污水源熱泵結(jié)合水蓄能能源系統(tǒng)區(qū)域供能應(yīng)用

文_張佳星 王小健 王宏 北京華清榮益地能科技開發(fā)有限公司

推動(dòng)建筑業(yè)清潔生產(chǎn)是能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，我國建筑能耗在社會(huì)總體能耗中占比達(dá)22%，而空調(diào)系統(tǒng)作為用能大戶，提高其能效水平，對(duì)降低建筑能耗具有重大意義。城市再生水作為城市系統(tǒng)重要的組成部分，2018年全國城市再生水日處理能力達(dá)18145.2×104m3/d，產(chǎn)量巨大，且蘊(yùn)含著巨大的低品位熱能，與太陽能、風(fēng)能相比，不受季節(jié)、氣候、晝夜變化等外界因素干擾，是一種非常穩(wěn)定的高品質(zhì)低溫?zé)嵩?。通過熱泵技術(shù)將再生水進(jìn)行利用，一方面，可解決建筑供暖及制冷需求，比直接電供能節(jié)能約70%，是降低城市建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗的理想方式；另一方面，又推進(jìn)了再生水的利用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國再生水利用量僅占污水處理量的10%左右，北京再利用率雖已經(jīng)超過60%，但也遠(yuǎn)小于部分發(fā)達(dá)國家再生水利用率70%的標(biāo)準(zhǔn)。

1 城市再生水條件分析

1.1 水源條件

相關(guān)數(shù)據(jù)參照北京某再生水廠所提供資料，總體處理能力為6萬t/d，為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，考慮再生水處理能力安全系數(shù)0.8，暫按日處理能力4.8萬t/d進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)再生水夏季水溫為27℃，冬季水溫為12℃。

1.2 再生水能力估算

再生水能力估算，根據(jù)該廠再生水處理能力，暫按日再生水處理量為4.8萬t/d，則小時(shí)再生水處理量為2000m3/h。

用水量理論計(jì)算公式：

式中COP值根據(jù)已有機(jī)組夏季COP=4.17；機(jī)組冬季COP=4.29；

QC—夏季建筑空調(diào)系統(tǒng)需水量，m3/h；

QH—冬季建筑空調(diào)系統(tǒng)需水量，m3/h；

WC—夏季建筑冷負(fù)荷，kW；

再生水循環(huán)溫差夏、冬季均按8℃計(jì)算。

則2000m3/h再生水量能解決的冷、熱負(fù)荷分別計(jì)算：

因此，該廠再生水量可解決15008.7kW冷負(fù)荷、24263.9kW熱負(fù)荷需求。根據(jù)一般公共建筑供暖、制冷負(fù)荷需求，暫按冷負(fù)荷指標(biāo)70W/m2，熱負(fù)荷指標(biāo)50W/m2，可解決周邊47萬m2公共建筑供暖及制冷需求。

考慮一般公共建筑的空調(diào)峰谷負(fù)荷相差懸殊且峰值負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)段較短，采用純污水源熱泵系統(tǒng)時(shí)裝機(jī)容量過大，且實(shí)際運(yùn)行熱泵機(jī)組大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷下導(dǎo)致效率較低的情況，通過與水蓄能技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，可降低污水源能源系統(tǒng)的裝機(jī)容量同時(shí)保證熱泵機(jī)組高的運(yùn)行效率。因此，本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用污水源熱泵結(jié)合水蓄能能源系統(tǒng)，采用該復(fù)合式能源系統(tǒng)可解決54600kW冷負(fù)荷、39000kW熱負(fù)荷需求，即可滿足周邊78萬m2一般公共建筑的供暖及制冷需求。

2 污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)污水源側(cè)與熱泵機(jī)組采用直接式方式進(jìn)行換熱/冷，再生水直接進(jìn)入熱泵機(jī)組，提高換熱效率，降低能量損失，并在機(jī)組進(jìn)水側(cè)加膠球清洗裝置，避免水質(zhì)對(duì)系統(tǒng)的不利影響，保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用污水源熱泵結(jié)合水蓄能技術(shù)，由于冷負(fù)荷大，熱負(fù)荷小，按熱負(fù)荷進(jìn)行污水源熱泵機(jī)組配置，供冷不足部分增加輔助冷源，即由污水源熱泵結(jié)合冷卻塔以及冷水機(jī)組結(jié)合冷卻塔進(jìn)行補(bǔ)充。該能源系統(tǒng)各能源配比：

熱源：直接式污水源熱泵（63%）+水蓄熱（37%）；

長江水資源總量9 958億m3，人均水資源量2 330 m3/人。2016年用水總量為2 038.6億m3（含太湖水系335.8億m3），人均綜合用水量446m3，萬元GDP用水量76m3，萬元工業(yè)增加值用水量71 m3，農(nóng)業(yè)灌溉畝均用水量411m3，綜合耗水率41%。長江流域用水指標(biāo)見表2。

冷源：直接式污水源熱泵（28%）+水蓄冷（27%）+污水源熱泵結(jié)合冷卻塔（18%）+冷水機(jī)組結(jié)合冷卻塔（27%）。

3 污水源熱泵結(jié)合水蓄能系統(tǒng)設(shè)備配置

污水源熱泵結(jié)合水蓄能系統(tǒng)主要有由冷、熱源，熱泵機(jī)組，蓄能、釋能裝置以及輸配設(shè)備與管網(wǎng)等組成。系統(tǒng)配置5臺(tái)污水源熱泵機(jī)組，2臺(tái)冷水機(jī)組滿足冬、夏季使用需求，機(jī)組可互為備用，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。具體參數(shù)如表1～6所示。

表1 污水源熱泵機(jī)組（5臺(tái)）

表2 污水源熱泵對(duì)應(yīng)冷卻塔（4臺(tái)）

表3 冷水機(jī)組（2臺(tái)）

表4 冷水機(jī)組對(duì)應(yīng)冷卻塔（6臺(tái)）

表5 蓄能、釋能設(shè)備配置

表6 輸配等輔助設(shè)備配置

4 系統(tǒng)運(yùn)行模式

4.1 夏季運(yùn)行模式

夏季日間：尖峰負(fù)荷時(shí)段，3臺(tái)污水源熱泵運(yùn)行制冷工況，另外2臺(tái)污水源熱泵運(yùn)行冷卻塔工況，與蓄能槽聯(lián)合供冷，不足部分由冷水機(jī)組補(bǔ)足；部分負(fù)荷時(shí)段，優(yōu)先運(yùn)行蓄能槽釋能工況，不足部分由污水源熱泵運(yùn)行制冷工況，再不足部分由污水源熱泵冷卻塔工況以及冷水機(jī)組結(jié)合冷卻塔進(jìn)行補(bǔ)充。

夏季夜間：3臺(tái)污水源熱泵機(jī)組運(yùn)行蓄冷工況，在夜間谷電時(shí)間段蓄冷8h；另外2臺(tái)污水源熱泵為建筑提供基礎(chǔ)冷負(fù)荷。

4.2 冬季運(yùn)行模式

冬季日間：尖峰負(fù)荷時(shí)段，5臺(tái)污水源熱泵運(yùn)行制熱工況，與蓄能槽聯(lián)合供熱；部分負(fù)荷時(shí)段，優(yōu)先運(yùn)行蓄能槽釋能工況，不足部分由污水源熱泵補(bǔ)充。

冬季夜間：3臺(tái)地源熱泵機(jī)組運(yùn)行蓄熱工況，在夜間谷電時(shí)間段蓄熱8h；另外2臺(tái)污水源熱泵機(jī)組為建筑提供基礎(chǔ)熱負(fù)荷。

5 經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益

根據(jù)一般公共建筑逐時(shí)空調(diào)冷、熱負(fù)荷分布情況，如圖1、2所示。冬、夏季負(fù)荷峰段比較明顯，且發(fā)生時(shí)刻與電力峰值的發(fā)生時(shí)刻接近；夜間電力低谷時(shí)段的空調(diào)冷熱負(fù)荷較低，以一般工商業(yè)峰谷分時(shí)電價(jià)進(jìn)行考慮，因此利用夜間低谷電價(jià)時(shí)段進(jìn)行蓄能，供日間電價(jià)峰值時(shí)段使用，能夠有效降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。

圖1 夏季100%負(fù)荷設(shè)計(jì)日

圖2 冬季100%負(fù)荷設(shè)計(jì)日

系統(tǒng)供能時(shí)段為：

①供暖時(shí)間為120d（11.15～3.15，供能時(shí)間僅工作日8：00～18：00，工作日夜間及法定節(jié)假日低溫運(yùn)行）；

②供冷時(shí)間為90d（5.20～10.1，供能時(shí)間僅工作日8：00～18：00，工作日夜間及法定節(jié)假日不供冷）。

按照上述供能時(shí)段進(jìn)行運(yùn)行費(fèi)用測算，并與常規(guī)燃?xì)忮仩t+冷水機(jī)組能源系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

5.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

污水源熱泵結(jié)合水蓄能系統(tǒng)年總運(yùn)行費(fèi)用1532萬元，常規(guī)燃?xì)忮仩t+冷水機(jī)組系統(tǒng)年總運(yùn)行費(fèi)用達(dá)3077.1萬元，二者相比，污水源熱泵系統(tǒng)每年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用1545.1萬元，僅為常規(guī)系統(tǒng)的50%左右，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5.2 環(huán)境效益分析

污水源熱泵系統(tǒng)比常規(guī)系統(tǒng)可減少標(biāo)準(zhǔn)煤7542.4t，減少二氧化碳排放量14104.3t，減少一氧化碳排放量171.2t，減少氮氧化物27.3t，減少二氧化硫126.1t，減少粉75.4t，環(huán)境效益顯著。

6 結(jié)語

城市再生水作為一種可再生能源，通過熱泵技術(shù)可得到再利用，實(shí)現(xiàn)為建筑供暖以及制冷。并且，污水源熱泵系統(tǒng)較常規(guī)能源系統(tǒng)具有更高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，是“十四五”推動(dòng)建筑清潔生產(chǎn)的有效方式，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國能源清潔低碳高效轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略具有重大意義。

表7 運(yùn)行費(fèi)用