污水熱利用的供需側(cè)負(fù)荷動態(tài)匹配

蔡曉磊，林真國，于祥雷，唐建平

(重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院；三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400045)

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污水熱利用的供需側(cè)負(fù)荷動態(tài)匹配

蔡曉磊，林真國，于祥雷，唐建平

(重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院；三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400045)

對重慶某三級污水管網(wǎng)的流量動態(tài)特性、溫度動態(tài)特性進行了分析，對某商場建筑的全年負(fù)荷進行了模擬。在此基礎(chǔ)上，比較了商場建筑日峰值排熱量與污水平均載熱量的相對大小，找出最不利流量及其與建筑需求側(cè)的差額。為了充分、合理的利用城市污水冷熱資源，探索在污水流量不利工況下城市污水與城市建筑負(fù)荷之間的供需匹配方法，采用復(fù)合式系統(tǒng)彌補全年污水最不利流量時段污水平均載熱量與建筑負(fù)荷的差值，并針對復(fù)合式系統(tǒng)提出了負(fù)荷分擔(dān)原則及控制策略。

污水熱利用；動態(tài)特性；欠流量；復(fù)合式系統(tǒng)；匹配

城市生活污水是一種良好的低品位冷熱資源。近年來，國內(nèi)外對于污水冷熱資源利用的研究大多圍繞污水源熱泵工程應(yīng)用技術(shù)或設(shè)備研發(fā)展開。如污水的取水及退水方式、污水過濾器的防腐與防堵、污水換熱器的污垢形成與強化傳熱、污水源熱泵應(yīng)用的可行性與節(jié)能效益評價等等[1-7]。對于城市污水冷熱資源排放與建筑冷熱負(fù)荷需求匹配的研究涉及較少。

城市污水中賦存的冷熱量是巨大的，文獻[8]從城市宏觀尺度定量計算了城市污水中賦存的冷熱量以及可以利用的冷熱量。目前污水源熱泵系統(tǒng)的實際工程和設(shè)計思想多是基于這種宏觀的定量計算[7, 9-10]，即在污水最小流量和冬夏季計算溫差下，污水可利用容量需要滿足建筑最大的冷(熱)負(fù)荷，忽略了具體工程應(yīng)用時污水的流量、溫度等特性[11]與城市尺度下差異。在一個城市中，污水總量很大，而污水分布是不均衡的，一棟建筑可以利用的部分也是有限的。這種地域上的不均衡性和污水本身的動態(tài)特性是污水源熱泵系統(tǒng)在推廣和應(yīng)用過程中需要考慮的。為充分、合理的利用城市污水冷熱資源，提高污水源熱泵系統(tǒng)的可靠性，本文基于動態(tài)的思想，探索了在污水流量不利的工況下城市污水與城市建筑負(fù)荷之間的供需匹配方法，并提出了負(fù)荷分擔(dān)原則及控制策略。

1 污水的動態(tài)特性

污水中攜帶的冷熱量主要通過流量和溫度表現(xiàn)出來，其中流量顯示出污水冷熱量“量”的特點，而溫度則可評判污水“質(zhì)”的好壞。

1.1 污水的流量動態(tài)特性

城市生活污水量通常取決于城市生活用水量。由于城市居民生活的規(guī)律性導(dǎo)致用水量變化具有一定的規(guī)律性，從短期內(nèi)用水量變化具有周期性，長時間看它又具有逐年增長的趨勢。城市生活污水量與城市生活用水量一樣逐月逐時變化，一年之內(nèi)冬季和夏季不同，一日之中白天和夜晚也不一樣，即使在同1 h內(nèi)污水流量也是恒定不變的。污水管網(wǎng)內(nèi)污水流量的變化程度與管網(wǎng)內(nèi)流量的大小有關(guān)，污水流量越大變化幅度越小，變化系數(shù)也越小，反之則越大[12]。不同類型的污水管網(wǎng)在流量變化規(guī)律上存在一定的差異。

污水流量在一小時內(nèi)可以認(rèn)為是均勻的[13]。如果將管網(wǎng)內(nèi)污水逐時流量與該日平均污水流量的比值定義為小時流量系數(shù)，就可以通過該系數(shù)看出管網(wǎng)內(nèi)污水流量在1 d內(nèi)的波動程度。文獻[12]通過調(diào)研測試給出了3個不同規(guī)模污水管網(wǎng)的小時流量系數(shù)，具體見圖1。

圖1中1級污水管網(wǎng)主要指的是城市污水主干管(比如流入污水處理廠的污水管)，2級污水管網(wǎng)對應(yīng)于城市污水干管，3級污水管網(wǎng)對應(yīng)于城市污水支管(比如單個小區(qū)的污水排出管道)。圖1可以看出，污水管網(wǎng)越大，污水流量在1 d內(nèi)逐時波動越小，污水管網(wǎng)越小，污水流量在1 d內(nèi)波動越劇烈；3種管網(wǎng)的波動曲線都顯示晚上管網(wǎng)內(nèi)污水流量相對較少。

圖1 3個不同規(guī)模污水管網(wǎng)的小時流量系數(shù)Fig.1 The hour flow coefficient of the three different scale sewage pipe

在不考慮氣候突變前提下，城市生活污水流量日與日之間變化不明顯，但日變化的長時間累加可能導(dǎo)致污水流量的明顯變化。工程應(yīng)用中常假定每月內(nèi)日流量相同，而在月間出現(xiàn)差異，這與通常采用的按月統(tǒng)計相適應(yīng)。實際上以月為周期，氣候變化并不明顯，污水流量基本穩(wěn)定。如果將管網(wǎng)內(nèi)污水逐月流量與1 a內(nèi)月平均污水流量的比值定義為月流量系數(shù)，就可以通過月流量系數(shù)看出管網(wǎng)內(nèi)污水流量在1 a內(nèi)月與月之間的波動程度。文獻[14]通過調(diào)研測試給出了3個不同規(guī)模污水管網(wǎng)的月流量系數(shù)，具體見圖2。

圖2 3個不同規(guī)模污水管網(wǎng)的小時流量系數(shù)Fig.2 The hour flow coefficient of the three different scale sewage pipe

從圖2可以看出，污水管網(wǎng)越大，污水流量在1 a內(nèi)逐時波動越小，污水管網(wǎng)越小，污水流量在1 a內(nèi)波動越劇烈；另外，3種管網(wǎng)內(nèi)污水流量都是冬天少，夏天較多。

1.2 污水的溫度動態(tài)特性

溫度是城市生活污水冷熱資源的關(guān)鍵因素，是換熱工況設(shè)計的重要參數(shù)，直接影響系統(tǒng)投資與運行能耗，關(guān)系到熱泵系統(tǒng)使用的經(jīng)濟性和節(jié)能性，因此污水冷熱資源建筑應(yīng)用必須考察污水的溫度情況。圖3是重慶市全年污水、空氣及地表江水的溫度變化情況，污水各月平均溫度為14～25℃，空氣全年各月平均溫度為8～29℃，地表江水溫度各月平均溫度為13～28℃。從整體上看城市生活污水全年溫度均在10～25℃左右，并且差別并不大，是理想的低溫?zé)嵩磁c熱匯。

圖3 重慶市污水與環(huán)境溫度全年變化曲線Fig.3 Annual temperature changes of sewage and outside surroundings in ChongQing

1.3 污水冷熱量的動態(tài)特性

污水冷熱量的波動主要受污水流量和污水被利用前后的溫差影響，具體見式(1)、(2)。

QL=C·m·Δtl

(1)

QR=C·m·Δtr

(2)

式中：QL、QR為污水冷熱容量，kW；C為污水定壓比熱，可近似取4.187kJ/kg.℃；m為污水質(zhì)量流量，kg/s；Δtl、Δtr為制冷、制熱工況下污水被利用前后的溫差，℃。

污水被利用后的溫度通常要滿足污水處理廠對污水溫度要求，文獻[14]指出只要控制污水使用后溫度在8～40℃范圍內(nèi)，就不會對污水處理工藝產(chǎn)生負(fù)面影響，因此，理論上Δtl、Δtr分別為40-tw、tw-8；由于污水溫度tw是波動變化的，因此理論上的Δtl和Δtr也是波動變化的。實際工程中綜合了技術(shù)及經(jīng)濟因素，通常取Δtl和Δtr為5℃，則污水冷熱量的波動只受污水流量的影響，污水溫度的變化只是影響了冷熱源系統(tǒng)中的溫度參數(shù)。

2 建筑負(fù)荷的動態(tài)特性

空調(diào)的負(fù)荷特性和建筑物的類型有很大關(guān)系，每一類建筑其負(fù)荷波動性都不一樣；從目前利用污水源熱泵的項目可以看出，污水源熱泵大都應(yīng)用于辦公及商業(yè)等公共類建筑[10, 15-16]。商場作為一種典型的建筑，其空調(diào)負(fù)荷全年有明顯的波動性。本文基于文獻[17]對重慶地區(qū)商場建筑的調(diào)查情況，建立了一棟典型商場建筑模型。對于商場建筑，由于圍護結(jié)構(gòu)負(fù)荷占的比重較小，導(dǎo)致冬季熱負(fù)荷較小甚至出現(xiàn)冷負(fù)荷的情況，因此本文只考慮夏季商場冷負(fù)荷特性，利用DEST模擬軟件模擬5～10月空調(diào)冷負(fù)荷；最熱月典型日(8月3日)建筑負(fù)荷分布見圖4，峰值冷負(fù)荷見圖5。

圖4 最熱月典型日(8月3日)空調(diào)冷負(fù)荷分布圖Fig.4 Distribution of cold load in typical day in hottest month

圖5 5月—10月建筑日峰值排熱量與污水平均載熱量分布圖Fig.5 Distribution of peak cold load in building and the mean heat carried by sewage from May to October

從圖5可以看出夏季峰值冷負(fù)荷波動較大，最大值僅出現(xiàn)在七八月的某幾天，大部分時間的空調(diào)負(fù)荷都遠(yuǎn)小于最大負(fù)荷，將所有峰值負(fù)荷進行統(tǒng)計得出低于最大負(fù)荷的80%的天數(shù)高達(dá)總天數(shù)的70%。圖4顯示最熱月典型日(8月3日)空調(diào)負(fù)荷最大值出現(xiàn)在下午15∶00左右，此時人員密度較大，室外溫度較高導(dǎo)致新風(fēng)負(fù)荷也較大。從負(fù)荷波動的角度可以看出，峰谷差異可以達(dá)到3倍；另外，當(dāng)日60%以上的時間空調(diào)的部分負(fù)荷率都低于80%，由此可見，空調(diào)負(fù)荷在制冷季及一天內(nèi)大都處于部分負(fù)荷狀態(tài)。

3 供需側(cè)動態(tài)匹配

污水流量、溫度是動態(tài)變化的，因此夏季使用空調(diào)時污水能夠承載的建筑排熱量也是動態(tài)變化的。重慶地區(qū)夏季污水溫度為20～25 ℃，污水日溫度變化約為1～2 ℃，污水溫度在短期內(nèi)基本穩(wěn)定，完全滿足熱泵機組冷卻溫度要求。由式(3)計算污水動態(tài)載熱量

Q1=C×G×ΔT

(3)

其中：G為夏季污水動態(tài)流量，m3/h；Q1為夏季污水動態(tài)載熱量，kW；ΔT為污水取水側(cè)水溫差(本文取為5℃)，℃。

由式(4)計算建筑動態(tài)排熱量

Q2=Q×(E+1)/E

(4)

其中：Q為建筑動態(tài)冷負(fù)荷，kW；Q2為建筑動態(tài)排熱量，kW；E為熱泵機組制冷性能系數(shù)，kW/kW。

以往的污水源熱泵工程項目通常是靜態(tài)分析污水最不利流量是否能滿足建筑最大負(fù)荷的要求，很多工程往往因為污水流量偏小而限制污水的熱能利用。本文將5月—10月建筑日最大排熱量與污水的平均載熱量繪制成曲線，如圖5。

建筑日峰值排熱量與污水平均載熱量的相對大小取決于污水匯流量的多少和建筑的規(guī)模；但從圖5中可以看出建筑日峰值排熱量波動性較大，波峰和波谷相差達(dá)7倍，而污水平均載熱量波動性較小，波峰和波谷相差僅1.3倍；6月末7月初日污水平均流量相對于建筑峰值負(fù)荷最小，可以認(rèn)為全年污水最不利流量出現(xiàn)在該時段。從6月末到7月初這幾天中選取能代表這幾天建筑負(fù)荷變化規(guī)律的某天作為污水最不利日，將該典型日污水動態(tài)載熱量B與建筑動態(tài)排熱量A繪制成曲線，如圖6

圖6 7月1日建筑排熱量與污水載熱量分布圖Fig.6 Distribution of building cold load and heat carried by sewage in July 1

圖6中污水最不利流量不滿足建筑負(fù)荷要求，但全天污水量累加可以滿足全天建筑負(fù)荷要求，此時可增設(shè)污水蓄水池或采用蓄能技術(shù)進行移峰填谷，以解決污水不能滿足建筑負(fù)荷要求這一問題。但采用蓄水池緩解供需冷量差異時，首先要解決蓄水量的問題，蓄水池通常占據(jù)較大的用地，在實際工程應(yīng)用中較難實現(xiàn)[18]。因此，大多數(shù)工程往往結(jié)合常規(guī)的能源方式，構(gòu)建污水源熱泵與常規(guī)空調(diào)的復(fù)合式系統(tǒng)，以解決污水可利用冷熱能和建筑冷熱負(fù)荷需求在時間和數(shù)量上不匹配的矛盾，提高能源綜合利用效率。

污水源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)的形式根據(jù)不同的分類方法，可以分成多種類別。若以輔助系統(tǒng)的復(fù)合形式來分，包括并聯(lián)和串聯(lián)兩種類型，而并聯(lián)與串聯(lián)的位置可以在冷熱源側(cè)，也可以在負(fù)荷側(cè)；若按照輔助系統(tǒng)冷熱源的形式，則包括傳統(tǒng)的冷卻塔，以及其他可再生能源[19-20]。本文采用的復(fù)合式系統(tǒng)形式見圖7。

圖7 污水源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic diagram of sewage source heat pump hybrid system

圖7中污水泵抽水流量不能大于流入污水池內(nèi)的流量，除非污水池的容積較大或者提前蓄水，否則污水池很容易被抽空。本文采用液位控制變頻技術(shù)實現(xiàn)污水池內(nèi)液位保持在一定高度，污水變頻泵的最大流量由污水源熱泵系統(tǒng)容量大小確定，當(dāng)流入污水池的流量高于變頻泵最大流量時開啟污水池上方的溢流口，實現(xiàn)污水變頻泵的流量變化規(guī)律和管網(wǎng)實際產(chǎn)生的污水流量變化規(guī)律一致，這樣可以提高污水取水側(cè)的可靠性。

污水源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵是確定負(fù)荷分擔(dān)系數(shù)，即對既有的建筑物，為了使系統(tǒng)更加高效的運行，在設(shè)計階段確定污水源熱泵承擔(dān)多少負(fù)荷，常規(guī)系統(tǒng)承擔(dān)多少負(fù)荷。冷卻塔系統(tǒng)作為輔助系統(tǒng)，其主要作用有兩方面，一是調(diào)峰作用；二是代替污水源熱泵系統(tǒng)為末端供冷：因為污水取水側(cè)污水流量的變化規(guī)律和污水干渠內(nèi)污水流量變化是一致的，當(dāng)建筑負(fù)荷很小而此時污水干渠內(nèi)污水流量很大時，會導(dǎo)致取水側(cè)污水浪費、取水能耗增高，此時只開啟冷卻塔系統(tǒng)(建筑負(fù)荷低在一定程度上能說明室外溫度也較低，冷卻塔換熱更有優(yōu)勢)。

負(fù)荷分擔(dān)原則：1)污水源熱泵系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)的最大載熱量之和必須大于或等于建筑最大排熱量：QL+QW≥max(A)；2)冷卻塔系統(tǒng)要滿足調(diào)峰的作用，其最大載熱量必須大于或者等于污水載熱量相對于建筑排熱量的最大差值：QL≥max(A-B);3)冷卻塔代替污水源熱泵系統(tǒng)為末端供冷；根據(jù)文獻對夏熱冬冷地區(qū)IPLV系數(shù)的統(tǒng)計，25%滿負(fù)荷工況的時間達(dá)到18%，此時建筑負(fù)荷較小，但是存在時間又不是很短，單獨開啟冷卻塔具有一定的節(jié)能優(yōu)勢。根據(jù)上述原則可以綜合確定75%負(fù)荷由污水水源熱泵提供，在冷卻塔容量能夠滿足使用要求低的前提下其余 25%負(fù)荷由冷卻塔散熱系統(tǒng)提供。

其中：QL為冷卻塔最大載熱量；QW為污水源熱泵系統(tǒng)最大載熱量；A為建筑動態(tài)排熱量；B為 污水動態(tài)載熱量。

復(fù)合式系統(tǒng)的控制策略：液位控制變頻調(diào)節(jié)實現(xiàn)污水取水流量和污水實際流量一致，一般水源熱泵機組可利用水源溫差為4～5 ℃，當(dāng)中介水供回水溫差ΔTg,h超過5 ℃，說明污水載熱能力不足，同時開啟冷卻塔；當(dāng)中介水溫差ΔTg,h低于某一溫度Tmin，說明建筑負(fù)荷低，而污水流量大，污水取水浪費；如果冷卻塔的換熱量能滿足在此溫差下污水的最大載熱量，此時關(guān)閉污水取水系統(tǒng)，只開啟輔助冷卻塔系統(tǒng)；經(jīng)統(tǒng)計夏季污水流量并結(jié)合污水源熱泵和冷卻塔的容量最終確定Tmin為1.67 ℃；當(dāng)中介水供回水溫差介于1.67 ℃和5 ℃之間，則只開啟污水源熱泵系統(tǒng)。本文考慮了常態(tài)下污水流量不足時城市污水與城市建筑負(fù)荷之間的供需匹配。對于城市污水有可能出現(xiàn)的斷流等應(yīng)急情況，需要另行確定冷卻塔容量。

4 結(jié)論

1)為了最大程度地利用城市污水的低位熱能，應(yīng)該基于動態(tài)思想分析污水載熱量與建筑排熱量之間的關(guān)系。本文以某商場為例，將模擬得到的建筑負(fù)荷轉(zhuǎn)換成建筑側(cè)的排熱量，并與某三級污水管網(wǎng)中的污水載熱量進行對比分析，找出了最不利流量及其與建筑需求側(cè)的差額。

2)構(gòu)建了污水源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)，提出了復(fù)合式分擔(dān)系統(tǒng)的原則及控制策略，綜合確定了污水源熱泵系統(tǒng)的容量和輔助冷卻塔系統(tǒng)的容量，并通過合理控制常規(guī)系統(tǒng)的啟停提高能源綜合利用效率，使污水源熱泵系統(tǒng)同時滿足節(jié)能、可靠的雙重要求。

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(編輯 胡 玲)

Load dynamic matching of supply and demand side based on the utilization of urban sewage heat energy

CaiXiaolei，LinZhenguo，YuXianglei，TangJianping

(Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering;Key Laboratory of the Three Gorges Reservior Region’s Eco-Environment of Ministry of Education,Chongqing University, Chongqing 400045, P.R.China)

Flowing dynamic characteristics and its temperature dynamic characteristics of a three-level sewage pipe network in Chongqing were analyzed. A mall’s building whole year load was simulated. In the adverse condition of wastewater flow, the market construction peak discharge heat was compared with the sewage heat load, the balance between the most adverse flow and the building demand was found. Explored supply and demand matching method between urban sewage and city building load in flow adverse condition to take full advantage of the urban sewage cold and hot resources. the composite system was adeptcd to make up the most unfavorable flow time of sewage average heat load and the construction load difference; it also puts forward principle of load sharing and control strategy aimed at compound system.

sewage heat utilization; dynamic characteristics; sewage flow disadvantage; hybridsystem; matching

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.01.006

2014-07-09

國家自然科學(xué)基金(51106190)

蔡曉磊(1989-)，男，主要從事污水源熱泵應(yīng)用研究，(E-mail)yujian000@126.com。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China(No.51106190)

TU834.3

A

1674-4764(2015)01-0029-06

Received：2014-07-09

Author brief：Cai Xiaolei(1989-),main research intrest:application of sewage source heat pump，(E-mail)yujian000@126.com.