污水源热泵系统的逐时需水量预测及工程设计

张年年 孙维栋 张 昌

（武汉纺织大学 武汉 430073）

污水源热泵系统的逐时需水量预测及工程设计

张年年 孙维栋 张 昌

（武汉纺织大学 武汉 430073）

以武汉具体工程为例，通过对建筑物室外全年逐时干球温度和逐时负荷的计算，选取合适的污水源热泵机组，建立描述污水源热泵机组的工程应用模型，通过相对误差检验得知此模型具有较高的精度。预测逐时污水流量，提出在实际工程设计中应该注意的事项，在污水量不足的状况下提出欠流量的解决方案。

污水源热泵；建模；污水流量预测

0 引言

污水热源是一种优良的引人注目的低温余热源，污水源热泵系统以收集城市污水并利用其低品位热能满足供冷供热的需求得到人们的重视。由于城市污水冬、夏季分别与地表水或空气有一定的温差，故其中蕴含巨大的节能潜力。城市污水中的热能在城市可利用废热中是最多的，而且在能量消费密度越高的城市中其蕴藏的热量也越大。污水源热泵在北方地区应用比较广泛，但是在武汉地区尚未有应用的先例。有学者的研究结果表明[1]，武汉属于城市供需类型化中第二类城市，污水中储存的可利用热量密度和城市热需要量密度较高。说明武汉市污水热能利用的可能性很大，污水源热泵发展前景广阔。本文以武汉某商业区污水源热泵系统为例，研究工程设计中的主要技术问题和解决方案，为污水源热泵的工程应用提供设计参考。

1 工程概况

武汉某商业区是一个集住宅、购物、餐饮、休闲、酒店为一体的城市综合体，总建筑面积为46402m2（酒店：21070m2，商业楼：25332m2）。在本项目用地紧邻有一条市政主排水箱涵，旁边有一条市政排水管道沿墙外沿通过，为应用污水源热泵系统提供了得天独厚的条件。污水取水可采用如图1所示流程。在城市污水干渠设置热泵系统，污水流量是否满足冬、夏季热泵系统正常运行，成为这类污水源热泵工程应用的技术关键问题，必须进行逐时需水量的预测和计算。

图1 污水源热泵系统取水示意图Fig.1 Water Intaked of Sewage-source Heat Pump

2 污水源热泵系统负荷计算与分析

2.1 室外计算干球温度的确定

室外干球温度直接影响建筑物空调负荷大小、能量消耗以及用电量等；污水源热泵机组的性能也会随着室外气象参数的变化而改变。如果在空调负荷计算中，室外干球计算温度采用月平均温度，将会与实际运行情况存在一定偏差。对于污水源热泵的工程设计来说，将计算空调负荷所采用的计算温度精确到每天的逐时室外干球温度，可以得到更接近工程实际的逐时计算空调冷、热负荷。根据相关文献，我国的历年日平均温度值负荷正态分布规律[2]。根据室外计算干球温度统计学原理，用Dest的随机气象模型Medpha[3,4]可以得到武汉地区年中8760个逐时室外计算干球温度，如图2所示。

图2 武汉市室外逐时干球温度Fig.2 Hourly Dry-bulb Temperature of Outdoor in Wuhan

2.2 热泵机组全年负荷计算

负荷以计算整个建筑物实际运行为基础，这样能够更为准确的计算建筑物的逐时负荷情况。按照不同的房间功能以及人员、设备的作息时间，首先对建筑参数进行设定：地理信息设定、墙体材料设定、房间功能设定、室内人员热扰设定、通风设定、空调系统设定[5]等。这些参数的设定都是依据实际建筑情况并结合相关节能规范进行逐项确定。本项目结合空调设计参数和武汉气候条件，再根据前文得出本建筑全年室外逐时干球温度，通过动态负荷模拟可以得到全年逐时负荷，见图3。本工程的供热时间段在1月1～3月15日，11月1～12月31日，最大的热负荷1349kW，发生在1月7日。供冷时间段在5月13日～10月1日，最大冷负荷为3770kW，发生在8月20日。

图3 建筑物全年逐时负荷Fig.3 Whole Year Hourly Load of Building

3 污水源热泵机组模型的建立

3.1 选取机组的名义工况参数

对污水源热泵机组进行模拟，首先要建立机组模型。根据计算得到的本建筑的空调冷热负荷，选取某型号为30HXC500AH高效型热泵机组两台。机组的名义工况为：制冷量1780kW，电机输入功率340kW，冷却水流量364m3/h，冷冻水流量315m3/h。冷却水进出口温度30/35℃，冷冻水进出口温度为12/7℃，机组的额定cop为5.23。

3.2 热泵机组的多参数非线性函数表达式

由相关研究表明[6-8]，用多元非线性函数来描述污水源热泵系统的工作性能具有一定的可行性。本文用于描述污水源热泵机组制冷量、耗功率、冷冻水出口温度、冷冻水出口温度、冷冻水流量、冷却水流量6个参数之间关系的多元非线性函数表达式如下：

式（1）～（6）中，rcop为实际工况时的cop与名义工况时的cop的比值；rTci为相对名义工况冷却水进口温度的偏差率；rTeo为相对名义工况冷冻水出口温度的偏差率；rew为相对名义工况冷冻水流量的偏差率；rcw为相对名义工况冷却水流量的偏差率；Tci为冷却水入口温度，℃；Teo为冷冻水出口温度，℃；we为冷冻水流量，kg/s；wc为冷却水流量，kg/s；ai（i=1，2，3，…，10）为拟合常数，下标r表示该参数名义工况的值。

对式（1）的参数进行拟合，不仅需要知道污水源热泵机组名义工况，还需要知道变工况的工作性能参数。对于变工况工作性能参数是厂家在性能测试平台上经过污水源热泵机组在一定工作范围内实际运行得出的实验值，厂家在出厂设备中提供。在二者已知的条件下，对式（1）中的参数进行最小二乘法拟合，可以求得30HXC500AH型螺杆式热泵机组模型拟合常数，见表1。

表1 30HXC500AH型污水源热泵机组模型拟合常数Table1 Model Fitting Constants of 30HXC500AH Type Sewage-source Heat Pump

3.3 污水源热泵机组模型的误差分析

将求出的模型常数带入公式（1），即可得到被模拟机组的个性化工程应用模型。把计算出的cop与实际运行的cop进行比较，就可以对个性化工程应用模型的精度进行误差检验。通过相对误差检验可知，该机组的数学模型计算出的cop与实际运行的cop的最大相对误差为1.37%，平均相对误差为0.25%，在实际工程允许的范围内。

图4 30HXC500AH污水源热泵机组相对误差Fig.4 Relative Error of 30HXC500AH Type Sewage-source Heat Pump

4 污水流量的逐时计算和分析

4.1 污水流量的需求预测

城市污水流量的变化范围是很大的，这主要是因为夏季和冬季的用水量有很大差异。所以污水流量是要重点考虑的因素之一。污水源热泵机组模型建立完成后，可以根据空调负荷计算热泵机组的逐时污水流量。

夏季通过城市污水排走的热量：

夏季机组冷凝器的污水流量：

以上式中，Q为计算得到全年的逐时冷负荷，kW；W为机组制冷时的输入功率，kW；cp为水的定压比热容，J/(kg·℃)；Δtc为进出冷凝器的水的温差，℃。

图5 夏季冷却水逐时污水流量Fig.5 Hourly Sewage Flow Rate of Cooling Water in Summer

联立（1）、（2）、（7）、（8）式，就可以求得夏季机组冷凝器需要的冷却污水的流量。计算得到的冷却污水流量在24kg/s～210.9kg/s，如图5所示，图中横坐标分别对应5月15日第1h～10月1日第24h。分析建筑物空调逐时负荷数据可以得知，冷负荷小于100kW的时候，室外计算干球温度不高于15℃，对应的污水源流量为24kg/s，所以在实际运行时，可以不运行机组。则夏季需要的污水流量范围在24kg/s～210.9kg/s之间。

冬季通过城市污水提取的热量：

冬季机组蒸发器的污水流量：

以上式中，Q为计算得到全年的逐时热负荷，kW；W为机组制热时的输入功率，kW；cp为水的定压比热容，J/(kg·℃)；Δte为进出蒸发器的水的温差，℃。

联立（1）、（2）、（9）、（10）式，就可以求得冬季机组蒸发器需要的污水流量。计算得到的冬季污水需求流量在15.6kg/s～164.1kg/s，如图6所示。

图6 冬季冷却水逐时污水流量Fig.6 Hourly Sewage Flow Rate of Cooling Water in Winter

4.2 工程设计中的主要环节

（1）逐时污水流量的需求预测。以上预测计算是在已知武汉地区室外逐时干球温度的条件下，在了解了污水源温度变化的一般规律后，估算机组换热器的传热温差，从而确定计算时进入机组换热器的污水温度。本项目污水源热泵系统制热工况下进入蒸发器的水温为12～18℃，制冷工况下进入冷凝器的水温为26～30℃，求得全年的逐时污水需求流量。

（2）污水流量的实地测定。要了解污水流量的实际变化情况，需要对污水量进行长时间的实地测量[8]。污水干管选取合适的测试断面，对断面的污水流速和污水温度分别进行测试，获得一年以上的污水源参数。然后比较计算得出的需求预测数据，核对是否满足上一步预测计算中的要求。如果实测数据与预测数据相差太大，还要把实测的污水温度参数代入上文公式中重复计算，得到满足要求的污水流量。

（3）确定污水取用工程方案。根据预测计算的过程，需要的污水流量的变化具有峰谷特性，在污水量不够的情况下，提出欠流量的解决方案。在污水采集阶段，本项目中设置了容积达600m3的污水蓄水池，作为欠流量时冷、热源的补充水源。平时污水源取水泵直接将原生污水抽取至换热器供应污水进行冷、热交换以达到最佳运行。一但污水箱涵出现欠流时，另一组污水泵抽取蓄水池污水供换热器使用，取水泵同时向蓄水池补充污水。当污水蓄水池继续降低到一定水位里，系统会将流经污水换热器的部分污水回送至污水蓄水池进行二次补充，以确保污水量满足使用要求。

5 小结

污水流量需求是本类工程设计重要的参数之一，污水量的足够与否是成功应用污水源热泵系统的关键因素。本文结合武汉市一个实际项目，通过数值计算的方法对该项目需求的污水流量进行预测，结合工程实际可以计算工程所需的污水流量。根据预测的结果进行工程论证和设计，可以为这类的污水源热泵实际工程的设计提供计算方法。

[1] 尹军,韦新东.我国主要城市污水中可利用热能状况初探[J].中国给水排水,2000,16(3):28-30.

[2] Tianzhen H, Yi Jiang. A new multi-zone model for the simulation of building thermal performance[J]. Building and Environment, 1997,32(2):123-128.

[3] 清华大学建筑科学系DeST开发小组.DeST-h技术资料[EB/OL].2003:19-23[2012.6.8] http://dest.tsinghua.edu.cn/ chinese/theory/jswd.asp.

[4] 清华大学DeST开发组.建筑环境系统模拟分析方法-DeST[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[5] GB50736-2012,民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].北京:中国标准出版社,2012.

[6] 张昌,王福林,吉田治典.建筑设备系统最优化运行技术[J].暖通空调,2010,40(3):73-78.

[7] 李威,张昌.基于外在参数的冷水机组数学模型[J].制冷与空调,2011,25(6):620-630.

[8] 周双,重庆市城市生活污水热能利用的研究[D].重庆:重庆大学,2008.

Forecasting Hourly Sewage Quantity of Heat Pump System and Engineering Design

Zhang Niannian Sun Weidong Zhang Chang
( Wuhan Textile University, Wuhan, 430073 )

This paper takes an engineering project in Wuhan as an example, calculating the annual hourly dry-bulb temperature and hourly load of building outdoor firstly, then selecting the appropriate sewage source heat pump, the application model is established to describe the sewage source heat pump's performance. By relative error testing, the model has high accuracy. Forecasting hourly sewage quantity, putting forward precautions in the actual project, solutions are proposed in the condition of the limited sewage flow rate.

sewage-source heat pump; modeling; forecast sewage quantity

TU831

A

1671-6612（2017）01-109-04

张年年（1990-），女，在读硕士研究生，E-mail：492585485@qq.com

张 昌（1956-），男，硕士，教授，E-mail：czhang@wtu.edu.cn

2015-12-10