严寒地区污水源热泵系统节能潜力的分析

张喜明,李 钊,钊林杰

(吉林建筑大学 市政与环境工程学院,吉林 长春 130118)

随着我国经济的不断增长，人们的生活水平日益提高，截止至2018年，我国人均GDP已达中等偏上收入国家标准[1]。伴随而来的是对于能源的消耗也日益增长。目前，我国面临着能源安全的危机以及环境遭受污染的风险。有报告指出，相较于其他国家发达城市，2016年我国城市在冷热源选择及消耗上对于煤炭这种不可再生能源的使用比例较高，这也说明我国城市的环境问题极为严峻。2017年全国环境统计公报数据显示，仅有小于30%的城市空气质量能够达标[2]。我国北方地区冬季主要通过煤炭、天然气等燃料燃烧实现供暖，而这些传统能源大多属于不可再生资源，无论是开采还是使用都会不可避免的导致环境的恶化，因此要想采暖与环保兼得成为了棘手的难题，寻找一种新型清洁能源势在必行。作为一种废热的城市原生污水有着一系列优点，例如便于收集、自身蕴含热能较高、水量水温相对稳定、属于便于城市利用的清洁能源等，适合作为节能环保的冷热源。挪威、日本、瑞士等国在污水源热泵的发展领域起步较早[3]，日本已经可以将未处理过的污水以及二级出水或中水作为热源使用[4]。我国相较于国外起步较晚，2000年首例污水源热泵实验工程建成，位于北京高碑店污水处理厂[5]。污水源热泵系统主要以热泵原理为依据，是利用城市污水中的低温低位热能资源，输入少量的高位电能，从而实现低位热能向高位热能转移的新型技术，它有着能够稳定传输能量、进行热交换的效率高、能够节约能源与保护环境的特点，可以将污水充分利用并将其变为一种可行的资源[6]。而且在北方严寒地区，城市原生污水是十分理想的热泵冷热源。本文通过对长春市春宜宾馆污水源热泵系统运行数据进行监测及整理，分析严寒地区污水源热泵系统的节能潜力。

1 工程实例介绍

此工程为在长春市春谊宾馆运行的污水源热泵系统，该宾馆总建筑面积为31 000 m2，共有客房198间。宾馆的夏季供冷面积为23 995.49 m2，冬季供暖面积为27 682.84 m2。通过对相关规范及文献数据的整理归纳，得出该宾馆建筑能耗指标见表1。

表1 建筑能耗指标

2 系统能效比计算

《水源热泵机组》[7]提出通过机组制冷量与机组制冷所需功率的比值求得制冷季热泵系统的能效比EER，通过机组制热量与机组制热所需功率的比值求得制热季热泵系统的能效比COP。计算污水源热泵系统能效比需要收集污水侧、用户侧进出口温度、流量及系统输入总功率[8]。

2.1 夏季系统能效比

在夏季制冷工况下，通过对用户侧及污水侧的实时监测，取得并整理了用户侧出入口温度、污水侧出入口温度、用户侧流量及污水源热泵系统每日耗电量的数据分别如图1～图4所示。

图1 污水源热泵系统用户侧出入口温度

由图1及图2数据分析可知,该系统用户侧入口温度区间为26.5～36.6 ℃，用户侧出口温度区间为23.4～33.4 ℃,两者平均温度差为3.35 ℃，足以满足夏季制冷的需求；在该系统中污水侧入口水温为14.5～25.4 ℃，出口水温为17.1～28.5 ℃，进出口平均温度差为3.02 ℃，符合排放标准。

图2 污水源热泵系统污水侧出入口温度

由图3和图4的数据分析，发现污水源热泵系统的日耗电量和用户侧流量呈现出先减后增的趋势，可知在数据监测中期宾馆旅客对于房间制冷的需求减小，在数据监测后期随着宾馆旅客对于房间制冷的需求增加,系统耗电量及用户侧流量也开始提高。

图3 污水源热泵系统日耗电量

图4 污水源热泵系统用户侧流量

通过对夏季制冷期的上述数据进行整理及计算可得污水源热泵机组系统整体的EER值以及污水源热泵机组的EER值，如图5所示。由图5数据可看出系统EER的区间基本为3.96～4.78，平均值为4.35；热泵机组系统EER的区间基本为4.47～6.15，平均值为5.34。

图5 制冷季系统EER与热泵机组EER随时间的变化图

2.2 冬季系统能效比

在冬季制冷工况下，通过对该系统的实时监测，取得并整理了用户侧出入口温度、污水侧出入口温度、用户侧流量及污水源热泵系统每日耗电量的数据分别如图6～图8所示。

图6 污水源热泵系统用户侧及污水侧出入口温度

图7 污水源热泵系统日耗电量

经过对整个冬季制冷工况的数据进行整理计算可得污水源热泵机组系统整体的COP值以及污水源热泵机组的COP值，如图9所示。可以看出系统COP的区间基本为2.66～3.85，平均值为3.12；热泵机组系统COP的区间基本为3.21～4.89，平均值为3.79。

图8 污水源热泵系统用户侧流量

由图5中数据进行分析，可知冬季供暖工况下，用户侧入口温度区间在43～50.8 ℃之间，出口温度区间在38～45 ℃之间，出入口水温平均温差为5.7 ℃；污水侧入口温度区间为7.9～10.7 ℃，出口温度区间为5.6～9.6 ℃，进出口平均温差为2.2 ℃。可以得出该系统在冬季供暖工况下温度差值浮动较小,因此可以满足用户对供暖及舒适的需求。

由图7和图8数据分析，可知在冬季供暖工况下，随着室外温度不断降低，污水源热泵系统耗电量也随之上升。用户侧的流量也同样随着室外温度的降低而逐渐升高，最后流量稳定在510～550 m3/h之间。

图9 供暖季系统COP与热泵机组COP随时间的变化图

3 系统节能性

通过系统节能的量值和效率两个数据，可以通过与集中供热+水冷冷水机组系统节能效率进行对比从而量化污水源热泵系统的节能效率。本文选用夏季制冷工况以及冬季供暖工况来进行综合对比。

3.1 污水源热泵系统能耗计算

供暖季污水源热泵系统年制热总能耗计算公式

(1)

式中Qrh——地源热泵系统年制热总能耗/kgce；

D——1 kWh电折合所耗标准煤量，取值0.373 8/kgce·(kWh)-1；

QH——建筑全年累计热负荷/kWh；

COPsys——热泵系统的制热性能系数。

制冷季污水源热泵系统年制冷总能耗[9]计算公式

(2)

式中Qrc——地源热泵系统年制冷总能耗/kgce；

D——1 kWh电折合所耗标准煤量/kgce·(kWh)-1，取值0.373 8；

QC——建筑全年累计冷负荷/kWh；为热泵系统的制冷能效比。

将数据导入上式，可得夏/冬季年制冷总能耗如表2所示。

表2 污水源热泵系统年制冷/热总能耗

综上所述，污水源热泵系统耗能量为一年21 990 kg标煤。

3.2 集中供热+水冷冷水机组系统能耗计算

供暖季集中供热+水冷冷水机组系统制热总能耗计算公式

(3)

式中Qch——集中供热系统年制热总能耗/kgce；

q——标准煤热值/MJ·kgce-1，取值29.307；

QH——建筑全年累计热负荷/kWh；

ηch——热源为集中供热时的运行效率，取值80%。

制冷季水冷冷水机组系统制冷总能耗计算公式

(4)

式中Qt2——水冷冷水机组系统年制冷总能耗/kgce；

D——1 kWh电折合所耗标准煤量/kgce·(kWh)-1，取值0.373 8；

QC——建筑全年累计冷负荷/kWh；

EERt——传统制冷空调方式的系统能效比，具体数据通过表3进行选取。

表3 常规制冷空调系统能效比

通过数据整理可确认EERt=2.6，将整合的数据导入上式，即可获得数据如表4所示。

表4 集中供热+水冷冷水机组系统年制冷/热总能耗

3.3 污水源热泵系统节能率

相对于集中供热+水冷冷水机组系统，污水源热泵系统节能率计算公式

(5)

式中J——节能率；

M1——集中供热+水冷冷水机组系统年耗能量/kg·年-1；

M2——污水源热泵系统年耗能量/kg·年-1。

通过将数据代入上式进行计算，最终得出污水源热泵系统相较于集中供热+水冷冷水机组系统在夏季制冷工况下每年可以节煤2 480 kg，节能率可以达到40.19%；在冬季供暖工况下每年可以节煤5 200 kg，节能率可以达到22.13%。综合全年节煤7 680 kg，节能率为25.88%，符合《公共建筑节能设计标准》[10]全年供暖、通风、空气调节和照明的总能耗减少约20%～23%的要求。

4 结 论

本文主要对以长春市原生污水为热泵冷热源的污水源热泵系统为对象并加以研究。通过对该污水源热泵系统的夏季制冷工况以及冬季供暖工况长期的收集数据并进行整理，得到了用户侧及污水侧的出入口温度、用户侧流量及系统日耗电量，通过以上数据最终得到污水源热泵系统的夏季、冬季系统能效比；通过分析系统节能量以及节能效率这两大指标，可以将污水源热泵系统和集中供热+水冷冷水机组系统的节能效率进行对比，最终得到污水源热泵系统相较于集中供热+水冷冷水机组系统在夏季可节能40.19%，在冬季可节能22.13%，全年可节能25.88%。充分说明污水源热泵系统在严寒地区有良好的节能性。事实证明污水源热泵系统适合替代传统制冷、供暖系统，在符合条件的地区推广使用。