严寒地区污水源热泵供暖系统运行效果分析

2020-06-03李明柱李亚男

吉林建筑大学学报 2020年2期

李明柱，李亚男

吉林建筑大学市政与环境工程学院,长春 130118

0 引言

随着“资源节约型,环境友好型”社会建设的不断推进,减少能源消耗和开发新能源越来越受到人们的重视[1].污水源热泵以其节能性、环保性和可再生性等优点显现出强劲的发展潜力.因此,污水源热泵系统的研究与应用正在逐渐增多.

而对于比较主流的间接式污水源热泵系统因为多一套中介水循环系统,同等条件下,间接式系统的运行费用较高,这也意味着间接式系统的节能潜力更大,该研究有利于推广间接式污水源热泵系统的应用.目前,少部分学者对污水源热泵系统的研究焦点已转移到对实际工程运行效果的研究.因此,对严寒地区污水源热泵供暖系统运行效果的研究具有现实意义[2-3].为了掌握系统的实际运行情况,本文对现有系统进行实测与节能分析,对严寒地区2018年～2019年供暖季的运行数据进行整理分析,分析系统的运行效果和系统运行的影响因素,可对污水源热泵系统的日后设计和系统性能优化提供参考.

1 工程概况

1.1 建筑及设备选型概况

本研究中的建筑位于严寒地区,其总的建筑面积为31 000 m2,冬季供暖面积为27 682 m2,夏季供冷面积为23 995 m2.该宾馆以原生污水为污水源,采用间接式污水源热泵系统,为宾馆冬季供热、夏季供冷,全年供应生活热水.

系统由2台单螺杆式水源热泵机组(一用一备),中介水泵和热水循环泵都采用变频泵,因水泵能耗在热泵系统中占有相当大的比例,降低水泵能耗对整个系统的节能具有重要意义[4],其机组主要参数如表1所示，设备的参数如表2所示.

表1 机组型号参数

表2 主要设备参数

供暖季,根据室外温度变化对建筑热负荷变化的影响,设定用户侧供水温度在40 ℃～48 ℃变化.根据中介水冬季回水温度最低值设定为7.5 ℃,供水温度最高值设定为9.5 ℃,来决定污水泵的启停.系统的运行策略为两台机组按需启停,燃油锅炉在冬季极寒天气辅助建筑采暖.污水池24 h提供城市污水,保证机组的正常运行,需要定时、定期清理中介水-污水换热器.

1.2 系统工作原理

该污水源热泵系统分为3个循环,即污水循环、中介水循环和用户侧循环水循环.系统的工作原理如图1所示.

(1)污水循环. 城市原生污水在污水泵的带动下与壳管式换热器进行反复换热,将热量传递给中介水,然后排出.

(3)用户侧循环水循环. 被加热的制冷剂通过电力做工在热泵中循环,将热量传递给用户侧循环水,通过分水器分到末端装置对室内进行供暖,然后通过集水器回流,准备下一次循环[5-6].

图1 污水源热泵系统供暖季原理示意

2 数据来源及主要分析参数

本文基于2018年～2019年供暖季系统的运行数据进行分析,数据来源于智能控制系统自动采集的数据.分析的主要参数有污水供回水温度,中介水供回水温度,循环水供回水温度,热泵机组吸热负荷、制热负荷和耗电负荷,机组性能系数COPunit和系统性能系数COPsys.污水的适宜性分析中,数据的选取区间为整个供暖季的污水进出口温度.而其他参数的分析,根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》(GB/T 50801—2013)[7]要求,规定了系统测试的时机,测试时间应在供热15 d之后进行.因此,选择典型供暖日期计58 d的数据进行分析.数据采集期间,系统运行稳定.

参数计算如下所示[8]:

Qs=24×Vs×ρs×Cs×Δts

(1)

Qs=24×250×1 000×4.178×2=5.014×107kJ/d

式中,Qs为污水干渠赋存的热量,kJ/d;Vs为污水流量,由设置在污水源与污水换热器之间污水循环系统中的流量传感器测量,经实测该污水流量为250 m3/h;ρs为进出污水换热器的污水的平均密度,近似按1 000 kg/m3计取;Cs为污水的比热容,近似按4.178 kJ/(kg·℃)计取;Δts=tsi-tso为污水进出污水换热器的进出口温差,℃,其中污水进污水换热器的进口温度tsi、污水出污水换热器的出口温度tso均由设置在污水源与污水换热器之间污水循环系统中的温度传感器测量,经实测该进出口温差为2 ℃.

Qc,ideal=Qs×COP/(COP-1)

(2)

Qc,ideal=5.014×107×4.7/(4.7-1)=6.369×107kJ/d

式中,Qc,ideal为污水换热器无热损失且不计污水、中介水泵耗功理想条件下热泵机组可提供的最大热量,kJ/d;COP为热泵机组制热性能系数,按均值4.7计取.

Qc,ideal经换算得:

qc,ideal=Qc,ideal/(24×3 600)=6.369×107/(24×3 600)=737 kW

(3)

式中,qc,ideal为污水换热器无热损失且不计污水、中介水泵耗功理想条件下热泵机组可提供的最大热负荷,kW.

(4)

式中,qe为热泵机组逐日吸热负荷,kW;ρe为进出热泵机组蒸发器的中介水的平均密度,按1 000 kg/m3计取;ce为进出热泵机组蒸发器的中介水的平均比热容,按4.178 kJ/(kg·℃)计取;Ve为进出热泵机组蒸发器的中介水的流量,m3/h,其由设置在污水换热器与热泵机组之间中介水循环系统中的流量传感器测量;Δte=tei-teo为中介水进出热泵机组蒸发器的进出口温差,℃,其中中介水进热泵机组蒸发器的进口温度tei、中介水出热泵机组蒸发器的出口温度teo均由设置在污水换热器与热泵机组之间中介水循环系统中的温度传感器测量,经实测可得该进出口温差.

通过一次次地迭代和交付，项目进入了一个等节奏的开发节奏。这时候，团队成员可以正确估算自己的合理计划，开始避免初期迭代中出现的武断地、不切实际的冲刺目标。同时为了保持敏捷型团队的工作强度波动，需要视情况派发或减去并行项目的兼职任务。

(5)

式中,qc为热泵机组逐日供热负荷,kW;ρc为进出热泵机组冷凝器的循环水的平均密度,按1 000 kg/m3计取;cc为进出热泵机组冷凝器的循环水的平均比热容,按4.178 kJ/(kg·℃)计取;Vc为进出热泵机组冷凝器的用户侧循环水的流量,m3/h,其由设置在热泵机组与热用户之间用户侧循环水循环系统中的流量传感器测量;Δtc=tco-tci为循环水进出热泵机组冷凝器的进出口温差,℃,其中循环水进热泵机组冷凝器的进口温度tci、循环水出热泵机组冷凝器的出口温度tco均由设置在热泵机组与热用户之间用户侧循环水循环系统中的温度传感器测量,经实测可得该进出口温差.

COPunit=qc/Php

(6)

式中,COPunit为热泵机组的制热性能系数;Php为热泵机组耗电负荷,kW,其由电度表测量换算.

COPsys=qc/(Php+∑Pwp,i)

(7)

式中,COPsys为系统的制热性能系数;∑Pwp,i为系统中的各类水泵耗电负荷之和,kW,其由电度表测量换算.

3 系统实际运行效果

3.1 污水适宜性

由图2可知,污水温度在6.7 ℃～12.3 ℃变化,污水的进出口最小温差为1 ℃,最大温差为3 ℃,一般情况进出口温差在2 ℃左右波动.而严寒地区整个供暖季室外气温变化大,但由图2可知,污水温度变化幅度小,受气候影响小.因而,污水的水温比较稳定,可作为稳定的热源.

图2 污水进出口温度及其温差

3.2 中介水、循环水供回水温度

中介水进出蒸发器与末端用户循环水进出冷凝器的温度随时间的变化情况,直接影响热泵机组的瞬时放热量和吸热量,图3给出了典型供暖期间的中介水、循环水进出口温度及温差.

由图3可知,中介水供水温度为6.1 ℃～10.1 ℃,平均值为8.1 ℃,回水温度平均值为6.5 ℃,供回水温差平均值为1.7 ℃.用户侧循环水的供水温度46.8 ℃～49.6 ℃,平均值为48.1 ℃,用户侧的回水温度平均值为44 ℃,供回水温差的平均值为4.1 ℃,中介水、循环水产生的供回水温差小.