基于新型在线水处理技术的节能减排效果研究

王鹏飞1,张尧立1,2*,洪钢1,2  

1.厦门大学能源学院,福建省 厦门市 361102; 2.福建省核能工程技术研究中心,福建省 厦门市 361102

摘要

为了减小污垢对中央空调冷水机组效率的影响,提高城市能源系统效率,提出了一种特殊的在线水处理技术(special online water treatment technology,SOWTT)。通过追踪和计算厦门数台冷水机组的趋近温度、运行效率、年耗电量和二氧化碳减排量来评估SOWTT的效果。结果表明采用SOWTT的冷水机组的趋近温度基本与新机组趋近温度数值相当,能够有效防止污垢生成。另外SOWTT能使冷水机组制冷系数(coefficient of performance,COP)值基本保持在新机COP的90%以上。如果将中国所有冷水机组都采用SOWTT,相比于每半年一次的机械式清理,能够节约50.07%的电能,经济效益显著,同时可减排大量二氧化碳,实现节能减排的目标。因此SOWTT综合效益显著,其广泛使用将会大幅提升城市能源系统效率。

关键词 : 城市能源;冷水机组;在线水处理;机械式清洗;制冷系数

基金项目:厦门大学能源学院发展基金(2018NYFZ01)。 Development Fund of College of Energy,Xiamen University(2018NYFZ01).

0 引言

随着全球经济和科学技术的快速发展,人类生活水平不断提高,同时能源的消耗量逐年攀升。能源的大量使用既加剧了能源危机,又使温室气体浓度增加,由此导致的全球变暖问题严重影响人类生存。因此,各国应针对主要能耗环节进行整改,提高能源利用效率,减少二氧化碳排放,实现人类的可持续发展。研究表明,城市建筑能耗占全球能源消耗的40%左右[1-3],其排放的温室气体约占全球的三分之一[4-5],预计这一占比将在未来几年内进一步提高。建筑物中耗能最大的是供暖和空调系统,占建筑物总能耗的40%~60%[6-8]。中国近年来经济快速发展,城市化水平不断提高,建筑能耗高的问题更加凸显。有关数据显示,中国大型公共建筑年用电量约为全国城镇总耗电量的22%,是欧洲、日本等发达国家或地区同类型建筑耗电量的1.5~2倍[3,9-12]。中国的中央空调系统总能耗在大型公共建筑能耗所占的比例为40%~50%,有些夏季炎热地区甚至达到70%以上。因此,减少冷水机组的能耗是实现城市能源低碳转型的重要方式之一。

目前,城市中的大型购物中心、办公楼等使用的冷水机组普遍存在能源浪费的情况。主要原因是水回路与外部环境接触,容易结垢,而雾霾、沙尘天气和较差的水质条件又加速了污垢的形成,导致冷水机组运行效率降低,功耗增加。为了提高城市能源系统效率,缓解能源危机,改善全球变暖现状,研究者们针对城市能源中的重要一环—冷水机组进行研究,提出了多种除垢方法,包括物理法、化学法和机械法[13-15]等。但是,不同方法的除垢效果差异很大。化学法虽然清洗均匀,不留死角,但是存在腐蚀管路、清洗液破坏环境的问题,例如文献[16]利用盐酸浸泡和在线清洁机器人进行清洗,可以高效完成除垢,但是废液会污染环境。物理清洗包括比较流行的电磁除垢和超声波除垢[17-18],但需要外加设备并消耗能源,清洗速度也不如化学法快。传统机械法清理操作繁杂、需要停机,新型机械法清理如管内插入物在线清洗方式[19-21]结构复杂、流动阻力较大、耗功增加。针对以上不足,本文开发了一种特殊的在线水处理技术(special online water treatment technology,SOWTT),该技术能够有效防止冷凝器中的污垢生成,使冷水机组始终在高效率下工作,同时SOWTT不需要外加设备或停机,只需在水中添加具有环境友好性的药剂,就能够实时抑制污垢生成,因此SOWTT解决了物理法、机械法、化学法的缺点。目前缺乏SOWTT对楼宇能效的影响分析,本文以厦门市为例,通过建模分析以及SOWTT在楼宇中的实际运行数据,定量研究SOWTT对于提升城市能源系统效率的作用。目前厦门使用SOWTT的楼宇已经在图1中标出。

图1 厦门市采用SOWTT的建筑
Fig.1 Buildings using SOWTT in Xiamen

1 污垢的形成与阻断

图2为冷水机组系统示意图,中间的主回路为制冷循环,该循环完全封闭。左边是封闭的冷冻水循环,冷量由通风系统通过换热器带到酒店、商场等需求侧。右边的冷却水循环一般使用冷却塔将热量传递到环境,是一个开式系统。冷凝器是冷却水循环和制冷循环的连接设备,通常冷却水在换热管内流动,而制冷剂在换热管外流动。换热管内部容易结垢,主要原因是冷却水流经冷却塔时将微生物和灰尘带入,另外冷却水蒸发使Ca2+、Mg2+浓度增加,而其溶解度随温度升高而降低,在高温的冷凝器内管壁上析出,形成CaCO3、MgCO3等污垢。污垢的导热系数非常小,如CaCO3的导热系数仅为0.8 W/(m·K)[18,22],即使很薄一层污垢,对换热效果影响很大。污垢不仅严重影响机组效率,而且常常引起设备局部过热而导致机械性能下降,引发鼓包、爆管等事故,严重威胁换热设备的安全运行,因此必须严格控制污垢的厚度。

图2 冷水机组系统示意图
Fig.2 Schematic diagram of the chiller system

如图3所示,CaCO3等晶体的结垢主要经过4个步骤:a)蒸发和过饱和,冷却水在冷却塔中蒸发,新水的补充使冷却水中Ca2+等的浓度增加;b)达到饱和条件时,Ca2+与CO32-碰撞成核的速度大于溶解的速度;c)晶体开始沿着某一方向生长;d)大的晶体间积聚成垢。

要阻断CaCO3、MgCO3等晶体垢的形成,就要阻断图3中的4个过程。针对a)过程,可以不断换水,降低成垢离子的浓度,但是会极大浪费水资源,并且大幅增加成本。SOWTT是在保持少量换水的条件下,主要针对b)、c)、d)过程防止污垢的生成。SOWTT由表面活性剂、有机磷酸盐缓蚀剂、唑类等组成,具有对环境友好、有效抑制污垢生长的特点。首次加药按总水量的5×10-4加入,以后再按补充水量的10-4加药。主要原理是①SOWTT的药剂溶于水后,可以电离出大量带负电荷的阴离子,其能与Ca2+、Fe3+、Mg2+等金属离子形成稳定络合物,提高了CaCO3晶粒析出时的过饱和度;②依靠药剂的分散作用阻止成垢粒子间的相互接触和凝聚;③CaCO3晶体会按照一定方向生长,SOWTT中的有效成分会吸附到CaCO3晶体的活性增长点上,并与Ca2+螯合,使晶体歪曲并发生畸变,晶体生长被抑制,晶粒变得细小。

图3 碳酸钙污垢的形成
Fig.3 Formation of calcium carbonate scale

2 数学模型

如果冷水机组冷凝器内产生污垢,在冷却水进出水温度和冷冻水进出口温度相同的情况下,冷水机组的制冷剂冷凝温度与冷凝压力上升,蒸发温度变化不大。以常用工质R134a为例,如图4制冷循环的压焓图所示,假设状态点1保持不变,冷水机组制冷循环过程将由1→2→3→4→1变为1→2'→3'→4'→1。

图4 制冷循环的压焓图
Fig.4 Pressure enthalpy diagram of refrigeration cycle

根据记录到的数据,可以计算在不同污垢热阻值下制冷机组的COP(coefficient of performance)值,计算原理如下。

冷凝器的换热量Qc

式中:为冷却水质量流量;cp为水的定压比热;Tc,out为冷却水出口温度;Tc,in为冷却水入口温度;K为传热系数;Ai为换热管总内表面积。

制冷剂与冷却水的对数平均温差ΔTm

式中:ΔTmax、ΔTmin分别代表冷凝器入口端两侧流体温差和冷凝器出口端两侧流体温差中的大者和小者。

传热系数K由多个因素决定,计算公式如下:

式中:hw为冷却水侧对流换热系数;δ为换热管管壁厚度;λp为换热管的导热系数;为换热管内外表面的平均面积;Ao为换热管的外表面积;hc为制冷剂对流换热系数。

对冷凝器污垢热阻Rf的研究目前多以实验为主。Hongting Ma等[23]通过相关实验,归纳了污垢热阻随时间的变化规律,如式(4)所示。

冷凝器中,冷却水流速一般在1.8~2.5 m/s,相应的雷诺数Re在3.8×104 ~ 5.38×104范围内。因此,冷却水在管内的流动状态为湍流,冷却水侧对流换热系数可采用如下公式计算:

式中:λw为冷却水的导热系数;di为换热管内径;Rew为冷却水的雷诺数;Prw为冷却水的普朗特数。

制冷剂侧的对流换热系数,可由如下的经验公式计算:

式中:φ为增强系数;εn为管束修正系数;g为重力加速度;r为汽化潜热;ρc为制冷剂密度;λc为制冷剂导热系数;μc为制冷剂动力粘度;nm为竖直方向上的平均管排数;do为换热管外径;Tw为壁面温度。

当换热管出现污垢后,热阻Rf增大,导致换热系数K减小。而换热面积A不变,平均对数温差变化不大。从而在整体上换热系数K减小,导致冷凝器的换热量降低。

根据以上分析,可以求得有污垢后各状态点焓值h,然后利用式(7)求得冷水机组的制冷系数COP

工程应用中,以直观数据“小温差”的大小评价冷凝器换热效果。“小温差”是业内俗称,学名为“趋近温度”Tsmall,是指冷凝器中制冷剂的饱和温度Tsat与冷却水出口温度Tc,out的差值。

综上,可以求得不同污垢热阻下,冷水机组的循环效率。SOWTT能够使冷凝器的污垢热阻长期保持在0.000 1 m2K/W。理想状态下,采用机械法清理后污垢热阻为0,之后污垢热阻满足式(4)的变化规律。机械法清理周期可分为每月、每季度以及每半年,针对SOWTT和这3个不同清理周期的机械法,可以分析制冷效率、年耗电量、二氧化碳减排量等指标的差异。

3 SOWTT的效果

3.1 SOWTT对污垢的抑制效果

污垢的大小很难直接测量,可采用趋近温度近似。图5是厦门某酒店采用SOWTT前及运行120天后,其趋近温度的散点图。采用SOWTT后,趋近温度保持在1.08 ℃左右,基本与新机组的趋近温度水平相当,处于正常范围内。但是如果未除垢,趋近温度会不断增加,文献[23]实验测量结果表明,趋近温度在20天内增长了19.96%,同等情况下功耗将大大增加。因此从趋近温度的角度可以反映出SOWTT良好的防垢效果。

图5 采用SOWTT对趋近温度的影响
Fig.5 The effect of SOWTT on approaching temperature

3.2 SOWTT对冷水机组效率的影响

为了分析抑制污垢生长对效率的影响,本文研究了厦门市采用SOWTT的机组运行状况。表1为2台离心式冷水机组和2台螺杆式冷水机组的参数,制冷剂均为R134a。

表1 冷水机组的参数
Table 1 Parameters of chiller

图6是这4台机组100 d内制冷系数的散点图。可以明显发现,采用SOWTT能够使制冷机组保持高效运行。以1号机组为例,在无污垢时,制冷系数为6.1,采用SOWTT防垢能够使机组平均制冷系数保持在6.011附近,几乎达到无污垢运行状态。

图6 采用SOWTT后冷水机组的制冷系数
Fig.6 COP of chiller after adopting SOWTT

3.3 SOWTT与机械法的节能减排效果对比

考虑到化学法破坏环境,物理法需要增加额外成本,目前市场中仍有很多企业采用机械法,因此重点探究SOWTT与机械法的效果差别。以表1中的1号机组为例,计算并比较SOWTT与机械法的优劣。假设初始状态和运行条件均相同。制冷循环的初始状态参数以1号机组无污垢下记录到的数据为基准,如表2所示,而后分别采用SOWTT、机械法每月、机械法每季度、机械法每半年这4种方式对冷水机组进行除垢,最后从机组效率、节能减排等方面评价其效果。

表2 制冷循环的状态参数
Table 2 Refrigeration cycle status parameters

无污垢下制冷系数为6.129,采用SOWTT的机组污垢热阻长期保持在0.000 1 m2K/W,制冷系数为6.016。机械法在本次除垢到下一次除垢的时间间隔内,污垢热阻不断增加,冷凝器传热量随之减小,制冷系数将持续降低。如图7所示,机械法清理周期无论是每月、每季度还是每半年,其制冷系数几乎在所有时间段都低于采用SOWTT的制冷系数,换热效果较差,每半年清理一次时更加明显。

图7 使用不同除垢技术的制冷系数随时间的变化
Fig.7 Changes in COP over time with different descaling techniques

1号机组的制冷量为2285 kW,假设其每年在该酒店运行6个月。采用SOWTT时制冷系数保持在6.016高效运行,耗电量随时间成线性关系。采用机械法时制冷系数成周期性变化,机组耗电功率随时间不断发生变化,对耗电功率在时间上求积分,可以得到制冷机组在某一时间段内的累计耗电量。如图8所示,耗电量最大的是每半年机械式清理一次的机组,而耗电量最小的是采用SOWTT的机组,并且随着时间的推移,耗电量的差值越来越大。若机组持续运行6个月,采用SOWTT比清理周期为每月、每季度、每半年的机械法少消耗电量分别为978 704 kWh、1 344 371 kWh和1 647 060 kWh,节能效果显著。

图8 不同除垢方式制冷机功耗随时间变化
Fig.8 Power consumption of the chiller with different descaling methods

通过节约能源,可以减少二氧化碳的排放,节约1 kWh相当于减排了0.997 kg二氧化碳[24-25]。根据图9,采用SOWTT比机械法多减排的二氧化碳随机组运行时间不断增加。若机组运行6个月,采用SOWTT比清理周期为每月、每季度、每半年的机械法多减排的二氧化碳分别为976 t、1340 t和1642 t,减排效果显著。

图9 SOWTT比机械法多减排的二氧化碳量
Fig.9 Reduced carbon dioxide emissions by SOWTT more than mechanical cleaning method

4 SOWTT的分析与讨论

实际工程中当冷水机组采用SOWTT时,平均趋近温度为1.08 ℃,基本可以达到新机趋近温度的水平,这体现出SOWTT能够有效防止污垢的生成,从而提高机组效率。图6中4个机组的制冷系数在运行的100 d中均能达到无污垢时制冷系数的90%以上,可见SOWTT能使机组始终高效率工作。

机组采用机械法除垢后的制冷系数较高,而后快速降低,这主要是因为污垢的生长是指数过程,前期增长非常快,后面生长速度放缓。SOWTT节省电能与减排二氧化碳的效果相比机械法十分显著。

以上分析的是单个机组,我们将研究结果进一步推广,研究SOWTT相比机械法对中国冷水机组带来的效用。考虑到新机组的使用与已有机组的淘汰,保守估计中国目前运行的冷水机组以制冷量计算约有6.5亿kW[26-27]。如果这些机组全部采用SOWTT,相比于清理周期为每月、每半年的机械法,每年节省电能分别为2.78×1011 kWh、4.69×1011 kWh,减排二氧化碳分别为2.77×108 t、4.68×108 t,节约电量占耗电量比例分别为29.7%、50.07%。由此可见,SOWTT节能减排效果明显,有利于提高城市能源系统效率。目前SOWTT对防腐的作用还有待进一步研究。

5 结论

本文分析了污垢的形成与SOWTT阻垢的原理,建立了制冷循环的物理模型,通过对SOWTT和机械法在运行效率、年耗电量、二氧化碳排放等方面的对比,得出以下结论。

1)采用SOWTT后的趋近温度基本与新机组趋近温度数值相当,这表明SOWTT防垢效果良好。采用SOWTT的冷水机组的制冷系数基本能维持在新机状态时制冷系数的90%以上,能够确保机组高效运行。

2)机械法在清理初期运行效率较高,而后快速降低。SOWTT能够有效防止污垢生成。

3)在节能减排方面,SOWTT优势明显。若中国冷水机组都采用SOWTT,比每半年一次的机械式清理节约电能4.69×1011 kWh,减排4.68×108 t二氧化碳。

参考文献

[1] 范成围,陈刚,熊哲浩,等.考虑室内体感舒适度的城市楼宇型能量枢纽优化配置与定容应用分析[J].全球能源互联网,2020,3(3):291-300.FAN Chengwei,CHEN Gang,XIONG Zhehao,et al.Optimal configuration and capacity settings for urban building energy hub considering indoor somatosensory comfort[J].Journal of Global Energy Interconnection,2020,3(3): 291-300(in Chinese).

[2] MARINO D L,AMARASINGHE K,MANIC M.Building energy load forecasting using Deep Neural Networks[C]//IECON 2016 - 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.October 23-26,2016,Florence,Italy.IEEE,2016: 7046-7051.

[3] BERARDI U.A cross-country comparison of the building energy consumptions and their trends[J].Resources,Conservation and Recycling,2017,123: 230-241.

[4] YANG L,YAN H Y,LAM J C.Thermal comfort and building energy consumption implications - A review[J].Applied Energy,2014,115: 164-173.

[5] GOH T,ANG B W,XU X Y.Quantifying drivers of CO2 emissions from electricity generation - Current practices and future extensions[J].Applied Energy,2018,231: 1191-1204.

[6] WANG L,LEE E W M,YUEN R K K,et al.Cooling load forecasting-based predictive optimisation for chiller plants[J].Energy and Buildings,2019,198: 261-274.

[7] CHAUDHURI T,SOH Y C,LI H,et al.A feedforward neural network based indoor-climate control framework for thermal comfort and energy saving in buildings[J].Applied Energy,2019,248: 44-53.

[8] MIRRAHIMI S,MOHAMED M F,HAW L C,et al.The effect of building envelope on the thermal comfort and energy saving for high-rise buildings in hot-humid climate[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016,53: 1508-1519.

[9] CAO X D,DAI X L,LIU J J.Building energy-consumption status worldwide and the state-of-the-art technologies for zero-energy buildings during the past decade[J].Energy and Buildings,2016,128: 198-213.

[10] HU S,YAN D,GUO S Y,et al.A survey on energy consumption and energy usage behavior of households and residential building in urban China[J].Energy and Buildings,2017,148: 366-378.

[11] SHENG Y,MIAO Z Z,ZHANG J Y,et al.Energy consumption model and energy benchmarks of five-star hotels in China[J].Energy and Buildings,2018,165: 286-292.

[12] YAN D,HONG T Z,LI C,et al.A thorough assessment of China’s standard for energy consumption of buildings[J].Energy and Buildings,2017,143: 114-128.

[13] PAZ C,SUÁREZ E,CONDE M,et al.Development of a computational fluid dynamics model for predicting fouling process using dynamic mesh model[J].Heat Transfer Engineering,2020,41(2): 199-207.

[14] QU Z G,JIN S,WU L Q,et al.Influence of water flow velocity on fouling removal for pipeline based on eco-friendly ultrasonic guided wave technology[J].Journal of Cleaner Production,2019,240: 118173.

[15] LIU B,LI G,LI Y,et al.Experimental study on magnetic induction properties of PVC pipe in electronic anti-fouling technology[J].Polish Journal of Environmental Studies,2019,28(1): 205-211.

[16] XU Shuxia,CHEN Ning,PENG Wei.A new acid cleaning method for scale removal in condensers[C]//2016 5th International Conference on Advanced Materials and Computer Science.Atlantis Press,2016.

[17] LEGAY M,ALLIBERT Y,GONDREXON N,et al.Experimental investigations of fouling reduction in an ultrasonically-assisted heat exchanger[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2013,46: 111-119.

[18] ZHANG L X,LI X,GAO M,et al.Study on descaling characteristics of an induction-type electronic descaling device outside the heat transfer tubes of evaporative cooler[J].Applied Thermal Engineering,2017,127: 1627-1631.

[19] VOSOUGH A,PEYGHAMBARZADEH S M,ASSARI M R.Influence of thermal shock on the mitigation of calcium sulfate crystallization fouling under subcooled flow boiling condition[J].Applied Thermal Engineering,2020,164:114434.

[20] KARIMI A,AL-RASHED A A A A,AFRAND M,et al.The effects of tape insert material on the flow and heat transfer in a nanofluid-based double tube heat exchanger: Twophase mixture model[J].International Journal of Mechanical Sciences,2019,156: 397-409.

[21] GUI Miao,BI Qincheng,GUO Yajun,et al.Experimental study on the heat transfer enhancement by the combination of transverse groove tube and twisted tape inserts[C]//Proceedings of the ASME Power Conference,2016,New York: Amer Soc Mechanical Engineers,2016.

[22] ZAHLAN H,SAEED W S,ALRASHEED R,et al.Synthesis of poly (citric acid-co-glycerol)and its application as an inhibitor of CaCO3 deposition[J].Materials,2019,12(22):3800.

[23] MA H T,YU S J,LI C,et al.Influence of rubber ball on-line cleaning device on chiller performance[J].Applied Thermal Engineering,2018,128: 1488-1493.

[24] TANG Yong.Analysis of thermal efficiency of coal mine gas utilization and recycling ways[J].J Environmental Protection and Technology,2019,25(2): 52-55.

[25] HARGREAVES A,CHENG V,DESHMUKH S,et al.Forecasting how residential urban form affects the regional carbon savings and costs of retrofitting and decentralized energy supply[J].Applied Energy,2017,186: 549-561.

[26] 张枫,吴利平,高珊,等.2016年我国制冷空调行业市场分析[J].制冷与空调,2017,17(7):1-5.ZHANG Feng,WU Liping,GAO Shan,et al.2016 market analysis of refrigeration and air-conditioning industry in China[J].Refrigeration and Air-Conditioning,2017,17(7):1-5(in Chinese).

[27] 张枫,白俊文,张丽娜,等.2017年我国制冷空调行业市场分析[J].制冷与空调,2018,18(8): 1-7.ZHANG Feng,BAI Junwen,ZHANG Lina,et al.2017 market analysis of refrigeration and air-conditioning industry in China[J].Refrigeration and Air-Conditioning,2018,18(8):1-7(in Chinese).

Research on the Effect of Energy Savings and Emission Reduction Based on the New Online Water Treatment Technology

WANG Pengfei1,ZHANG Yaoli1,2*,HONG Gang1,2
(1.College of Energy,Xiamen University,Xiamen 361102,Fujian Province,China;2.Fujian Research Center for Nuclear Engineering,Xiamen 361102,Fujian Province,China)

Abstract: To reduce the impact of fouling on the efficiency of central air conditioning chillers and thus improve the utilization efficiency of urban energy systems,a special online water treatment technology (SOWTT)is proposed.In this study,we evaluate the effect of SOWTT by tracking and calculating the approaching temperature,operating efficiency,annual power consumption and carbon dioxide emission reduction of several chillers in Xiamen.The results show that the approaching temperature of the chiller using the SOWTT is basically equivalent to the approaching temperature of the new chiller,which can effectively prevent the generation of fouling.In addition,the SOWTT can basically maintain the coefficient of performance (COP)value of the chiller above 90% of the COP of the new machine.If all of China’s chiller units use the SOWTT,it will save 50.07% of electricity compared to semiannual mechanical cleaning,thereby leading to significant economic benefits.At the same time,a considerable amount of carbon dioxide can be reduced to achieve energy savings and emission reduction.Therefore,the comprehensive benefits of the SOWTT are significant,and its widespread use will greatly improve the efficiency of urban energy systems.

Keywords: urban energy; chillers; online water treatment;mechanical cleaning; refrigeration coefficient

王鹏飞

作者简介:

王鹏飞(1990),男,硕士研究生,研究方向为热力循环、超临界二氧化碳流动与换热。

张尧立(1985),男,副教授,研究方向为热力循环、反应堆热工水力。通信作者,E-mail:zhangyl@xmu.edu.cn。

(责任编辑 张宇)

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    图1