石家庄市某住宅小区中水源热泵供热系统应用与分析

崔明辉，刘 萌，王 欣

（河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018）

石家庄市某住宅小区于2013－11－15供暖，供暖面积31万m2。为缓解市区的供暖压力，小区采用中水源热泵供热系统为用户供暖。小区的中水源热泵系统利用石家庄市桥东污水厂处理的中水内的低位热能资源，通过热泵输入少量高品位电能把低位热能转化成高位热能实现对小区的供暖。2014－03－15结束供暖，整个供暖季中水热泵机组运行良好，满足了小区的供暖需求，极大地缓解了市区的供暖压力。

1 热泵机组的运行环境

1.1 中水水量及水质

石家庄市桥东污水处理厂现处理污水量为50万m3／d且中水水质达到2级及以上标准［1］。

1.2 中水水温

图1是典型日2014－01－10—2014－02－10的中水平均水温，由安装在首站的测温装置测得。

图1 2014年1—2月中水水温Fig.1 Temperature of reclaimed water in January and February 2014

由图1看出中水水温在17.40～18.20℃波动。中水平均温度为17.68℃。温度比地下水、河水、湖水高［2－4］。中水水温适宜，使得进入蒸发器的温度较高，供热效果提高［5－6］。

通过对中水水质及水温分析得出：

1）中水水质良好；

2）中水水温适宜。

热泵机组在本采暖季的运行环境是良好的。

2 热泵机房概况

2.1 热泵机房原理图（见图2）

图2 中水源热泵系统原理简图Fig.2 Principle of reclaimed water heat pump system

2.2 热泵机组概况

本小区采用分区供暖，分为低、中、高3区。机组采用螺杆式水源热泵，规格见表1。

表1 热泵型号Tab.1 Heat pump specification

3 热泵机组运行

3.1 运行现状

选取典型日（2014－01－17—2014－01－25）的机组运行日平均值，以观察机组的运行情况，见图3—图9。

图3 1＃中水源热泵机组运行参数Fig.3 Operation parameters of 1＃reclaimed water heat pump system

图4 2＃中水源热泵机组运行参数Fig.4 Operation parameters of 2＃water heat pump system

图6 4＃中水源热泵机组运行参数Fig.6 Operation parameters of 4＃reclaimed water heat pump system

图7 5＃中水源热泵机组运行参数Fig.7 Operation parameters of 5＃reclaimed water heat pump system

图8 6＃中水源热泵机组运行参数Fig.8 Operation parameters of 6＃reclaimed water heat pump system

图9 7＃中水源热泵机组运行参数Fig.9 Operation parameters of 7＃reclaimed water heat pump system

分析热泵机组的运行参数，将9个典型日数据总平均值列于表2。

表2 热泵机组的运行数据Tab.2 Operation parameters of heat pumps

3.2 运行分析

1）机组运行分析

从以上机组的运行状况可以看出，在以上几个典型日的运行情况下机组运行整体比较平稳，但6＃机组蒸发器进出口水温波动大，机组流量不稳。在这9 天典型日里，蒸发器进出水平均温差为6.46℃；冷凝器进出水平均温差为7.05℃。热泵样本蒸发器进出水温度为15／7 ℃，冷凝器进出水温度为40／45 ℃。可以看出7台热泵机组蒸发器进出水温差偏小。

2）机组之间的水力平衡分析

式中：Q为热负荷，W；C为水的比热容，C＝4.168kJ／（kg·℃）；ΔT为供、回水温差，℃。

根据式（1），在负荷一定的情况下，温差与流量是成反比的［7－8］。各个机组沿程阻力与机组内局部阻力大小不一样，是否会产生机组间的水力失调［9－10］，对机组的运行产生何种影响。由于无热泵实际制热量数据，选取热泵的额定制热量与蒸发器进出水温差做个比较，如图10所示。

图10 中水源热泵额定制热量与蒸发器进出水温差的关系Fig.10 Relationship between rated heating capacity of reclaimed water heat pump and inflow and effluent temperature difference of the vaporator

从图10可以看出3＃，5＃机组负荷相同，但温差却不同。因此5＃机组流量明显偏大，3＃，5＃机组水力失调严重（结论的得出建立在3＃，5＃机组满负荷运行，无任何故障的情况下，查阅运行记录，3＃，5＃机组满负荷运行，并无异常）。对于多台机组并联的水力平衡是经常被大家忽视的，使得提升泵输送的流量分配不能最优，造成能量浪费甚至致使热泵机组无法在最优状态下运行。

3.3 问题的产生及改善措施

1）为分析蒸发器进出水温差普遍偏低产生的原因，于2013－11－15—2013－12－10 通过首站的流 量 计量装置得到总流量为806 637t（折合1 292.69t／h），而进入机房的管道设计流量为1 125t／h，可知实际流量明显高于设计流量，导致蒸发器进出水流量大、温差偏低。实际流量明显高于设计流量增加了中水提升泵的能耗。首站采用的是变频式中水提升泵，可以改变运行方式，降低频率，达到减少流量降低中水提升泵能耗的目的。

2）对于3＃，5＃机组出现水力失调问题，在今后的运行中，可以适当关小5＃机组进入蒸发器的阀门，以消除机组间的水力失调，使各个机组都处于额定运行状态。

4 效益分析

4.1 经济效益分析

本次分析基于中水源热泵系统的直接成本，其供暖季的耗电量见图11。

图11 2013年－2014年供暖季石家庄市某住宅小区机房耗电量Fig.11 Power consumption of the engine room in a housing estate in Shijiazhuang City（2013－2014）

图11为热泵机房在2013年—2014年供暖季的耗电量情况，总耗电量为5 433 750kW·h。热泵机组的耗电量为4 909 734kW·h。本采暖季热泵机组的单位面积电耗为15.84kW·h／m2。根据当地政策，计费可按民用电价0.52元／（kW·h），再加上人员费用及维护费用，得出单位面积成本8.55元。

4.2 节能效益分析

该小区采暖面积为31万m2，热指标为45 W／m2，根据计算供暖季平均热指标为31.75 W／m2，供暖天数为120d，24h 运行，热泵能效比COP 为4.0。由《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》选取燃煤锅炉作为比较对象，锅炉效率取68%。电能与一次能源的转换率取为0.31，每kg 标准煤的低位发热量为29 306kJ。

式中：B为供暖耗煤量，t；S为建筑采暖面积，m2；q为采暖热指标，W／m2；η为效率，%；Q为每kg标准煤的低位发热量，kJ。

根据式（1）和式（2），可知节煤量J为2 312.6t。

4.3 环境效益分析

中水源热泵系统每个采暖季可节约2 312.6t标准煤。根据《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》，由公式QCO2＝2.47Qbm，可知，一个采暖季可减 少CO2排 放 量5 712.12t；由 公 式QSO2＝0.02Qbm，得到一个采暖季可减少SO2排放量46.25 t；由QFC＝0.01Qbm可知一个采暖季可减少粉尘排放23.13t。

5 结 论

1）中水源热泵机组在本供暖季的直接成本仅为8.55元／m2，经济效益显著。

2）中水源热泵系统的节能效益明显，在整个供暖季节煤量为2 312.6t。

3）中水源热泵系统的环保效益突出，整个供暖季减少CO2排放量5 712.12t；减少SO2排放量46.25t；减少粉尘排放23.13t。

4）中水源热泵机组在整个供暖季的运行环境和运行效果是比较理想的，不仅满足了末端用户的供热需求，而且经济效益、节能效益及环境效益显著。在供热现状紧张和环境状况恶化的今天，中水源热泵机组经济实用，在靠近中水源的建筑供热系统中应大力推广。

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