污水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能實測與節(jié)能潛力分析

賈欣 端木琳 舒海文

（大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院 大連 116024）

污水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能實測與節(jié)能潛力分析

賈欣 端木琳 舒海文

（大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院 大連 116024）

筆者對大連某原生污水源熱泵供熱供冷系統(tǒng)進(jìn)行了實測，獲得了該系統(tǒng)供暖季和供冷季的運(yùn)行數(shù)據(jù)，供暖季污水溫度平均值為10．45℃，機(jī)組和系統(tǒng)平均COP分別為5．02和3．93；供冷季污水溫度平均值為18．43℃，供冷季機(jī)組和系統(tǒng)平均COP分別為6．26和4．54。為了進(jìn)一步減少污水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，提高系統(tǒng)COP，一方面對污水換熱器換熱系數(shù)進(jìn)行測試研究，與運(yùn)行初期相比污水換熱器換熱系數(shù)下降了50．08%，更換換熱器后，機(jī)組和系統(tǒng)COP分別提高了16．08%和11．36%，說明污水源熱泵系統(tǒng)定期清潔和更換換熱器的重要性；另一方面對污水源熱泵機(jī)組變工況運(yùn)行時蒸發(fā)器側(cè)和冷凝器側(cè)進(jìn)水溫度和流量對機(jī)組性能影響進(jìn)行分析，基于DataFit軟件建立了機(jī)組性能隨蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)水溫度和流量變化的數(shù)學(xué)模型，并基于TRNSYS平臺對系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)水泵定頻和變頻工況分別進(jìn)行模擬，變頻運(yùn)行機(jī)組和系統(tǒng)COP均增加，系統(tǒng)累計能耗減少約18.52% 。

污水源熱泵；區(qū)域供冷供熱；性能實測；節(jié)能；變頻控制

城市污水具有水量大且穩(wěn)定、在應(yīng)用季節(jié)水溫適宜且相對穩(wěn)定等特點(diǎn)，能夠很好地滿足水源熱泵的使用要求，用作水源熱泵系統(tǒng)的冷/熱源是完全可行的［1］。污水源熱泵系統(tǒng)較空氣源熱泵系統(tǒng)具有更高的節(jié)能性，并且CO2、SOx、NOx、粉塵等 4種污染物排放量大大減少，對減輕大氣污染具有顯著的效果［2］。80年代以來，美國、日本、澳大利亞、挪威、瑞士、瑞典等國家相繼利用城市污水建立了一批大型污水熱泵系統(tǒng)。如瑞士污水處理廠利用再生水為低品位熱源提供2 893 GWh供熱量［3］。對挪威建筑面積30萬m2城市中心建筑（包括辦公、居住和商業(yè)）的供能方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，確定污水源熱泵系統(tǒng)供冷供熱為最佳方案［4］。該系統(tǒng)建成運(yùn)行后對其進(jìn)行測試，冬季熱負(fù)荷和冷負(fù)荷分別為7 700 kW和5 200 kW，供熱和供冷水溫為78℃和4℃，系統(tǒng)COP為5；夏季冷負(fù)荷為9 500 kW，冷水供水溫度為2℃，系統(tǒng)COP 為5.2［5］。 隨著我國對環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，治理大氣污染措施的出臺，建筑能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，污、海水源熱泵技術(shù)在我國得到較快的發(fā)展，對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行實測與節(jié)能分析，具有工程指導(dǎo)意義［6］。大連星海灣商務(wù)區(qū)再生水源熱泵供熱/冷工程規(guī)范建筑面積200萬m2，對單機(jī)制熱容量為8.3 MW的再生水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行實測，系統(tǒng)制熱和制冷COP分別為3.2和4.0［7］。北京馬坊馨城污水源熱泵項目總建筑面積為12.81萬m2，包括居住建筑和公共建筑，冷熱源站配備8臺水源熱泵機(jī)組，夏季提供7 520 kW冷量，冬季提供7 357 kW熱量，系統(tǒng)制熱和制冷COP分別為 3.7 和 2.7［2］。 安愛明等［8］對北京、太原、大連和唐山4個污水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行分析比較，指出熱泵系統(tǒng)形式、污水品質(zhì)、熱泵機(jī)組性能是影響熱泵系統(tǒng)COP的關(guān)鍵因素，為污水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計及運(yùn)用提供參考依據(jù)。清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點(diǎn)實驗室［9］對再生水源熱泵冷熱聯(lián)供系統(tǒng)特性進(jìn)行節(jié)能分析，得到再生水源熱泵冷熱聯(lián)供系統(tǒng)相對于分立方式，夏季工況下節(jié)能超過30%，冬季工況能源利用率高出40%，同時可減少污染物排放，對污水廠自身資源回收利用、實現(xiàn)節(jié)能減排有積極意義。為進(jìn)一步提高熱泵系統(tǒng)的COP，一些學(xué)者做了進(jìn)一步研究。K．J．Chua等［10］對最新熱泵的技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，指出熱泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)相比，CO2排放量可以減少一半，并指出新技術(shù)的出現(xiàn)可以使系統(tǒng)能耗進(jìn)一步降低。 J．M．Choi［11］對某熱泵系統(tǒng)進(jìn)行實驗測試，得到增加循環(huán)水流速提高供水溫度比增加壓縮機(jī)頻率的性能系數(shù)高。莊兆意等［12］為了減少污水源熱泵系統(tǒng)中水泵的耗電量，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，采用理論分析和實驗測量的方法，確定北京某賓館污水源熱泵系統(tǒng)冷熱源部分水泵的變頻范圍和變頻前后整個夏季制冷期的耗電量，研究水泵變頻調(diào)速供水的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)性，得到冷熱源水泵采用了變頻調(diào)速技術(shù)，與不變頻相比，可有效地減少耗電量，明顯地節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，可帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。劉洋等［13］建立了水源熱泵機(jī)組COP與冷卻水和冷凍水溫的關(guān)系數(shù)學(xué)模型，為水源熱泵機(jī)組和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了一定依據(jù)，但是沒有考慮流量的影響。J．Cervera?V