 不同含沙量及浊度条件下冷却水比热容的变化趋势Fig.3 The change trends of heat capacity of cooling water under different conditions of sediment concentration and turbidity

从实验结果可看出，若取清水的比热为4.18kJ/（kg·K），则在实验水质范围内浊水比热的增幅最大仅为0.6%.因此可知在实验范围内，水质变化带来的冷却水物性变化在水源热泵传热计算中可忽略.

4.3 水质变化对冷却水侧污垢热阻Rf的影响

由于江水中存在大量泥沙和悬浮物，换热器水源侧易结垢，因此需要考虑机组长期运行的水侧污垢热阻Rf的影响.如果对污垢热阻无法进行有价值的实验测试，往往会对实际工作产生不良影响[8］，如广州地铁车站空调系统冷水机组因冷凝器冷却水侧污垢热阻选择偏低，出现了机组制冷量偏小，能耗偏高的问题[9］.对于清水而言，该热阻采用设计手册中的推荐值.

当冷却水为清水时，计算冷凝器散热量的公式为：

式中：Q＊为清水是冷却水的换热量；t＊co，o为冷却水是清水时的出口温度.由比热计算的分析可知冷却水的密度及比热可以使用清水时的物性值.

冷凝器换热系数的计算公式可分别写为[10］：

式中：所有带＊号的项均表示冷却水为清水时的值；K为冷凝器换热系数；A为冷凝器换热面积；ts为冷凝温度.将式（1）～（7）整理可得式（8）：

根据水质实验的结果可得出不同水质条件下污垢热阻Rf的变化情况，如图4所示.若取清水污垢热阻为1.72×10－4m2·K/W，在不同水质条件下机组连续运行后，由图可知热阻的增幅最大为25.6%，当log（A×B）大于4时污垢热阻Rf值趋于相对稳定，在1.77×10－4m2·K/W 左右；而当log（A×B）大概在3.7时，污垢热阻Rf值约为1.969×10－4m2·K/W，增幅为14.7%.

图4 不同含沙量及浊度下冷却水侧污垢热阻的变化趋势Fig.4 The change trends of fouling resistance of cooling water under different conditions of sediment concentration and turbidity

5 结 论

1）含沙量≤100g/m3，浊度≤50NTU，可作为江水源热泵合适的冷却水水质标准.针对长江上游地区地表水源条件研发的高效节能水源热泵机组对水质要求较低，在试验范围内热泵机组的性能系数最大下降了3.73%.

2）在实验水质范围内浊水比热的增幅最大仅为0.6%.因此可知不同水质条件引起的冷却水物性变化在水源热泵传热计算中可以忽略.

3）若取清水污垢热阻为1.72×10－4m2·K/W，在不同水质条件下机组连续运行后，热阻的增幅最大为25.6%；当水质条件为含沙量100g/m3，浊度50NTU时，污垢热阻Rf值约为1.969×10－4m2·K/W，增幅为14.7%.

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