污水源熱泵系統運行性能實測與節能潛力分析

賈欣 端木琳 舒海文

（大連理工大學土木工程學院 大連 116024）

污水源熱泵系統運行性能實測與節能潛力分析

賈欣 端木琳 舒海文

（大連理工大學土木工程學院 大連 116024）

筆者對大連某原生污水源熱泵供熱供冷系統進行了實測，獲得了該系統供暖季和供冷季的運行數據，供暖季污水溫度平均值為10．45℃，機組和系統平均COP分別為5．02和3．93；供冷季污水溫度平均值為18．43℃，供冷季機組和系統平均COP分別為6．26和4．54。為了進一步減少污水源熱泵系統的運行能耗，提高系統COP，一方面對污水換熱器換熱系數進行測試研究，與運行初期相比污水換熱器換熱系數下降了50．08%，更換換熱器后，機組和系統COP分別提高了16．08%和11．36%，說明污水源熱泵系統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組變工況運行時蒸發器側和冷凝器側進水溫度和流量對機組性能影響進行分析，基于DataFit軟件建立了機組性能隨蒸發器和冷凝器進水溫度和流量變化的數學模型，并基于TRNSYS平臺對系統負荷側水泵定頻和變頻工況分別進行模擬，變頻運行機組和系統COP均增加，系統累計能耗減少約18.52% 。

污水源熱泵；區域供冷供熱；性能實測；節能；變頻控制

城市污水具有水量大且穩定、在應用季節水溫適宜且相對穩定等特點，能夠很好地滿足水源熱泵的使用要求，用作水源熱泵系統的冷/熱源是完全可行的［1］。污水源熱泵系統較空氣源熱泵系統具有更高的節能性，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。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）的供能方案進行技術經濟比較分析，確定污水源熱泵系統供冷供熱為最佳方案［4］。該系統建成運行后對其進行測試，冬季熱負荷和冷負荷分別為7 700 kW和5 200 kW，供熱和供冷水溫為78℃和4℃，系統COP為5；夏季冷負荷為9 500 kW，冷水供水溫度為2℃，系統COP 為5.2［5］。 隨著我國對環境保護意識的增強，治理大氣污染措施的出臺，建筑能源結構的調整，污、海水源熱泵技術在我國得到較快的發展，對現有系統進行實測與節能分析，具有工程指導意義［6］。大連星海灣商務區再生水源熱泵供熱/冷工程規范建筑面積200萬m2，對單機制熱容量為8.3 MW的再生水源熱泵系統進行實測，系統制熱和制冷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臺水源熱泵機組，夏季提供7 520 kW冷量，冬季提供7 357 kW熱量，系統制熱和制冷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個污水源熱泵系統進行分析比較，指出熱泵系統形式、污水品質、熱泵機組性能是影響熱泵系統COP的關鍵因素，為污水源熱泵系統的設計及運用提供參考依據。清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室［9］對再生水源熱泵冷熱聯供系統特性進行節能分析，得到再生水源熱泵冷熱聯供系統相對于分立方式，夏季工況下節能超過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、實現節能減排有積極意義。為進一步提高熱泵系統的COP，一些學者做了進一步研究。K．J．Chua等［10］對最新熱泵的技術和應用進行了總結，指出熱泵系統和傳統鍋爐系統相比，CO2排放量可以減少一半，并指出新技術的出現可以使系統能耗進一步降低。 J．M．Choi［11］對某熱泵系統進行實驗測試，得到增加循環水流速提高供水溫度比增加壓縮機頻率的性能系數高。莊兆意等［12］為了減少污水源熱泵系統中水泵的耗電量，節省運行費用，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，研究水泵變頻調速供水的節能效果和經濟性，得到冷熱源水泵采用了變頻調速技術，與不變頻相比，可有效地減少耗電量，明顯地節省運行費用，可帶來顯著的經濟效益。劉洋等［13］建立了水源熱泵機組COP與冷卻水和冷凍水溫的關系數學模型，為水源熱泵機組和系統的優化設計提供了一定依據，但是沒有考慮流量的影響。J．Cervera?V