乌鲁木齐盈科广场污水源热泵系统技术经济分析

新疆维吾尔自治区新能源研究所 ■ 张艳红 林 闽 修 强

乌鲁木齐市建设委员会 ■ 何 峰 格丽曼

一 引言

乌鲁木齐是典型的冬季重污染城市，工业和冬季采暖所排放的烟尘是城市主要污染源之一。加之乌鲁木齐市地处严寒地区，冬季采暖时间长，建筑保温隔热性能差，使得建筑供暖负荷巨大。污水源热泵系统充分利用污水资源，不仅可节约大量常规能源，同时又可避免由于大量燃煤产生的环境污染，可为乌鲁木齐市的大气污染治理提供示范，以此带动更多用户，充分利用污水资源，为乌鲁木齐市的节能减排、污染治理提供一种可行的思路和途径。

鉴于新疆维吾尔自治区新能源研究所在新能源方面技术力量较强，相应的检测设备较完善，经清洁能源建筑应用专家委员会研究决定，地源热泵建筑应用示范项目建设单位委托新疆维吾尔自治区新能源研究所作为项目跟踪检测单位，并对示范项目做技术经济分析。2009年，乌鲁木齐市盈科广场污水源热泵项目被列为国家可再生能源示范项目及乌鲁木齐市地源热泵示范项目。该项目是西北地区热泵技术应用中将原生污水直接进机组的首个案例，也是国内单体建筑应用该技术规模最大的项目。

二 示范工程的基本情况

1工程概况

本工程项目为新疆盈科房地产开发有限公司的“盈科广场”，位于乌鲁木齐市北京路高新区高新街217号。项目总建筑面积约8.6万m2，可再生能源投资1000万元，建筑类型为居住/公建。其中低层部分为−3～4层，−3～−1层为地下车库和设备用房。1～4层为办公和综合服务部分。双子塔楼分两部分，其中A座为办公楼，B座为公寓楼。本建筑高度为105.15m，项目采用污水源热泵系统为该大楼的空调和采暖系统提供冷热源。热泵机组主要设备设置在盈科广场，机房建筑面积为180m2。

2污水流量情况

经实地勘察北京路污水管管径D为1200mm。污水流量经实测，最大值为2280m3/h，最小值为600m3/h，平均流量为1400m3/h。该管道每天约有3万m3污水流量，作为污水源热泵系统的热源和冷源非常适合。该建筑拟采用这一污水资源。

3污水温度条件

乌鲁木齐冬季污水温度15～16℃，夏季污水温度18～20℃。均满足水源热泵机组冬季与夏季水源温度条件要求。

4热泵主机配置

污水源热泵主机选用上海富田空调高效能满液式污水源热泵机组。配置如下：

空调区：3台Spring-MW-320A-1RT，制热量1053kW，输入功率231kW，热水温度45/40℃，制冷量1003kW，输入功率155kW，冷水温度12/7℃。

高区：2台Spring-MW-210A-1NT，制热量722kW，输入功率156kW，热水温度45/40℃。

低区：2台Spring-MW-340A-1NT，制热量1163kW，输入功率248kW，热水温度45/40℃。

5冷热负荷

根据各部分的使用功能，该大楼各区域设计采暖制冷负荷见表1。

表1 设计冷热负荷一览表

三 冬季采暖性能技术评价分析

1采暖运行效果及费用计算分析(2009～2010年第一个采暖期)

污水源热泵系统配套设施于2010年2月份完工，因此，第一个采暖期测试从2010年2月28日～4月12日，共44d。测试结果为室内采暖平均温度为20℃，室内逐时采暖温度均在18℃以上，供暖保证率为100%。此段采暖期室外平均温度为−0.6℃，采暖系统耗电229440kWh，采暖期室外平均温度为−6.5℃。乌鲁木齐地处严寒地区，采暖期从当年10月15日至次年4月15日，共180d。总耗电量折合至整个采暖期为：

按乌鲁木齐非居民照明用电价0.568元/kWh计算，采暖系统耗电电费为680382元，另外该系统设计有2台800kVA变压器，变损费按照每月每台26元/kVA计算共计249600元，则采暖期设备运行费用和变损费合计费用为929982元，实际采暖面积为73695m2，则单位面积采暖费用为12.7元/m2。

2采暖运行数据及季节性能参数分析(2009～2010年第一个采暖期)

2010年3月6日～3月12日对该污水源热泵系统进行为期7d的运行测试，测试期间室外平均气温−6.4℃，测试结果见表2。

从表2可看出，除低区建筑采暖热负荷率较高外，空调区和高区采暖热负荷率和热泵机组满负荷率均在50%以下(热负荷率=平均制热量/热负荷)，均较低，说明污水源热泵采暖系统配置偏大，负荷调节余量充足。系统能效比在3.3～3.8，系统运行参数稳定，性能良好。

3采暖运行效果及费用计算分析(2010～2011年第二个采暖期)

按乌鲁木齐市采用峰、谷、平电费计算方法，以2010～2011年采暖季来计算，采暖季总耗电量为2675000kWh，其中峰电为809200kWh，平电为740620kWh，谷电为769960kWh；峰值电价为0.625元/kWh，平电价格为0.382元/kWh，谷电价格为0.139元/kWh。另外该系统设计有2台800kVA变压器，变损费按照每月每台26元/kVA计算共计249600元，以此计算整个采暖季机组运行电费为：

表2 污水源热泵系统运行测试

809200kWh×0.625元/kWh+740620kWh×0.382元/kWh+769960kWh×0.139元/kWh+249600元(变损费)=1145291.28元

则采暖期设备运行费用和变损费合计费用为1145291.28元，大楼总建筑面积86091m2，刨去地下车库及未使用部分(设置值班温度)，实际采暖面积为73695m2，则单位面积采暖费用为15.54元/m2。由于第二个采暖期是从10月至4月连续测试，较第一个采暖期数据完整，第一个采暖期测试已错过了冬季最严寒的时间(12月～次年1月)，因此，第二个采暖期单位面积采暖费用更合理。

虽然实行峰、谷、平电价政策，但由于峰电时段用电量过大，导致电价偏高，采暖费用比上一年未采用峰、谷、平收费政策时反而有所增加。建议适当控制机组运行时间，尽量在用电高峰时段降低机组功耗以减少运行费用。

4采暖运行数据及季节性能参数分析(2010～2011年第二个采暖期)

2011年1月27日～2月2日对该污水源热泵系统进行为期7d的连续运行测试，测试期间室外平均气温−12.3℃，测试结果见表3。

表3 污水源热泵系统运行测试

从表3可看出，测试期间为较寒冷的采暖时段，高区及低区热泵的采暖热负荷率均大于70%，说明在室外温度偏低的时段，机组配置得到较充分的利用。但空调区的热负荷率仅为49%，参考上一年采暖季，空调区的热负荷率也仅为43%，说明空调热泵机组在采暖季的运行效率不高，系统配置偏大。系统能效比不高，仅为2.04～2.75，说明在室外温度较低的情况下，整个系统的采暖效率不高，系统耗电量偏大。

5建筑节能率分析

根据以上计算分析结果，该污水源热泵采暖系统能效比按3.0计算，2009～2010年冬季采暖期间盈科广场空调区、高区和低区总供热量为：

Qr=1207446× 3.0=3622337kWh

单位面积热负荷为：

根据《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》JGJ 26－95规定，乌鲁木齐市采暖期室外平均温度为−8.5℃，室内平均计算温度为18℃。2009～2010采暖期实际室内温度为20℃，室外平均温度为6.5℃，折合至计算工况下，单位面积热负荷为12.6W/m2，低于《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》JGJ 26－95规定的乌鲁木齐市21.8W/m2(50%节能建筑)的建筑热耗指标。

6冬季采暖相关性分析

图1为2011年1月27日～2月9日期间，室外环境温度与机组日耗电量关系曲线。从图中可知，室外温度与机组日耗电量变化趋势相反，即室外温度上升，机组耗电量减小；室外温度降低，机组耗电量增大，机组日耗电量在11～25MWh之间。

A座室内温度稳定在16～25℃的范围内，但B座公寓楼在2月1日～2月11日期间温度随室外温度上升反而有较明显下降，查阅机组耗电量数据，发现机组耗电量在2月1日～2月9日有较明显的下降情况。

图2为2011年1月18日～2月23日期间，B座公寓楼室内平均温度随室外温度的变化曲线。从图中可看出室内温度与室外温度呈负相关关系，即随室外温度的上升室内温度略有下降。再配合图2可看出，随着室外温度的上升，机组耗电量随之下降，导致室内温度降低，正好可以解释室外温度上升而室内温度下降的原因。

图2 B座室内温度与室外温度相关性

图3为2011年1月27日～2月9日期间，室内平均温度与机组日耗电量关系曲线。从图中看出，室内温度与机组耗电量几乎完全正相关，可得出如下结论：室内温度随机组耗电量的增加而增加，随机组耗电量的减小而降低。

图4为2011年1月28日～2月4日期间，污水进出水口温差与供暖进出水口温差关系曲线。从图中看出，污水进出水口温差与供暖进出水口温差显示了较好的正相关性。

图5 热泵机组供暖出口温度与A座室内平均温度相关性曲线

从图5中看出，当热泵机组供暖出口温度升高时(空1机组)，A座室内温度也随之升高。2月1日机组供暖温度下降，而A座室内温度却保持不变。查看机组供暖温度数据表后，得知当时(空2机组)由于供暖温度上升，使得A座室内温度没有随(空1机组)供暖温度的下降而变化。

四 夏季制冷性能技术评价分析

盈科广场污水源热泵制冷系统于2010年6月1日～9月11日投入制冷运行，其中6～9月份分别运行13、26、22和9d，日均运行时间为6.8、6.9、6.8和5.9h。

2010年6月1日～9月11日污水源热泵系统投入制冷运行期间，空调区建筑室内温度均低于26℃，达到设计要求，制冷保证率为100%，制冷期技术统计数据见表4。

表4 技术统计数据

由表4可看出：6月份系统处于间歇运行状态，部分非高温天气下热泵机组停运，造成6月份总运行时间较少，运行期间环境温度普遍较高，故从计算结果看6月份平均制冷电功率较高，而实际上7月份热泵制冷系统除阴雨天气外均投入制冷运行，该月运行电功率最高，平均制冷电功率为155.9kW；系统夏季制冷费用包括热泵、循环泵等电机设备耗电费用和变压器变损费用两部分。由于该系统两台变压器是按照盈科广场高区、低区和空调区冬季制热容量设计，虽然夏季制冷期间仅收取一台变压器变损费用，但其变电容量余量仍较大，造成夏季制冷期间变损费用比例较高，实际设备运行电费仅占运行总费用的29%；单位面积实际运行费用为2. 84元/m2，考虑到变损费用占比例较大，乌鲁木齐市污水源热泵系统的制冷期运行费用将在此基础上有较大下降空间；制冷期未进行能效比测试，考虑到此项目污水流量依据热负荷设计，对系统制冷模式而言污水量余量较大，另外热泵机组制冷冷源设计温度在30℃以上，而该项目夏季城市污水温度不到20℃，依此推理制冷系统在夏季制冷模式下能效比水平较高。

五 结论与建议

从以上分析可看出，盈科广场污水源热泵示范项目的成功实施应用，说明城市原生污水和二级污水均可直接进入热泵机组进行换热，污水处理设备的合理化选用和系统的优化设计，可解决污水源热泵系统的种种技术难题，污水源热泵技术在乌鲁木齐市可行，应用前景广阔。但运行中存在的问题也逐渐暴露出来。比如污水没有雨污分离，在短时间的降雨或融雪季节时，会造成大量泥沙进入阻污机，造成阻污机不能正常运行；大量其他污浊物也随污水而来，取水口也易堵塞。建议在以后的推广中，取水口的设计上要科学合理且实用，减少运行中的人工清理；阻污机很关键，阻污机过滤孔过小运行不能保证，过大造成热泵主机压力大，所以必须对污水污物进行实际测试后确定阻污机过滤网开孔大小；此类热泵主机必须增加反冲。

[1] 蒋能照. 水源/地源/水环热泵空调技术及应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007: 1.

[2] 热孜望. 坎吉 , 修强， 林闽, 等. 水源热泵采暖系统运行测试及技术经济分析[J]. 可再生能源, 2011, 29(1): 137－139.