污水源熱泵供熱系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況分析

王佳娜，廖吉香，馬慶艷

（1-國(guó)內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100069；2-哈爾濱學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150086）

污水源熱泵供熱系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況分析

王佳娜*1，廖吉香2，馬慶艷2

（1-國(guó)內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100069；2-哈爾濱學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150086）

以哈爾濱市應(yīng)用的某污水源熱泵為例，通過(guò)應(yīng)用實(shí)際測(cè)試的方法，分析了污水熱能利用情況及系統(tǒng)供熱過(guò)程中熱泵機(jī)組的供熱性能。結(jié)果表明：在測(cè)試期間，室內(nèi)外溫差很大的情況下，污水源熱泵仍能滿(mǎn)足供熱要求，具有良好的穩(wěn)定性。熱泵機(jī)組的平均供熱性能系數(shù)為2.92。

污水源熱泵；熱泵機(jī)組；供熱性能

0 引言

東北寒冷地區(qū)供暖期長(zhǎng)、能源消耗大。建筑供暖系統(tǒng)的熱源以燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐和熱化電站為主，一方面造成了能源的嚴(yán)重浪費(fèi)，另一方面煤、石油、天然氣的燃燒排放出大量的CO2、SO2和粉塵等對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，造成了對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞[1]。建筑采暖節(jié)能已成為我國(guó)最關(guān)注的問(wèn)題之一，因此，可再生能源利用成為目前研究的重點(diǎn)[2]。節(jié)能環(huán)保型供暖系統(tǒng)在東北寒冷地區(qū)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用將具有更加顯著的節(jié)能意義。

近幾年，熱泵供暖方式以其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。它能把從低品位熱源吸收的熱量，全部轉(zhuǎn)化為有用的熱量，大大提高了采暖裝置的效率[3]。城市污水中所賦存的熱能便是一種公認(rèn)的尚未有效開(kāi)發(fā)和利用的清潔能源，利用熱泵技術(shù)可以回收城市污水中不能直接利用的低品位能量[4]。它具有冷熱量輸出穩(wěn)定、COP值高、換熱效果好和機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)污水綜合利用的有效途徑[5]。污水中所含熱能為 5.6×108kcal，可相當(dāng)于23×108kW的發(fā)電量或5×108m3的液化氣[6]。以城市原生污水作為熱泵的低位熱源具有很大優(yōu)勢(shì)，但是由于受到國(guó)內(nèi)水源熱泵技術(shù)及污水水質(zhì)復(fù)雜、水溫較低等因素的限制，此應(yīng)用技術(shù)方面的研究一直不多[7]。

東北寒冷地區(qū)的代表城市哈爾濱在污水源熱泵技術(shù)及其應(yīng)用方面做過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究和探討。雖然存在流動(dòng)阻塞和換熱等技術(shù)問(wèn)題[8]，但對(duì)于原生污水源熱泵系統(tǒng)的研究也取得了一定的成果。本文對(duì)哈爾濱某商城的原生污水源熱泵供熱系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，得到在供熱過(guò)程中污水的溫度變化及熱能利用狀況和熱泵機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)等。

1 污水源熱泵供熱工況介紹

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為試驗(yàn)房?jī)?nèi)安裝的一臺(tái)水源熱泵（型號(hào)：RHSBW600HS），系統(tǒng)如圖1所示。

測(cè)試時(shí)間為2012年11月10日到30日，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間 162 h。測(cè)試期間對(duì)污水源熱泵的整套系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試。測(cè)試地點(diǎn)為哈爾濱某商城，總建筑面積達(dá)50,000 m2，地上兩層、地下一層，主要經(jīng)營(yíng)陶瓷。供暖性能試驗(yàn)房間為第二層的一個(gè)房間。

測(cè)試參數(shù)包括：室內(nèi)溫度tn和室外溫度tw；熱泵水源側(cè)進(jìn)口溫度twg和出口溫度twh；熱泵用戶(hù)側(cè)進(jìn)口溫度tg和出口溫度th；水源側(cè)水流量V1；用戶(hù)側(cè)水流量V2；熱泵耗電量Wn；用戶(hù)側(cè)循環(huán)水泵、水源側(cè)循環(huán)水泵和污水泵的累計(jì)耗電量W；風(fēng)機(jī)盤(pán)管的累計(jì)耗電量Wo。

測(cè)試中，選取了供暖期間的某一天，從兩方面對(duì)整個(gè)污水源熱泵系統(tǒng)的供熱性能進(jìn)行研究[9]，包括：考察污水源熱泵系統(tǒng)在整個(gè)供熱測(cè)試期間的整體供熱性能及熱泵機(jī)組的工作性能，以及考察一天中污水源熱泵系統(tǒng)各設(shè)備主要性能參數(shù)及熱泵機(jī)組的工作性能隨時(shí)間變化的規(guī)律。

圖1 污水源熱泵供暖系統(tǒng)圖

2 污水源熱泵應(yīng)用測(cè)試結(jié)果分析

2.1 采暖能力測(cè)試結(jié)果

如果室外溫度有變化，供熱房間的熱負(fù)荷也必然發(fā)生變化，為達(dá)到房間所要求的供熱溫度，污水源熱泵系統(tǒng)的供熱量須與房間熱負(fù)荷一致。

2.1.1 整個(gè)供熱期間室內(nèi)外溫度的變化

測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，在整個(gè)供暖期間，室外的平均溫度為-5.3 ℃，室內(nèi)平均溫度為21.1 ℃，說(shuō)明污水源熱泵供熱系統(tǒng)在寒冷的天氣下仍可以滿(mǎn)足房間的供暖要求。

圖2 室內(nèi)外溫度變化

2.2.2 一天內(nèi)室內(nèi)外溫度的變化

圖3顯示了某一天室內(nèi)外溫度的變化，可以看出室外溫度變化較大的情況下，室內(nèi)溫度變化很平穩(wěn)，仍舊維持在 21 ℃左右。這一天室內(nèi)最大溫度變化幅度為 2.5 ℃，測(cè)試期間室外最大溫度變化幅度為 5.6 ℃。這表明污水源熱泵系統(tǒng)有較強(qiáng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，完全能滿(mǎn)足房間的供暖要求。

圖3 某一天室內(nèi)外溫度(2012年11月20日)

2.2 供熱性能測(cè)試結(jié)果分析

2.2.1 污水源熱泵系統(tǒng)供熱量

系統(tǒng)的供熱量Qr為熱泵機(jī)組的供熱量。

式中：

Qr——熱泵機(jī)組的供熱量，kJ；

ρw——熱水的平均密度，kg/L；

Cw——熱水的平均比熱，kJ/(kg·℃)；

Vw——供熱熱水（用戶(hù)側(cè)）每日體積流量，L；

tg，th——用戶(hù)側(cè)的供回水溫度，℃。

系統(tǒng)日平均供熱量為：

式中：

QrP——熱泵機(jī)組的日平均供熱量，kW；

n ——日平均供熱時(shí)間，h；

tpg,tph——水源側(cè)進(jìn)出口流體的日平均溫度，℃。

2.2.2 系統(tǒng)耗功量

系統(tǒng)耗功量包括壓縮機(jī)、污水水泵、水源側(cè)循環(huán)水泵及用戶(hù)側(cè)循環(huán)水泵和風(fēng)機(jī)盤(pán)管耗電量，即為熱泵系統(tǒng)耗電的總和。

2.2.3 系統(tǒng)日平均供熱性能系數(shù)

式中：

Wc——壓縮機(jī)的日平均耗電量，kW；

Wp——污水水泵的日平均耗電量，kW；

Wwp——水源側(cè)循環(huán)水泵及用戶(hù)側(cè)循環(huán)水泵的日平均耗電量，kW；

Wf——風(fēng)機(jī)盤(pán)管的日平均耗電量，kW。

圖4和圖5所示測(cè)試期間系統(tǒng)日平均供熱量、耗功量及系統(tǒng)日平均供熱性能系數(shù)的變化。由圖可見(jiàn)，系統(tǒng)日平均供熱量和系統(tǒng)日平均耗功量變化不大，整個(gè)測(cè)試期間系統(tǒng)平均供熱量為531.44 kW，平均耗功量為203.93 kW，平均供熱性能系數(shù)為2.61。可見(jiàn)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。

圖4 系統(tǒng)日平均供熱量和耗功量

圖5 系統(tǒng)日平均供熱性能系數(shù)

圖6和圖7顯示了某一天內(nèi)，系統(tǒng)供熱量、耗功量及供熱性能系數(shù)隨時(shí)間的變化情況。由圖可見(jiàn)，系統(tǒng)耗功量、系統(tǒng)供熱量及供熱性能系數(shù)隨時(shí)間的變化均不大。全天的供熱量為6,980.30 kW·h，累計(jì)系統(tǒng)耗功量2,653.48 kW·h，系統(tǒng)平均供熱性能系數(shù)為2.63。

圖6 系統(tǒng)瞬時(shí)供熱量和耗功量(2012年11月20日)

圖7 系統(tǒng)瞬時(shí)供熱性能系數(shù)(2012年11月20日)

2.3 系統(tǒng)整體供熱工況實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論

1) 哈爾濱地區(qū)2012年11月10日至11月30日的室外平均溫度為-5.3 ℃，晝夜溫度變化幅度在8 ℃左右。

2) 測(cè)試期間哈爾濱地區(qū)冬季經(jīng)過(guò)中介水和污水換熱后的水溫（熱源水水溫）在9.3 ℃～11.3 ℃之間變化，滿(mǎn)足供熱負(fù)荷的需求。表明污水源熱泵系統(tǒng)在寒冷的天氣條件下也可滿(mǎn)足建筑物供熱要求。

3) 在哈爾濱晝夜溫差為10.8 ℃的條件下，污水源熱泵系統(tǒng)仍能滿(mǎn)足建筑物的供熱負(fù)荷隨時(shí)間的變化要求，故有很好的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。

4) 在整個(gè)測(cè)試期間，污水源熱泵系統(tǒng)的耗功量、供熱量及供性能系數(shù)變化不大，且運(yùn)行平穩(wěn)，可進(jìn)行長(zhǎng)期工作。

5) 系統(tǒng)總平均供熱性能系數(shù)為2.63，具有較高的供熱系數(shù)，很節(jié)能。

3 熱泵機(jī)組性能的研究

該商城一般白天營(yíng)業(yè)，故采用熱泵機(jī)組供暖，高效節(jié)能。商城總供熱面積為34,000 m2，總負(fù)荷為1,800 kW，采用RHSBW600HS型螺桿干式冷水（熱泵）機(jī)組，其制冷量為(116～1,372) kW。

3.1 熱泵機(jī)組日平均吸熱量、供熱量及耗功量

在忽略管道熱損失的情況下，機(jī)組冷凝器日平均放熱量就是系統(tǒng)的日平均供熱量，由公式(2)進(jìn)行計(jì)算。

而機(jī)組蒸發(fā)器日平均吸熱量就是換熱盤(pán)管的日平均換熱量，由下式確定：

式中：

Q0—— 蒸發(fā)器日平均吸熱量，kW；

n——每日供熱時(shí)間，h；

ρ——換熱盤(pán)管內(nèi)載冷劑的平均密度，kg/L；

Cc——換熱盤(pán)管內(nèi)載冷劑的平均比熱，kJ/(kg·℃)；

Vc——流過(guò)換熱盤(pán)管的載冷劑每日體積流量，L；

Tzg，Tzh——蒸發(fā)器(水源側(cè))進(jìn)出口流體的溫度，℃。

圖8表示測(cè)試期間內(nèi)蒸發(fā)器及冷凝器進(jìn)出口流體平均溫度的變化情況。由圖可見(jiàn)，在供暖期間，蒸發(fā)器及冷凝器進(jìn)出口流體的日平均溫度變化不明顯，其溫差也較恒定。冷凝器出口流體平均溫度為44.2 ℃，冷凝器進(jìn)口流體平均溫度為39.4 ℃，蒸發(fā)器進(jìn)出口流體平均溫度分別為10.1 ℃和3.4 ℃。

圖9為供暖期間熱泵機(jī)組的日平均吸熱量、供熱量及壓縮機(jī)日平均耗功量的變化情況。從圖中可以看出，熱泵機(jī)組的日平均吸熱量、供熱量及壓縮機(jī)日平均耗功量的變化很小，蒸發(fā)器平均吸熱量為446.56 kW，冷凝器平均供熱量為590.49 kW，壓縮機(jī)平均耗功量為143.93 kW。且每條曲線都很平緩，說(shuō)明熱泵機(jī)組的工作性能很穩(wěn)定，可以長(zhǎng)期運(yùn)行。

3.2 熱泵機(jī)組瞬時(shí)吸熱量、供熱量、耗功量及性能系數(shù)[4]

1）熱泵機(jī)組的瞬時(shí)吸熱量：

式中：

q0——熱泵機(jī)組瞬時(shí)吸熱量，kW；

Vc——換熱盤(pán)管內(nèi)載冷劑的體積流量，L/h；

tzg，tzh——蒸發(fā)器水源側(cè)進(jìn)出口流體溫度，℃。

2）熱泵機(jī)組的瞬時(shí)供熱量：

式中：

Qk——熱泵機(jī)組瞬時(shí)供熱量，kW；

Tk,i，tk,o——冷凝器進(jìn)、出口流體溫度，℃。

3）機(jī)組的瞬時(shí)耗功量由電度表測(cè)出。

4）熱泵的供熱性能系數(shù)由下式計(jì)算：

式中：

ξh——熱泵性能系數(shù)；

Qk——熱泵瞬時(shí)供熱量，kW；

Whp——熱泵瞬時(shí)耗功量，kW。

圖10為供暖期間某一天內(nèi)，蒸發(fā)器及冷凝器進(jìn)出口流體溫度的變化情況。由圖可知，蒸發(fā)器進(jìn)出口流體的平均溫差為 6.8 ℃，冷凝器進(jìn)出口流體的平均溫差為 4.8 ℃。冷凝器進(jìn)口平均溫度為39.1 ℃，冷凝器出口平均溫度為43.9 ℃；蒸發(fā)器進(jìn)口平均溫度為 10.5 ℃，蒸發(fā)器出口平均溫度為3.8℃。曲線均較平緩，說(shuō)明熱泵的工作性能穩(wěn)定。

圖10 蒸發(fā)器、冷凝器進(jìn)出液溫度及溫差（2012年11月20日)

圖11表明了在供暖時(shí)間某一天內(nèi)，熱泵供熱量為7,755.83 kW·h，吸熱量為5,882.30 kW·h，熱泵機(jī)組耗功量為1,873.48 kW·h，熱泵耗功量隨時(shí)間的變化較小，瞬時(shí)供熱量和吸熱量變化也不大。

由圖12知熱泵的供熱性能系數(shù)變化甚微，且平均供熱性能系數(shù)為2.92。

圖11 熱泵供熱量、吸熱量及耗功量隨時(shí)間的變化(2012年11月20日)

圖12 熱泵機(jī)組供熱性能系數(shù)（2012年11月20日）

3.3 熱泵機(jī)組供熱工況實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論

1）在供暖測(cè)試期間，熱泵機(jī)組的平均吸熱量為451.85 kW，平均供熱量為595.90 kW，熱泵機(jī)組的平均耗功量為204.10 kW，熱泵機(jī)組的平均供熱性能系數(shù)為2.92。

2）在供暖期間的某一天內(nèi)蒸發(fā)器的進(jìn)出口流體溫度、冷凝器的進(jìn)出口溫度、熱泵的平均吸熱量、平均供熱量及壓縮機(jī)的平均耗功量，隨時(shí)間的變化都不大，表明熱泵機(jī)組的工作性能穩(wěn)定，適合長(zhǎng)期運(yùn)行。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)污水源熱泵機(jī)組在哈爾濱地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用工程的實(shí)測(cè)分析，得到關(guān)于污水源熱泵在寒冷地區(qū)應(yīng)用的供熱性能的數(shù)據(jù)資料。測(cè)試結(jié)果表明污水源熱泵在寒冷地區(qū)運(yùn)行情況良好，適合長(zhǎng)期應(yīng)用；系統(tǒng)供熱性能良好，具有較高的供熱性能系數(shù)，系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。

[1]劉志斌,王海燕,吳榮華,等.原生污水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工程應(yīng)用與設(shè)計(jì)研究[J].可再生能源,2006(3): 40-45.

[2]李莉,蔣露.污水源熱泵技術(shù)在污水處理廠中的應(yīng)用[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2010,29(4): 43-45.

[3]尹軍,王宏哲,韋新東.城市污水熱能利用技術(shù)及展望[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2001,18(2): 29-32.

[4]陳穎.再生水源熱泵工程應(yīng)用分析研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

[5]曲云霞,楊勇,李?lèi)?ài)景,等.污水源熱泵供熱的工程應(yīng)用及分析[J].可再生能源,2007,25(2): 103-105.

[6]崔福義,李曉明,周紅.污水資源及其在熱泵供熱中的應(yīng)用[J].低溫建筑技術(shù),2005(1): 96-97.

[7]廖吉香,劉興業(yè),馬慶艷,等.東北地區(qū)污水水源熱泵現(xiàn)狀分析[J].節(jié)能技術(shù),2005,23(6): 539-543,561.

[8]吳榮華,孫德興,張成虎,等.城市污水源熱泵的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,38(8): 1326-1329.

[9]白莉,尹軍,張喜明.利用城市污水熱能供熱的實(shí)驗(yàn)研究[J].暖通空調(diào),2006,36(10): 93-96.

Operating Performance Analysis on Heating System of Sewage Source Heat Pumps

WANG Jia-na*1,LIAO Ji-xiang2,MA Qing-yan2
(1-Internal trade engineering design and Research Institute,Beijing 100069,China;2-Harbin University,Harbin,Heilongjiang 150086,China)

Taking the sewage source heat pump applied in Harbin as an example,the utilization of sewage energy and the heating performance of heat pump unit during the system heating progress was analyzed by the actual test way.The results show that,at the test period and under the condition of large difference between indoor temperature and outdoor temperature,the sewage source heat pump still satisfy the heating quest and have a good stability.The average heating performance of the heat pump unit is 2.92.

Sewage source heat pump;Heat pump unit;Heating performance

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.204

*王佳娜（1980-），女，工程師，學(xué)士。研究方向：制冷與空調(diào)。聯(lián)系地址：北京市右安門(mén)外大街99號(hào)1105室，郵編：100069。聯(lián)系電話(huà)：010-83516747。E-mail：jianawang@126.com。