汪 璽,鄧志輝,程 文

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,成都 610031； 2.中鐵八局集團(tuán)建筑工程有限公司, 成都 611731)

隨著社會科技的發(fā)展,污水源熱泵技術(shù)日趨成熟,污水源熱泵利用污水能量,冬季提取污水低品位的熱能,通過熱泵系統(tǒng),以消耗較少的電能將所取的低位熱能供給室內(nèi)采暖,夏季把室內(nèi)熱量取出,釋放到水中,以達(dá)到夏季空調(diào)的目的。利用污水源能量為建筑物供暖和空調(diào)具有重要的節(jié)能和環(huán)保意義[1-3],并且污水源熱泵技術(shù)在工程實(shí)際當(dāng)中得到逐步的應(yīng)用。

火車站一直作為能耗大戶存在,據(jù)北京、廣州等已營運(yùn)的鐵路樞紐線路的統(tǒng)計數(shù)據(jù),空調(diào)系統(tǒng)能耗約占鐵路車站建筑總能耗的50%[4],成為車站建筑的最大能耗。隨著國家節(jié)能減排政策的實(shí)施,降低鐵路運(yùn)營能耗成為了關(guān)注的焦點(diǎn),本文著重分析了污水源熱泵在廣州火車站應(yīng)用的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

1 建筑概況及特征

1.1 建筑概況

廣州火車站共有4層,總建筑面積31 064 m2,一層主要為售票廳、進(jìn)站大廳和候車室；二層主要為候車室；三層為辦公用房；四層為辦公用房和設(shè)備用房。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)情況

廣州火車站空調(diào)面積為24 560 m2,夏季空調(diào)室內(nèi)計算溫度為26～28 ℃,相對濕度為40%～65%,非中央空調(diào)面積為5 560 m2,其中票房空調(diào)系統(tǒng)為單獨(dú)空調(diào)系統(tǒng)；辦公用房采用吊裝空調(diào)機(jī)組和分體式空調(diào)機(jī)組；中央空調(diào)系統(tǒng)冷源為2臺相同規(guī)格的離心式冷水機(jī)組,每臺制冷量為3 059 kW,每臺機(jī)組配備一用一備2臺水泵,末端設(shè)備為風(fēng)機(jī)盤管。夏季空調(diào)負(fù)荷峰值為3 192 kW,建筑冷負(fù)荷指標(biāo)為120 W/m2,廣州火車站空調(diào)區(qū)域信息見表1。

表1 廣州火車站空調(diào)區(qū)域信息

2 污水源特性

2.1 污水源水溫

污水能量的可利用性主要取決于污水的溫度,污水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和污水溫度具有很大的關(guān)系[5]。城市污水通常表現(xiàn)為水溫恒定,冬暖夏涼[6],夏季溫度較低的污水將制冷劑冷卻,將室內(nèi)熱量釋放到污水當(dāng)中,起到空調(diào)的作用,對廣州火車站污水井污水溫度進(jìn)行連續(xù)3 d的實(shí)地測量,測量結(jié)果見圖1,其中廣州市全年污水溫度和室外平均溫度變化趨勢見圖2。

圖1 連續(xù)3 d污水溫度

圖2 全年污水月平均溫度

從圖1可以看出,污水井污水溫度連續(xù)3 d變化不大,維持在19 ℃,自來水溫度在21.5 ℃波動,從圖2可看出廣州市全年污水溫度和室外平均溫度變化趨勢,其中污水溫度在空調(diào)期內(nèi)表現(xiàn)基本恒定。通過測試結(jié)果和相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù),廣州火車站夏季污水溫度在22～26 ℃變化,和廣州夏季室外干球溫度相差7～10 ℃,可見該污水溫度可以滿足熱泵空調(diào)運(yùn)行條件。

2.2 污水水質(zhì)條件

通過對廣州火車站污水匯聚處污水井的現(xiàn)場觀測,水顏色為淺黃色,有較大尺寸的污雜物,是一種固液兩相,相多組分流體,呈現(xiàn)非牛頓特性。

污水的水質(zhì)關(guān)系到污水處理成本的大小,污水源熱泵系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵因素之一。對污水水質(zhì)的特點(diǎn),在解決換熱器防堵塞、防腐蝕、防結(jié)垢清洗等關(guān)鍵技術(shù)問題的前提下,才能保證整個污水源熱泵系統(tǒng)的正常運(yùn)行。通過對污水井的污水進(jìn)行取樣化學(xué)分析,其PH值基本成中性,腐蝕性較低。另外火車站污水井污水中的懸浮物,油脂,生化需氧量(BOD),化學(xué)需氧量(COD)等指標(biāo)均達(dá)到可作為熱泵水源的標(biāo)準(zhǔn),具有利用的可行性。

2.3 污水水量

廣州火車站用水量較大,月平均在6萬m3左右,統(tǒng)計了廣州火車站逐月客流量和每月用水量,其中廣州火車站客流量見圖3,廣州火車站月用水量見圖4。

圖3 廣州火車站客流量

圖4 廣州火車站月用水量

擬合出廣州火車站每月用水量和客流人數(shù)非線性的數(shù)學(xué)關(guān)系式為

W=7.168x6-300.8x5+4 568x4-33 468x3+

(1)

(2)

式中，W為用水量,t;W1為污水量,t;x為客流量，萬人；τ為排污系數(shù)(取0.9)。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),廣州火車站每月用水量和客流人數(shù)成非線性關(guān)系的原因?yàn)閺V州火車站的用水量大部分用在人員飲用,盥洗,少部分的用于洗浴,綠化,清掃等。用水量受到諸多因素的影響,而且用水量受客流量的影響較大。另外被帶走的水只占用水量的很少一部分,可以忽略不計,剩下的絕大部分用水被轉(zhuǎn)化為污水排放到污水井。取廣州火車站排污系數(shù)為0.9,即用水量的90%都轉(zhuǎn)化為火車站污水。

根據(jù)廣州室外氣象參數(shù)特點(diǎn),假設(shè)5～11月份為空調(diào)期,在空調(diào)期內(nèi)污水總量約為37萬t,平均每天污水量在2 000～2 600 t變化。

2.4 夏季污水制冷能力[7]

廣州火車站冬季不考慮采暖,只需考慮夏季空調(diào),夏季相差溫度取為5 ℃,以污水量最少的5月份為參考,則最少可從污水提取冷量為

(3)

式中，Q為冷量；ρ為污水密度；c為比熱；W1為污水量：Δt為溫差，取為5 ℃。

熱泵性能系數(shù)取5(此系數(shù)參考某半封閉螺桿式污水源熱泵冷熱水機(jī)組的設(shè)計工況)，熱泵的總制冷功率為

(4)

式中，P為總制冷功率；COP為性能系數(shù)。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),火車站建筑冷負(fù)荷指標(biāo)K=120W/m2,可計算出廣州火車站采用污水源熱泵能提供的空調(diào)面積

(5)

式中，S為空調(diào)面積；K為建筑冷負(fù)荷指標(biāo)，取為120W/m2。

所占中央空調(diào)區(qū)域面積比例為

(6)

式中，γ為比例；A為空調(diào)區(qū)域總面積。

通過計算出在空調(diào)期內(nèi)采用污水源熱泵能提供的空調(diào)面積見圖5。

圖5 污水源熱泵不同月份提供的空調(diào)面積

從上可以看出：廣州火車站采用污水源熱泵最小能提供10 100 m2的空調(diào)面積,占整個中央空調(diào)區(qū)面積的53.15%；最大能提供13 200 m2的空調(diào)面積,占整個火車站中央空調(diào)區(qū)面積的69.47%。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 經(jīng)濟(jì)評價方法[8]

污水源熱泵經(jīng)濟(jì)性評價方法目前采用能源工程中最常用的2種方法：財務(wù)凈現(xiàn)值法和動態(tài)費(fèi)用年值法。

王老師：當(dāng)然也思考，但我不會把這種思考叫作“經(jīng)驗(yàn)研究”“行動研究”。經(jīng)驗(yàn)是有，但背后缺乏真正的研究；行動也有，但背后也只有總結(jié)。什么都叫研究的話，反而拉低了研究的層次。如果教師上完一堂課之后反思一下教學(xué)就叫研究，班會課后寫一份總結(jié)報告也能變成論文，那就失去研究的意義了。我并不反對思考、總結(jié)，但我反對把教師的思考和總結(jié)包裝成“學(xué)術(shù)論文”，甚至以指標(biāo)的形式強(qiáng)迫教師發(fā)表。

(1)財務(wù)凈現(xiàn)值法

財務(wù)凈現(xiàn)值法是按照部門規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)收益率,將各年所發(fā)生的凈現(xiàn)金流量(即現(xiàn)金流入與流出之差),折算到建設(shè)期起始年的現(xiàn)金總和,當(dāng)凈現(xiàn)值≥0時,表示該方案可行；當(dāng)凈現(xiàn)值≤0時,該方案不宜采用。財務(wù)凈現(xiàn)值法計算公式為

(7)

式中，F(xiàn)NPV為凈現(xiàn)值，元；n為建設(shè)期與經(jīng)濟(jì)壽命之和；Ct為第t年得流入現(xiàn)金與流出現(xiàn)金之差；i為標(biāo)準(zhǔn)收益率。

(2)費(fèi)用年值法

(8)

式中，F(xiàn)A為按年動態(tài)法計算的年計算費(fèi)用，元；N為設(shè)備種類數(shù)；Kj為編號為j的設(shè)備投資額，元；C為年運(yùn)行費(fèi)用；m為設(shè)備使用年限。

3.2 主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)[9]

(1)系統(tǒng)造價。為供暖、空調(diào)系統(tǒng)各部分造價之和,包括土建費(fèi)、設(shè)備購置費(fèi)、安裝費(fèi)及其他費(fèi)用(設(shè)計費(fèi)、監(jiān)理費(fèi)和不可預(yù)見費(fèi)),本文主要考慮設(shè)備費(fèi)用。

(2)運(yùn)行成本。為系統(tǒng)中各部分每年消耗的費(fèi)用,包括水費(fèi)、電費(fèi)、燃料費(fèi)、排污費(fèi)、管理人員工資、管理費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)和設(shè)備維修費(fèi)等,本文計算只考慮電能費(fèi)用。

3.3 計算參數(shù)

(1)選取廣州地區(qū)夏季室外氣象參數(shù),其中空調(diào)期為180 d,每天供冷12 h。

(2)空調(diào)面積為10 100 m2,冷負(fù)荷為1.12×103kW。

(3)空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的效益按空調(diào)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為23元/(m2·年)計算[10]。

(4)設(shè)備運(yùn)行20年。

(5)相關(guān)參數(shù)見表2和表3。

表2 部分主要設(shè)備投資

表3 系統(tǒng)燃料價格和能耗性能選取參考值

3.4 計算結(jié)果

污水源熱泵系統(tǒng)和離心式冷水機(jī)系統(tǒng)造價及其凈現(xiàn)值見表4。

表4 兩種系統(tǒng)造價及凈現(xiàn)值 萬元

污水源熱泵系統(tǒng)和離心式冷水機(jī)系統(tǒng)年固定費(fèi)用、年運(yùn)行費(fèi)用、費(fèi)用年值見表5。

表5 兩種系統(tǒng)年固定費(fèi)用、年運(yùn)行費(fèi)用、費(fèi)用年值 萬元

可得出污水源熱泵相對于離心式冷水機(jī)組的資金回收期為

(9)

4 計算結(jié)果分析

(1)從表2可以看出污水源熱泵系統(tǒng)主機(jī)造價高,但是由于污水源熱泵不需要專門冷卻設(shè)備,因此相對于離心式冷水機(jī)組可以節(jié)省冷卻塔的投資。

(2)從表3可以看出污水源熱泵性能系數(shù)遠(yuǎn)高于離心式冷水機(jī)組,具有較高的性能和較低的能耗。

(3)從表4、表5可以看出污水源熱泵初投資高于離心式冷水機(jī)組,但費(fèi)用年值卻低于離心式冷水機(jī)組,并計算出投資回收期為3.98年。投資回收期相對較長的原因是由于廣州火車站只有單一制冷工況,不能享受到污水源熱泵一機(jī)兩用所節(jié)省的初投資和運(yùn)行費(fèi)用,不過考慮到污水源熱泵的節(jié)能效益和環(huán)保效益,污水源熱泵仍然具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)競爭力。

5 結(jié)論

(1)采用污水源熱泵最少能滿足廣州火車站53.13%中央空調(diào)區(qū)的夏季空調(diào)要求,在污水量充足的10月份該比例能達(dá)到69.47%。

(2)按照文中給出的計算條件和能源價格,從動態(tài)費(fèi)用年值來看,污水源熱泵低于現(xiàn)有的離心式冷水機(jī)組,并且計算出采用污水源熱泵相對于離心式冷水機(jī)的投資回收期為3.98年,在當(dāng)前較高的電價下,具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)競爭力。

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