污水源热泵结合水蓄能能源系统区域供能应用

文_张佳星 王小健 王宏 北京华清荣益地能科技开发有限公司

推动建筑业清洁生产是能源结构转型的重点领域之一，我国建筑能耗在社会总体能耗中占比达22%，而空调系统作为用能大户，提高其能效水平，对降低建筑能耗具有重大意义。城市再生水作为城市系统重要的组成部分，2018年全国城市再生水日处理能力达18145.2×104m3/d，产量巨大，且蕴含着巨大的低品位热能，与太阳能、风能相比，不受季节、气候、昼夜变化等外界因素干扰，是一种非常稳定的高品质低温热源。通过热泵技术将再生水进行利用，一方面，可解决建筑供暖及制冷需求，比直接电供能节能约70%，是降低城市建筑空调系统能耗的理想方式；另一方面，又推进了再生水的利用。据统计，我国再生水利用量仅占污水处理量的10%左右，北京再利用率虽已经超过60%，但也远小于部分发达国家再生水利用率70%的标准。

1 城市再生水条件分析

1.1 水源条件

相关数据参照北京某再生水厂所提供资料，总体处理能力为6万t/d，为保证系统安全稳定性，考虑再生水处理能力安全系数0.8，暂按日处理能力4.8万t/d进行设计，设计再生水夏季水温为27℃，冬季水温为12℃。

1.2 再生水能力估算

再生水能力估算，根据该厂再生水处理能力，暂按日再生水处理量为4.8万t/d，则小时再生水处理量为2000m3/h。

用水量理论计算公式：

式中COP值根据已有机组夏季COP=4.17；机组冬季COP=4.29；

QC—夏季建筑空调系统需水量，m3/h；

QH—冬季建筑空调系统需水量，m3/h；

WC—夏季建筑冷负荷，kW；

再生水循环温差夏、冬季均按8℃计算。

则2000m3/h再生水量能解决的冷、热负荷分别计算：

因此，该厂再生水量可解决15008.7kW冷负荷、24263.9kW热负荷需求。根据一般公共建筑供暖、制冷负荷需求，暂按冷负荷指标70W/m2，热负荷指标50W/m2，可解决周边47万m2公共建筑供暖及制冷需求。

考虑一般公共建筑的空调峰谷负荷相差悬殊且峰值负荷出现时段较短，采用纯污水源热泵系统时装机容量过大，且实际运行热泵机组大部分时间处于部分负荷下导致效率较低的情况，通过与水蓄能技术进行结合，可降低污水源能源系统的装机容量同时保证热泵机组高的运行效率。因此，本文系统设计采用污水源热泵结合水蓄能能源系统，采用该复合式能源系统可解决54600kW冷负荷、39000kW热负荷需求，即可满足周边78万m2一般公共建筑的供暖及制冷需求。

2 污水源热泵系统设计

本文设计污水源侧与热泵机组采用直接式方式进行换热/冷，再生水直接进入热泵机组，提高换热效率，降低能量损失，并在机组进水侧加胶球清洗装置，避免水质对系统的不利影响，保证系统运行的安全性。

总体系统设计采用污水源热泵结合水蓄能技术，由于冷负荷大，热负荷小，按热负荷进行污水源热泵机组配置，供冷不足部分增加辅助冷源，即由污水源热泵结合冷却塔以及冷水机组结合冷却塔进行补充。该能源系统各能源配比：

热源：直接式污水源热泵（63%）+水蓄热（37%）；

长江水资源总量9 958亿m3，人均水资源量2 330 m3/人。2016年用水总量为2 038.6亿m3（含太湖水系335.8亿m3），人均综合用水量446m3，万元GDP用水量76m3，万元工业增加值用水量71 m3，农业灌溉亩均用水量411m3，综合耗水率41%。长江流域用水指标见表2。

冷源：直接式污水源热泵（28%）+水蓄冷（27%）+污水源热泵结合冷却塔（18%）+冷水机组结合冷却塔（27%）。

3 污水源热泵结合水蓄能系统设备配置

污水源热泵结合水蓄能系统主要有由冷、热源，热泵机组，蓄能、释能装置以及输配设备与管网等组成。系统配置5台污水源热泵机组，2台冷水机组满足冬、夏季使用需求，机组可互为备用，保证系统安全稳定运行。具体参数如表1～6所示。

表1 污水源热泵机组（5台）

表2 污水源热泵对应冷却塔（4台）

表3 冷水机组（2台）

表4 冷水机组对应冷却塔（6台）

表5 蓄能、释能设备配置

表6 输配等辅助设备配置

4 系统运行模式

4.1 夏季运行模式

夏季日间：尖峰负荷时段，3台污水源热泵运行制冷工况，另外2台污水源热泵运行冷却塔工况，与蓄能槽联合供冷，不足部分由冷水机组补足；部分负荷时段，优先运行蓄能槽释能工况，不足部分由污水源热泵运行制冷工况，再不足部分由污水源热泵冷却塔工况以及冷水机组结合冷却塔进行补充。

夏季夜间：3台污水源热泵机组运行蓄冷工况，在夜间谷电时间段蓄冷8h；另外2台污水源热泵为建筑提供基础冷负荷。

4.2 冬季运行模式

冬季日间：尖峰负荷时段，5台污水源热泵运行制热工况，与蓄能槽联合供热；部分负荷时段，优先运行蓄能槽释能工况，不足部分由污水源热泵补充。

冬季夜间：3台地源热泵机组运行蓄热工况，在夜间谷电时间段蓄热8h；另外2台污水源热泵机组为建筑提供基础热负荷。

5 经济、环境效益

根据一般公共建筑逐时空调冷、热负荷分布情况，如图1、2所示。冬、夏季负荷峰段比较明显，且发生时刻与电力峰值的发生时刻接近；夜间电力低谷时段的空调冷热负荷较低，以一般工商业峰谷分时电价进行考虑，因此利用夜间低谷电价时段进行蓄能，供日间电价峰值时段使用，能够有效降低系统运行费用。

图1 夏季100%负荷设计日

图2 冬季100%负荷设计日

系统供能时段为：

①供暖时间为120d（11.15～3.15，供能时间仅工作日8：00～18：00，工作日夜间及法定节假日低温运行）；

②供冷时间为90d（5.20～10.1，供能时间仅工作日8：00～18：00，工作日夜间及法定节假日不供冷）。

按照上述供能时段进行运行费用测算，并与常规燃气锅炉+冷水机组能源系统进行对比分析。

5.1 经济效益分析

污水源热泵结合水蓄能系统年总运行费用1532万元，常规燃气锅炉+冷水机组系统年总运行费用达3077.1万元，二者相比，污水源热泵系统每年节省运行费用1545.1万元，仅为常规系统的50%左右，经济效益显著。

5.2 环境效益分析

污水源热泵系统比常规系统可减少标准煤7542.4t，减少二氧化碳排放量14104.3t，减少一氧化碳排放量171.2t，减少氮氧化物27.3t，减少二氧化硫126.1t，减少粉75.4t，环境效益显著。

6 结语

城市再生水作为一种可再生能源，通过热泵技术可得到再利用，实现为建筑供暖以及制冷。并且，污水源热泵系统较常规能源系统具有更高的经济效益和环境效益，是“十四五”推动建筑清洁生产的有效方式，对实现我国能源清洁低碳高效转型战略具有重大意义。

表7 运行费用