污水源熱泵系統(tǒng)的逐時需水量預(yù)測及工程設(shè)計

張年年 孫維棟 張 昌

（武漢紡織大學(xué) 武漢 430073）

污水源熱泵系統(tǒng)的逐時需水量預(yù)測及工程設(shè)計

張年年 孫維棟 張 昌

（武漢紡織大學(xué) 武漢 430073）

以武漢具體工程為例，通過對建筑物室外全年逐時干球溫度和逐時負荷的計算，選取合適的污水源熱泵機組，建立描述污水源熱泵機組的工程應(yīng)用模型，通過相對誤差檢驗得知此模型具有較高的精度。預(yù)測逐時污水流量，提出在實際工程設(shè)計中應(yīng)該注意的事項，在污水量不足的狀況下提出欠流量的解決方案。

污水源熱泵；建模；污水流量預(yù)測

0 引言

污水熱源是一種優(yōu)良的引人注目的低溫余熱源，污水源熱泵系統(tǒng)以收集城市污水并利用其低品位熱能滿足供冷供熱的需求得到人們的重視。由于城市污水冬、夏季分別與地表水或空氣有一定的溫差，故其中蘊含巨大的節(jié)能潛力。城市污水中的熱能在城市可利用廢熱中是最多的，而且在能量消費密度越高的城市中其蘊藏的熱量也越大。污水源熱泵在北方地區(qū)應(yīng)用比較廣泛，但是在武漢地區(qū)尚未有應(yīng)用的先例。有學(xué)者的研究結(jié)果表明[1]，武漢屬于城市供需類型化中第二類城市，污水中儲存的可利用熱量密度和城市熱需要量密度較高。說明武漢市污水熱能利用的可能性很大，污水源熱泵發(fā)展前景廣闊。本文以武漢某商業(yè)區(qū)污水源熱泵系統(tǒng)為例，研究工程設(shè)計中的主要技術(shù)問題和解決方案，為污水源熱泵的工程應(yīng)用提供設(shè)計參考。

1 工程概況

武漢某商業(yè)區(qū)是一個集住宅、購物、餐飲、休閑、酒店為一體的城市綜合體，總建筑面積為46402m2（酒店：21070m2，商業(yè)樓：25332m2）。在本項目用地緊鄰有一條市政主排水箱涵，旁邊有一條市政排水管道沿墻外沿通過，為應(yīng)用污水源熱泵系統(tǒng)提供了得天獨厚的條件。污水取水可采用如圖1所示流程。在城市污水干渠設(shè)置熱泵系統(tǒng)，污水流量是否滿足冬、夏季熱泵系統(tǒng)正常運行，成為這類污水源熱泵工程應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵問題，必須進行逐時需水量的預(yù)測和計算。

圖1 污水源熱泵系統(tǒng)取水示意圖Fig.1 Water Intaked of Sewage-source Heat Pump

2 污水源熱泵系統(tǒng)負荷計算與分析

2.1 室外計算干球溫度的確定

室外干球溫度直接影響建筑物空調(diào)負荷大小、能量消耗以及用電量等；污水源熱泵機組的性能也會隨著室外氣象參數(shù)的變化而改變。如果在空調(diào)負荷計算中，室外干球計算溫度采用月平均溫度，將會與實際運行情況存在一定偏差。對于污水源熱泵的工程設(shè)計來說，將計算空調(diào)負荷所采用的計算溫度精確到每天的逐時室外干球溫度，可以得到更接近工程實際的逐時計算空調(diào)冷、熱負荷。根據(jù)相關(guān)文獻，我國的歷年日平均溫度值負荷正態(tài)分布規(guī)律[2]。根據(jù)室外計算干球溫度統(tǒng)計學(xué)原理，用Dest的隨機氣象模型Medpha[3,4]可以得到武漢地區(qū)年中8760個逐時室外計算干球溫度，如圖2所示。

圖2 武漢市室外逐時干球溫度Fig.2 Hourly Dry-bulb Temperature of Outdoor in Wuhan

2.2 熱泵機組全年負荷計算

負荷以計算整個建筑物實際運行為基礎(chǔ)，這樣能夠更為準確的計算建筑物的逐時負荷情況。按照不同的房間功能以及人員、設(shè)備的作息時間，首先對建筑參數(shù)進行設(shè)定：地理信息設(shè)定、墻體材料設(shè)定、房間功能設(shè)定、室內(nèi)人員熱擾設(shè)定、通風(fēng)設(shè)定、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定[5]等。這些參數(shù)的設(shè)定都是依據(jù)實際建筑情況并結(jié)合相關(guān)節(jié)能規(guī)范進行逐項確定。本項目結(jié)合空調(diào)設(shè)計參數(shù)和武漢氣候條件，再根據(jù)前文得出本建筑全年室外逐時干球溫度，通過動態(tài)負荷模擬可以得到全年逐時負荷，見圖3。本工程的供熱時間段在1月1～3月15日，11月1～12月31日，最大的熱負荷1349kW，發(fā)生在1月7日。供冷時間段在5月13日～10月1日，最大冷負荷為3770kW，發(fā)生在8月20日。

圖3 建筑物全年逐時負荷Fig.3 Whole Year Hourly Load of Building

3 污水源熱泵機組模型的建立

3.1 選取機組的名義工況參數(shù)

對污水源熱泵機組進行模擬，首先要建立機組模型。根據(jù)計算得到的本建筑的空調(diào)冷熱負荷，選取某型號為30HXC500AH高效型熱泵機組兩臺。機組的名義工況為：制冷量1780kW，電機輸入功率340kW，冷卻水流量364m3/h，冷凍水流量315m3/h。冷卻水進出口溫度30/35℃，冷凍水進出口溫度為12/7℃，機組的額定cop為5.23。

3.2 熱泵機組的多參數(shù)非線性函數(shù)表達式

由相關(guān)研究表明[6-8]，用多元非線性函數(shù)來描述污水源熱泵系統(tǒng)的工作性能具有一定的可行性。本文用于描述污水源熱泵機組制冷量、耗功率、冷凍水出口溫度、冷凍水出口溫度、冷凍水流量、冷卻水流量6個參數(shù)之間關(guān)系的多元非線性函數(shù)表達式如下：

式（1）～（6）中，rcop為實際工況時的cop與名義工況時的cop的比值；rTci為相對名義工況冷卻水進口溫度的偏差率；rTeo為相對名義工況冷凍水出口溫度的偏差率；rew為相對名義工況冷凍水流量的偏差率；rcw為相對名義工況冷卻水流量的偏差率；Tci為冷卻水入口溫度，℃；Teo為冷凍水出口溫度，℃；we為冷凍水流量，kg/s；wc為冷卻水流量，kg/s；ai（i=1，2，3，…，10）為擬合常數(shù)，下標r表示該參數(shù)名義工況的值。

對式（1）的參數(shù)進行擬合，不僅需要知道污水源熱泵機組名義工況，還需要知道變工況的工作性能參數(shù)。對于變工況工作性能參數(shù)是廠家在性能測試平臺上經(jīng)過污水源熱泵機組在一定工作范圍內(nèi)實際運行得出的實驗值，廠家在出廠設(shè)備中提供。在二者已知的條件下，對式（1）中的參數(shù)進行最小二乘法擬合，可以求得30HXC500AH型螺桿式熱泵機組模型擬合常數(shù)，見表1。

表1 30HXC500AH型污水源熱泵機組模型擬合常數(shù)Table1 Model Fitting Constants of 30HXC500AH Type Sewage-source Heat Pump

3.3 污水源熱泵機組模型的誤差分析

將求出的模型常數(shù)帶入公式（1），即可得到被模擬機組的個性化工程應(yīng)用模型。把計算出的cop與實際運行的cop進行比較，就可以對個性化工程應(yīng)用模型的精度進行誤差檢驗。通過相對誤差檢驗可知，該機組的數(shù)學(xué)模型計算出的cop與實際運行的cop的最大相對誤差為1.37%，平均相對誤差為0.25%，在實際工程允許的范圍內(nèi)。

圖4 30HXC500AH污水源熱泵機組相對誤差Fig.4 Relative Error of 30HXC500AH Type Sewage-source Heat Pump

4 污水流量的逐時計算和分析

4.1 污水流量的需求預(yù)測

城市污水流量的變化范圍是很大的，這主要是因為夏季和冬季的用水量有很大差異。所以污水流量是要重點考慮的因素之一。污水源熱泵機組模型建立完成后，可以根據(jù)空調(diào)負荷計算熱泵機組的逐時污水流量。

夏季通過城市污水排走的熱量：

夏季機組冷凝器的污水流量：

以上式中，Q為計算得到全年的逐時冷負荷，kW；W為機組制冷時的輸入功率，kW；cp為水的定壓比熱容，J/(kg·℃)；Δtc為進出冷凝器的水的溫差，℃。

圖5 夏季冷卻水逐時污水流量Fig.5 Hourly Sewage Flow Rate of Cooling Water in Summer

聯(lián)立（1）、（2）、（7）、（8）式，就可以求得夏季機組冷凝器需要的冷卻污水的流量。計算得到的冷卻污水流量在24kg/s～210.9kg/s，如圖5所示，圖中橫坐標分別對應(yīng)5月15日第1h～10月1日第24h。分析建筑物空調(diào)逐時負荷數(shù)據(jù)可以得知，冷負荷小于100kW的時候，室外計算干球溫度不高于15℃，對應(yīng)的污水源流量為24kg/s，所以在實際運行時，可以不運行機組。則夏季需要的污水流量范圍在24kg/s～210.9kg/s之間。

冬季通過城市污水提取的熱量：

冬季機組蒸發(fā)器的污水流量：

以上式中，Q為計算得到全年的逐時熱負荷，kW；W為機組制熱時的輸入功率，kW；cp為水的定壓比熱容，J/(kg·℃)；Δte為進出蒸發(fā)器的水的溫差，℃。

聯(lián)立（1）、（2）、（9）、（10）式，就可以求得冬季機組蒸發(fā)器需要的污水流量。計算得到的冬季污水需求流量在15.6kg/s～164.1kg/s，如圖6所示。

圖6 冬季冷卻水逐時污水流量Fig.6 Hourly Sewage Flow Rate of Cooling Water in Winter

4.2 工程設(shè)計中的主要環(huán)節(jié)

（1）逐時污水流量的需求預(yù)測。以上預(yù)測計算是在已知武漢地區(qū)室外逐時干球溫度的條件下，在了解了污水源溫度變化的一般規(guī)律后，估算機組換熱器的傳熱溫差，從而確定計算時進入機組換熱器的污水溫度。本項目污水源熱泵系統(tǒng)制熱工況下進入蒸發(fā)器的水溫為12～18℃，制冷工況下進入冷凝器的水溫為26～30℃，求得全年的逐時污水需求流量。

（2）污水流量的實地測定。要了解污水流量的實際變化情況，需要對污水量進行長時間的實地測量[8]。污水干管選取合適的測試斷面，對斷面的污水流速和污水溫度分別進行測試，獲得一年以上的污水源參數(shù)。然后比較計算得出的需求預(yù)測數(shù)據(jù)，核對是否滿足上一步預(yù)測計算中的要求。如果實測數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)相差太大，還要把實測的污水溫度參數(shù)代入上文公式中重復(fù)計算，得到滿足要求的污水流量。

（3）確定污水取用工程方案。根據(jù)預(yù)測計算的過程，需要的污水流量的變化具有峰谷特性，在污水量不夠的情況下，提出欠流量的解決方案。在污水采集階段，本項目中設(shè)置了容積達600m3的污水蓄水池，作為欠流量時冷、熱源的補充水源。平時污水源取水泵直接將原生污水抽取至換熱器供應(yīng)污水進行冷、熱交換以達到最佳運行。一但污水箱涵出現(xiàn)欠流時，另一組污水泵抽取蓄水池污水供換熱器使用，取水泵同時向蓄水池補充污水。當(dāng)污水蓄水池繼續(xù)降低到一定水位里，系統(tǒng)會將流經(jīng)污水換熱器的部分污水回送至污水蓄水池進行二次補充，以確保污水量滿足使用要求。

5 小結(jié)

污水流量需求是本類工程設(shè)計重要的參數(shù)之一，污水量的足夠與否是成功應(yīng)用污水源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。本文結(jié)合武漢市一個實際項目，通過數(shù)值計算的方法對該項目需求的污水流量進行預(yù)測，結(jié)合工程實際可以計算工程所需的污水流量。根據(jù)預(yù)測的結(jié)果進行工程論證和設(shè)計，可以為這類的污水源熱泵實際工程的設(shè)計提供計算方法。

[1] 尹軍,韋新東.我國主要城市污水中可利用熱能狀況初探[J].中國給水排水,2000,16(3):28-30.

[2] Tianzhen H, Yi Jiang. A new multi-zone model for the simulation of building thermal performance[J]. Building and Environment, 1997,32(2):123-128.

[3] 清華大學(xué)建筑科學(xué)系DeST開發(fā)小組.DeST-h技術(shù)資料[EB/OL].2003:19-23[2012.6.8] http://dest.tsinghua.edu.cn/ chinese/theory/jswd.asp.

[4] 清華大學(xué)DeST開發(fā)組.建筑環(huán)境系統(tǒng)模擬分析方法-DeST[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[5] GB50736-2012,民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國標準出版社,2012.

[6] 張昌,王福林,吉田治典.建筑設(shè)備系統(tǒng)最優(yōu)化運行技術(shù)[J].暖通空調(diào),2010,40(3):73-78.

[7] 李威,張昌.基于外在參數(shù)的冷水機組數(shù)學(xué)模型[J].制冷與空調(diào),2011,25(6):620-630.

[8] 周雙,重慶市城市生活污水熱能利用的研究[D].重慶:重慶大學(xué),2008.

Forecasting Hourly Sewage Quantity of Heat Pump System and Engineering Design

Zhang Niannian Sun Weidong Zhang Chang
( Wuhan Textile University, Wuhan, 430073 )

This paper takes an engineering project in Wuhan as an example, calculating the annual hourly dry-bulb temperature and hourly load of building outdoor firstly, then selecting the appropriate sewage source heat pump, the application model is established to describe the sewage source heat pump's performance. By relative error testing, the model has high accuracy. Forecasting hourly sewage quantity, putting forward precautions in the actual project, solutions are proposed in the condition of the limited sewage flow rate.

sewage-source heat pump; modeling; forecast sewage quantity

TU831

A

1671-6612（2017）01-109-04

張年年（1990-），女，在讀碩士研究生，E-mail：492585485@qq.com

張 昌（1956-），男，碩士，教授，E-mail：czhang@wtu.edu.cn

2015-12-10