張喜明,李 釗,釗林杰

(吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,吉林 長春 130118)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷增長，人們的生活水平日益提高，截止至2018年，我國人均GDP已達(dá)中等偏上收入國家標(biāo)準(zhǔn)[1]。伴隨而來的是對于能源的消耗也日益增長。目前，我國面臨著能源安全的危機(jī)以及環(huán)境遭受污染的風(fēng)險。有報告指出，相較于其他國家發(fā)達(dá)城市，2016年我國城市在冷熱源選擇及消耗上對于煤炭這種不可再生能源的使用比例較高，這也說明我國城市的環(huán)境問題極為嚴(yán)峻。2017年全國環(huán)境統(tǒng)計公報數(shù)據(jù)顯示，僅有小于30%的城市空氣質(zhì)量能夠達(dá)標(biāo)[2]。我國北方地區(qū)冬季主要通過煤炭、天然氣等燃料燃燒實現(xiàn)供暖，而這些傳統(tǒng)能源大多屬于不可再生資源，無論是開采還是使用都會不可避免的導(dǎo)致環(huán)境的惡化，因此要想采暖與環(huán)保兼得成為了棘手的難題，尋找一種新型清潔能源勢在必行。作為一種廢熱的城市原生污水有著一系列優(yōu)點，例如便于收集、自身蘊(yùn)含熱能較高、水量水溫相對穩(wěn)定、屬于便于城市利用的清潔能源等，適合作為節(jié)能環(huán)保的冷熱源。挪威、日本、瑞士等國在污水源熱泵的發(fā)展領(lǐng)域起步較早[3]，日本已經(jīng)可以將未處理過的污水以及二級出水或中水作為熱源使用[4]。我國相較于國外起步較晚，2000年首例污水源熱泵實驗工程建成，位于北京高碑店污水處理廠[5]。污水源熱泵系統(tǒng)主要以熱泵原理為依據(jù)，是利用城市污水中的低溫低位熱能資源，輸入少量的高位電能，從而實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的新型技術(shù)，它有著能夠穩(wěn)定傳輸能量、進(jìn)行熱交換的效率高、能夠節(jié)約能源與保護(hù)環(huán)境的特點，可以將污水充分利用并將其變?yōu)橐环N可行的資源[6]。而且在北方嚴(yán)寒地區(qū)，城市原生污水是十分理想的熱泵冷熱源。本文通過對長春市春宜賓館污水源熱泵系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測及整理，分析嚴(yán)寒地區(qū)污水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

1 工程實例介紹

此工程為在長春市春誼賓館運行的污水源熱泵系統(tǒng)，該賓館總建筑面積為31 000 m2，共有客房198間。賓館的夏季供冷面積為23 995.49 m2，冬季供暖面積為27 682.84 m2。通過對相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的整理歸納，得出該賓館建筑能耗指標(biāo)見表1。

表1 建筑能耗指標(biāo)

2 系統(tǒng)能效比計算

《水源熱泵機(jī)組》[7]提出通過機(jī)組制冷量與機(jī)組制冷所需功率的比值求得制冷季熱泵系統(tǒng)的能效比EER，通過機(jī)組制熱量與機(jī)組制熱所需功率的比值求得制熱季熱泵系統(tǒng)的能效比COP。計算污水源熱泵系統(tǒng)能效比需要收集污水側(cè)、用戶側(cè)進(jìn)出口溫度、流量及系統(tǒng)輸入總功率[8]。

2.1 夏季系統(tǒng)能效比

在夏季制冷工況下，通過對用戶側(cè)及污水側(cè)的實時監(jiān)測，取得并整理了用戶側(cè)出入口溫度、污水側(cè)出入口溫度、用戶側(cè)流量及污水源熱泵系統(tǒng)每日耗電量的數(shù)據(jù)分別如圖1～圖4所示。

圖1 污水源熱泵系統(tǒng)用戶側(cè)出入口溫度

由圖1及圖2數(shù)據(jù)分析可知,該系統(tǒng)用戶側(cè)入口溫度區(qū)間為26.5～36.6 ℃，用戶側(cè)出口溫度區(qū)間為23.4～33.4 ℃,兩者平均溫度差為3.35 ℃，足以滿足夏季制冷的需求；在該系統(tǒng)中污水側(cè)入口水溫為14.5～25.4 ℃，出口水溫為17.1～28.5 ℃，進(jìn)出口平均溫度差為3.02 ℃，符合排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 污水源熱泵系統(tǒng)污水側(cè)出入口溫度

由圖3和圖4的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)污水源熱泵系統(tǒng)的日耗電量和用戶側(cè)流量呈現(xiàn)出先減后增的趨勢，可知在數(shù)據(jù)監(jiān)測中期賓館旅客對于房間制冷的需求減小，在數(shù)據(jù)監(jiān)測后期隨著賓館旅客對于房間制冷的需求增加,系統(tǒng)耗電量及用戶側(cè)流量也開始提高。

圖3 污水源熱泵系統(tǒng)日耗電量

圖4 污水源熱泵系統(tǒng)用戶側(cè)流量

通過對夏季制冷期的上述數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及計算可得污水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)整體的EER值以及污水源熱泵機(jī)組的EER值，如圖5所示。由圖5數(shù)據(jù)可看出系統(tǒng)EER的區(qū)間基本為3.96～4.78，平均值為4.35；熱泵機(jī)組系統(tǒng)EER的區(qū)間基本為4.47～6.15，平均值為5.34。

圖5 制冷季系統(tǒng)EER與熱泵機(jī)組EER隨時間的變化圖

2.2 冬季系統(tǒng)能效比

在冬季制冷工況下，通過對該系統(tǒng)的實時監(jiān)測，取得并整理了用戶側(cè)出入口溫度、污水側(cè)出入口溫度、用戶側(cè)流量及污水源熱泵系統(tǒng)每日耗電量的數(shù)據(jù)分別如圖6～圖8所示。

圖6 污水源熱泵系統(tǒng)用戶側(cè)及污水側(cè)出入口溫度

圖7 污水源熱泵系統(tǒng)日耗電量

經(jīng)過對整個冬季制冷工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計算可得污水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)整體的COP值以及污水源熱泵機(jī)組的COP值，如圖9所示?？梢钥闯鱿到y(tǒng)COP的區(qū)間基本為2.66～3.85，平均值為3.12；熱泵機(jī)組系統(tǒng)COP的區(qū)間基本為3.21～4.89，平均值為3.79。

圖8 污水源熱泵系統(tǒng)用戶側(cè)流量

由圖5中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可知冬季供暖工況下，用戶側(cè)入口溫度區(qū)間在43～50.8 ℃之間，出口溫度區(qū)間在38～45 ℃之間，出入口水溫平均溫差為5.7 ℃；污水側(cè)入口溫度區(qū)間為7.9～10.7 ℃，出口溫度區(qū)間為5.6～9.6 ℃，進(jìn)出口平均溫差為2.2 ℃?？梢缘贸鲈撓到y(tǒng)在冬季供暖工況下溫度差值浮動較小,因此可以滿足用戶對供暖及舒適的需求。

由圖7和圖8數(shù)據(jù)分析，可知在冬季供暖工況下，隨著室外溫度不斷降低，污水源熱泵系統(tǒng)耗電量也隨之上升。用戶側(cè)的流量也同樣隨著室外溫度的降低而逐漸升高，最后流量穩(wěn)定在510～550 m3/h之間。

圖9 供暖季系統(tǒng)COP與熱泵機(jī)組COP隨時間的變化圖

3 系統(tǒng)節(jié)能性

通過系統(tǒng)節(jié)能的量值和效率兩個數(shù)據(jù)，可以通過與集中供熱+水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)節(jié)能效率進(jìn)行對比從而量化污水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效率。本文選用夏季制冷工況以及冬季供暖工況來進(jìn)行綜合對比。

3.1 污水源熱泵系統(tǒng)能耗計算

供暖季污水源熱泵系統(tǒng)年制熱總能耗計算公式

(1)

式中Qrh——地源熱泵系統(tǒng)年制熱總能耗/kgce；

D——1 kWh電折合所耗標(biāo)準(zhǔn)煤量，取值0.373 8/kgce·(kWh)-1；

QH——建筑全年累計熱負(fù)荷/kWh；

COPsys——熱泵系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)。

制冷季污水源熱泵系統(tǒng)年制冷總能耗[9]計算公式

(2)

式中Qrc——地源熱泵系統(tǒng)年制冷總能耗/kgce；

D——1 kWh電折合所耗標(biāo)準(zhǔn)煤量/kgce·(kWh)-1，取值0.373 8；

QC——建筑全年累計冷負(fù)荷/kWh；為熱泵系統(tǒng)的制冷能效比。

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入上式，可得夏/冬季年制冷總能耗如表2所示。

表2 污水源熱泵系統(tǒng)年制冷/熱總能耗

綜上所述，污水源熱泵系統(tǒng)耗能量為一年21 990 kg標(biāo)煤。

3.2 集中供熱+水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)能耗計算

供暖季集中供熱+水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)制熱總能耗計算公式

(3)

式中Qch——集中供熱系統(tǒng)年制熱總能耗/kgce；

q——標(biāo)準(zhǔn)煤熱值/MJ·kgce-1，取值29.307；

QH——建筑全年累計熱負(fù)荷/kWh；

ηch——熱源為集中供熱時的運行效率，取值80%。

制冷季水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)制冷總能耗計算公式

(4)

式中Qt2——水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)年制冷總能耗/kgce；

D——1 kWh電折合所耗標(biāo)準(zhǔn)煤量/kgce·(kWh)-1，取值0.373 8；

QC——建筑全年累計冷負(fù)荷/kWh；

EERt——傳統(tǒng)制冷空調(diào)方式的系統(tǒng)能效比，具體數(shù)據(jù)通過表3進(jìn)行選取。

表3 常規(guī)制冷空調(diào)系統(tǒng)能效比

通過數(shù)據(jù)整理可確認(rèn)EERt=2.6，將整合的數(shù)據(jù)導(dǎo)入上式，即可獲得數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 集中供熱+水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)年制冷/熱總能耗

3.3 污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能率

相對于集中供熱+水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)，污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能率計算公式

(5)

式中J——節(jié)能率；

M1——集中供熱+水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)年耗能量/kg·年-1；

M2——污水源熱泵系統(tǒng)年耗能量/kg·年-1。

通過將數(shù)據(jù)代入上式進(jìn)行計算，最終得出污水源熱泵系統(tǒng)相較于集中供熱+水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)在夏季制冷工況下每年可以節(jié)煤2 480 kg，節(jié)能率可以達(dá)到40.19%；在冬季供暖工況下每年可以節(jié)煤5 200 kg，節(jié)能率可以達(dá)到22.13%。綜合全年節(jié)煤7 680 kg，節(jié)能率為25.88%，符合《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[10]全年供暖、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)和照明的總能耗減少約20%～23%的要求。

4 結(jié) 論

本文主要對以長春市原生污水為熱泵冷熱源的污水源熱泵系統(tǒng)為對象并加以研究。通過對該污水源熱泵系統(tǒng)的夏季制冷工況以及冬季供暖工況長期的收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行整理，得到了用戶側(cè)及污水側(cè)的出入口溫度、用戶側(cè)流量及系統(tǒng)日耗電量，通過以上數(shù)據(jù)最終得到污水源熱泵系統(tǒng)的夏季、冬季系統(tǒng)能效比；通過分析系統(tǒng)節(jié)能量以及節(jié)能效率這兩大指標(biāo)，可以將污水源熱泵系統(tǒng)和集中供熱+水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)的節(jié)能效率進(jìn)行對比，最終得到污水源熱泵系統(tǒng)相較于集中供熱+水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)在夏季可節(jié)能40.19%，在冬季可節(jié)能22.13%，全年可節(jié)能25.88%。充分說明污水源熱泵系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)有良好的節(jié)能性。事實證明污水源熱泵系統(tǒng)適合替代傳統(tǒng)制冷、供暖系統(tǒng)，在符合條件的地區(qū)推廣使用。