嚴寒地區污水源熱泵系統節能潛力的分析

張喜明,李 釗,釗林杰

(吉林建筑大學 市政與環境工程學院,吉林 長春 130118)

隨著我國經濟的不斷增長，人們的生活水平日益提高，截止至2018年，我國人均GDP已達中等偏上收入國家標準[1]。伴隨而來的是對于能源的消耗也日益增長。目前，我國面臨著能源安全的危機以及環境遭受污染的風險。有報告指出，相較于其他國家發達城市，2016年我國城市在冷熱源選擇及消耗上對于煤炭這種不可再生能源的使用比例較高，這也說明我國城市的環境問題極為嚴峻。2017年全國環境統計公報數據顯示，僅有小于30%的城市空氣質量能夠達標[2]。我國北方地區冬季主要通過煤炭、天然氣等燃料燃燒實現供暖，而這些傳統能源大多屬于不可再生資源，無論是開采還是使用都會不可避免的導致環境的惡化，因此要想采暖與環保兼得成為了棘手的難題，尋找一種新型清潔能源勢在必行。作為一種廢熱的城市原生污水有著一系列優點，例如便于收集、自身蘊含熱能較高、水量水溫相對穩定、屬于便于城市利用的清潔能源等，適合作為節能環保的冷熱源。挪威、日本、瑞士等國在污水源熱泵的發展領域起步較早[3]，日本已經可以將未處理過的污水以及二級出水或中水作為熱源使用[4]。我國相較于國外起步較晚，2000年首例污水源熱泵實驗工程建成，位于北京高碑店污水處理廠[5]。污水源熱泵系統主要以熱泵原理為依據，是利用城市污水中的低溫低位熱能資源，輸入少量的高位電能，從而實現低位熱能向高位熱能轉移的新型技術，它有著能夠穩定傳輸能量、進行熱交換的效率高、能夠節約能源與保護環境的特點，可以將污水充分利用并將其變為一種可行的資源[6]。而且在北方嚴寒地區，城市原生污水是十分理想的熱泵冷熱源。本文通過對長春市春宜賓館污水源熱泵系統運行數據進行監測及整理，分析嚴寒地區污水源熱泵系統的節能潛力。

1 工程實例介紹

此工程為在長春市春誼賓館運行的污水源熱泵系統，該賓館總建筑面積為31 000 m2，共有客房198間。賓館的夏季供冷面積為23 995.49 m2，冬季供暖面積為27 682.84 m2。通過對相關規范及文獻數據的整理歸納，得出該賓館建筑能耗指標見表1。

表1 建筑能耗指標

2 系統能效比計算

《水源熱泵機組》[7]提出通過機組制冷量與機組制冷所需功率的比值求得制冷季熱泵系統的能效比EER，通過機組制熱量與機組制熱所需功率的比值求得制熱季熱泵系統的能效比COP。計算污水源熱泵系統能效比需要收集污水側、用戶側進出口溫度、流量及系統輸入總功率[8]。

2.1 夏季系統能效比

在夏季制冷工況下，通過對用戶側及污水側的實時監測，取得并整理了用戶側出入口溫度、污水側出入口溫度、用戶側流量及污水源熱泵系統每日耗電量的數據分別如圖1～圖4所示。

圖1 污水源熱泵系統用戶側出入口溫度

由圖1及圖2數據分析可知,該系統用戶側入口溫度區間為26.5～36.6 ℃，用戶側出口溫度區間為23.4～33.4 ℃,兩者平均溫度差為3.35 ℃，足以滿足夏季制冷的需求；在該系統中污水側入口水溫為14.5～25.4 ℃，出口水溫為17.1～28.5 ℃，進出口平均溫度差為3.02 ℃，符合排放標準。

圖2 污水源熱泵系統污水側出入口溫度

由圖3和圖4的數據分析，發現污水源熱泵系統的日耗電量和用戶側流量呈現出先減后增的趨勢，可知在數據監測中期賓館旅客對于房間制冷的需求減小，在數據監測后期隨著賓館旅客對于房間制冷的需求增加,系統耗電量及用戶側流量也開始提高。

圖3 污水源熱泵系統日耗電量

圖4 污水源熱泵系統用戶側流量

通過對夏季制冷期的上述數據進行整理及計算可得污水源熱泵機組系統整體的EER值以及污水源熱泵機組的EER值，如圖5所示。由圖5數據可看出系統EER的區間基本為3.96～4.78，平均值為4.35；熱泵機組系統EER的區間基本為4.47～6.15，平均值為5.34。

圖5 制冷季系統EER與熱泵機組EER隨時間的變化圖

2.2 冬季系統能效比

在冬季制冷工況下，通過對該系統的實時監測，取得并整理了用戶側出入口溫度、污水側出入口溫度、用戶側流量及污水源熱泵系統每日耗電量的數據分別如圖6～圖8所示。

圖6 污水源熱泵系統用戶側及污水側出入口溫度

圖7 污水源熱泵系統日耗電量

經過對整個冬季制冷工況的數據進行整理計算可得污水源熱泵機組系統整體的COP值以及污水源熱泵機組的COP值，如圖9所示。可以看出系統COP的區間基本為2.66～3.85，平均值為3.12；熱泵機組系統COP的區間基本為3.21～4.89，平均值為3.79。

圖8 污水源熱泵系統用戶側流量

由圖5中數據進行分析，可知冬季供暖工況下，用戶側入口溫度區間在43～50.8 ℃之間，出口溫度區間在38～45 ℃之間，出入口水溫平均溫差為5.7 ℃；污水側入口溫度區間為7.9～10.7 ℃，出口溫度區間為5.6～9.6 ℃，進出口平均溫差為2.2 ℃。可以得出該系統在冬季供暖工況下溫度差值浮動較小,因此可以滿足用戶對供暖及舒適的需求。

由圖7和圖8數據分析，可知在冬季供暖工況下，隨著室外溫度不斷降低，污水源熱泵系統耗電量也隨之上升。用戶側的流量也同樣隨著室外溫度的降低而逐漸升高，最后流量穩定在510～550 m3/h之間。

圖9 供暖季系統COP與熱泵機組COP隨時間的變化圖

3 系統節能性

通過系統節能的量值和效率兩個數據，可以通過與集中供熱+水冷冷水機組系統節能效率進行對比從而量化污水源熱泵系統的節能效率。本文選用夏季制冷工況以及冬季供暖工況來進行綜合對比。

3.1 污水源熱泵系統能耗計算

供暖季污水源熱泵系統年制熱總能耗計算公式

(1)

式中Qrh——地源熱泵系統年制熱總能耗/kgce；

D——1 kWh電折合所耗標準煤量，取值0.373 8/kgce·(kWh)-1；

QH——建筑全年累計熱負荷/kWh；

COPsys——熱泵系統的制熱性能系數。

制冷季污水源熱泵系統年制冷總能耗[9]計算公式

(2)

式中Qrc——地源熱泵系統年制冷總能耗/kgce；

D——1 kWh電折合所耗標準煤量/kgce·(kWh)-1，取值0.373 8；

QC——建筑全年累計冷負荷/kWh；為熱泵系統的制冷能效比。

將數據導入上式，可得夏/冬季年制冷總能耗如表2所示。

表2 污水源熱泵系統年制冷/熱總能耗

綜上所述，污水源熱泵系統耗能量為一年21 990 kg標煤。

3.2 集中供熱+水冷冷水機組系統能耗計算

供暖季集中供熱+水冷冷水機組系統制熱總能耗計算公式

(3)

式中Qch——集中供熱系統年制熱總能耗/kgce；

q——標準煤熱值/MJ·kgce-1，取值29.307；

QH——建筑全年累計熱負荷/kWh；

ηch——熱源為集中供熱時的運行效率，取值80%。

制冷季水冷冷水機組系統制冷總能耗計算公式

(4)

式中Qt2——水冷冷水機組系統年制冷總能耗/kgce；

D——1 kWh電折合所耗標準煤量/kgce·(kWh)-1，取值0.373 8；

QC——建筑全年累計冷負荷/kWh；

EERt——傳統制冷空調方式的系統能效比，具體數據通過表3進行選取。

表3 常規制冷空調系統能效比

通過數據整理可確認EERt=2.6，將整合的數據導入上式，即可獲得數據如表4所示。

表4 集中供熱+水冷冷水機組系統年制冷/熱總能耗

3.3 污水源熱泵系統節能率

相對于集中供熱+水冷冷水機組系統，污水源熱泵系統節能率計算公式

(5)

式中J——節能率；

M1——集中供熱+水冷冷水機組系統年耗能量/kg·年-1；

M2——污水源熱泵系統年耗能量/kg·年-1。

通過將數據代入上式進行計算，最終得出污水源熱泵系統相較于集中供熱+水冷冷水機組系統在夏季制冷工況下每年可以節煤2 480 kg，節能率可以達到40.19%；在冬季供暖工況下每年可以節煤5 200 kg，節能率可以達到22.13%。綜合全年節煤7 680 kg，節能率為25.88%，符合《公共建筑節能設計標準》[10]全年供暖、通風、空氣調節和照明的總能耗減少約20%～23%的要求。

4 結 論

本文主要對以長春市原生污水為熱泵冷熱源的污水源熱泵系統為對象并加以研究。通過對該污水源熱泵系統的夏季制冷工況以及冬季供暖工況長期的收集數據并進行整理，得到了用戶側及污水側的出入口溫度、用戶側流量及系統日耗電量，通過以上數據最終得到污水源熱泵系統的夏季、冬季系統能效比；通過分析系統節能量以及節能效率這兩大指標，可以將污水源熱泵系統和集中供熱+水冷冷水機組系統的節能效率進行對比，最終得到污水源熱泵系統相較于集中供熱+水冷冷水機組系統在夏季可節能40.19%，在冬季可節能22.13%，全年可節能25.88%。充分說明污水源熱泵系統在嚴寒地區有良好的節能性。事實證明污水源熱泵系統適合替代傳統制冷、供暖系統，在符合條件的地區推廣使用。