崔明輝，劉 萌，王 欣

（河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

石家莊市某住宅小區(qū)于2013－11－15供暖，供暖面積31萬(wàn)m2。為緩解市區(qū)的供暖壓力，小區(qū)采用中水源熱泵供熱系統(tǒng)為用戶(hù)供暖。小區(qū)的中水源熱泵系統(tǒng)利用石家莊市橋東污水廠處理的中水內(nèi)的低位熱能資源，通過(guò)熱泵輸入少量高品位電能把低位熱能轉(zhuǎn)化成高位熱能實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)的供暖。2014－03－15結(jié)束供暖，整個(gè)供暖季中水熱泵機(jī)組運(yùn)行良好，滿(mǎn)足了小區(qū)的供暖需求，極大地緩解了市區(qū)的供暖壓力。

1 熱泵機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境

1.1 中水水量及水質(zhì)

石家莊市橋東污水處理廠現(xiàn)處理污水量為50萬(wàn)m3／d且中水水質(zhì)達(dá)到2級(jí)及以上標(biāo)準(zhǔn)［1］。

1.2 中水水溫

圖1是典型日2014－01－10—2014－02－10的中水平均水溫，由安裝在首站的測(cè)溫裝置測(cè)得。

圖1 2014年1—2月中水水溫Fig.1 Temperature of reclaimed water in January and February 2014

由圖1看出中水水溫在17.40～18.20℃波動(dòng)。中水平均溫度為17.68℃。溫度比地下水、河水、湖水高［2－4］。中水水溫適宜，使得進(jìn)入蒸發(fā)器的溫度較高，供熱效果提高［5－6］。

通過(guò)對(duì)中水水質(zhì)及水溫分析得出：

1）中水水質(zhì)良好；

2）中水水溫適宜。

熱泵機(jī)組在本采暖季的運(yùn)行環(huán)境是良好的。

2 熱泵機(jī)房概況

2.1 熱泵機(jī)房原理圖（見(jiàn)圖2）

圖2 中水源熱泵系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖Fig.2 Principle of reclaimed water heat pump system

2.2 熱泵機(jī)組概況

本小區(qū)采用分區(qū)供暖，分為低、中、高3區(qū)。機(jī)組采用螺桿式水源熱泵，規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 熱泵型號(hào)Tab.1 Heat pump specification

3 熱泵機(jī)組運(yùn)行

3.1 運(yùn)行現(xiàn)狀

選取典型日（2014－01－17—2014－01－25）的機(jī)組運(yùn)行日平均值，以觀察機(jī)組的運(yùn)行情況，見(jiàn)圖3—圖9。

圖3 1＃中水源熱泵機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Fig.3 Operation parameters of 1＃reclaimed water heat pump system

圖4 2＃中水源熱泵機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Fig.4 Operation parameters of 2＃water heat pump system

圖6 4＃中水源熱泵機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Fig.6 Operation parameters of 4＃reclaimed water heat pump system

圖7 5＃中水源熱泵機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Fig.7 Operation parameters of 5＃reclaimed water heat pump system

圖8 6＃中水源熱泵機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Fig.8 Operation parameters of 6＃reclaimed water heat pump system

圖9 7＃中水源熱泵機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Fig.9 Operation parameters of 7＃reclaimed water heat pump system

分析熱泵機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，將9個(gè)典型日數(shù)據(jù)總平均值列于表2。

表2 熱泵機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.2 Operation parameters of heat pumps

3.2 運(yùn)行分析

1）機(jī)組運(yùn)行分析

從以上機(jī)組的運(yùn)行狀況可以看出，在以上幾個(gè)典型日的運(yùn)行情況下機(jī)組運(yùn)行整體比較平穩(wěn)，但6＃機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)出口水溫波動(dòng)大，機(jī)組流量不穩(wěn)。在這9 天典型日里，蒸發(fā)器進(jìn)出水平均溫差為6.46℃；冷凝器進(jìn)出水平均溫差為7.05℃。熱泵樣本蒸發(fā)器進(jìn)出水溫度為15／7 ℃，冷凝器進(jìn)出水溫度為40／45 ℃?？梢钥闯?臺(tái)熱泵機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)出水溫差偏小。

2）機(jī)組之間的水力平衡分析

式中：Q為熱負(fù)荷，W；C為水的比熱容，C＝4.168kJ／（kg·℃）；ΔT為供、回水溫差，℃。

根據(jù)式（1），在負(fù)荷一定的情況下，溫差與流量是成反比的［7－8］。各個(gè)機(jī)組沿程阻力與機(jī)組內(nèi)局部阻力大小不一樣，是否會(huì)產(chǎn)生機(jī)組間的水力失調(diào)［9－10］，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生何種影響。由于無(wú)熱泵實(shí)際制熱量數(shù)據(jù)，選取熱泵的額定制熱量與蒸發(fā)器進(jìn)出水溫差做個(gè)比較，如圖10所示。

圖10 中水源熱泵額定制熱量與蒸發(fā)器進(jìn)出水溫差的關(guān)系Fig.10 Relationship between rated heating capacity of reclaimed water heat pump and inflow and effluent temperature difference of the vaporator

從圖10可以看出3＃，5＃機(jī)組負(fù)荷相同，但溫差卻不同。因此5＃機(jī)組流量明顯偏大，3＃，5＃機(jī)組水力失調(diào)嚴(yán)重（結(jié)論的得出建立在3＃，5＃機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，無(wú)任何故障的情況下，查閱運(yùn)行記錄，3＃，5＃機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，并無(wú)異常）。對(duì)于多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)的水力平衡是經(jīng)常被大家忽視的，使得提升泵輸送的流量分配不能最優(yōu)，造成能量浪費(fèi)甚至致使熱泵機(jī)組無(wú)法在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)行。

3.3 問(wèn)題的產(chǎn)生及改善措施

1）為分析蒸發(fā)器進(jìn)出水溫差普遍偏低產(chǎn)生的原因，于2013－11－15—2013－12－10 通過(guò)首站的流 量 計(jì)量裝置得到總流量為806 637t（折合1 292.69t／h），而進(jìn)入機(jī)房的管道設(shè)計(jì)流量為1 125t／h，可知實(shí)際流量明顯高于設(shè)計(jì)流量，導(dǎo)致蒸發(fā)器進(jìn)出水流量大、溫差偏低。實(shí)際流量明顯高于設(shè)計(jì)流量增加了中水提升泵的能耗。首站采用的是變頻式中水提升泵，可以改變運(yùn)行方式，降低頻率，達(dá)到減少流量降低中水提升泵能耗的目的。

2）對(duì)于3＃，5＃機(jī)組出現(xiàn)水力失調(diào)問(wèn)題，在今后的運(yùn)行中，可以適當(dāng)關(guān)小5＃機(jī)組進(jìn)入蒸發(fā)器的閥門(mén)，以消除機(jī)組間的水力失調(diào)，使各個(gè)機(jī)組都處于額定運(yùn)行狀態(tài)。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

本次分析基于中水源熱泵系統(tǒng)的直接成本，其供暖季的耗電量見(jiàn)圖11。

圖11 2013年－2014年供暖季石家莊市某住宅小區(qū)機(jī)房耗電量Fig.11 Power consumption of the engine room in a housing estate in Shijiazhuang City（2013－2014）

圖11為熱泵機(jī)房在2013年—2014年供暖季的耗電量情況，總耗電量為5 433 750kW·h。熱泵機(jī)組的耗電量為4 909 734kW·h。本采暖季熱泵機(jī)組的單位面積電耗為15.84kW·h／m2。根據(jù)當(dāng)?shù)卣?，?jì)費(fèi)可按民用電價(jià)0.52元／（kW·h），再加上人員費(fèi)用及維護(hù)費(fèi)用，得出單位面積成本8.55元。

4.2 節(jié)能效益分析

該小區(qū)采暖面積為31萬(wàn)m2，熱指標(biāo)為45 W／m2，根據(jù)計(jì)算供暖季平均熱指標(biāo)為31.75 W／m2，供暖天數(shù)為120d，24h 運(yùn)行，熱泵能效比COP 為4.0。由《可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目測(cè)評(píng)導(dǎo)則》選取燃煤鍋爐作為比較對(duì)象，鍋爐效率取68%。電能與一次能源的轉(zhuǎn)換率取為0.31，每kg 標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量為29 306kJ。

式中：B為供暖耗煤量，t；S為建筑采暖面積，m2；q為采暖熱指標(biāo)，W／m2；η為效率，%；Q為每kg標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量，kJ。

根據(jù)式（1）和式（2），可知節(jié)煤量J為2 312.6t。

4.3 環(huán)境效益分析

中水源熱泵系統(tǒng)每個(gè)采暖季可節(jié)約2 312.6t標(biāo)準(zhǔn)煤。根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目測(cè)評(píng)導(dǎo)則》，由公式QCO2＝2.47Qbm，可知，一個(gè)采暖季可減 少CO2排 放 量5 712.12t；由 公 式QSO2＝0.02Qbm，得到一個(gè)采暖季可減少SO2排放量46.25 t；由QFC＝0.01Qbm可知一個(gè)采暖季可減少粉塵排放23.13t。

5 結(jié) 論

1）中水源熱泵機(jī)組在本供暖季的直接成本僅為8.55元／m2，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2）中水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效益明顯，在整個(gè)供暖季節(jié)煤量為2 312.6t。

3）中水源熱泵系統(tǒng)的環(huán)保效益突出，整個(gè)供暖季減少CO2排放量5 712.12t；減少SO2排放量46.25t；減少粉塵排放23.13t。

4）中水源熱泵機(jī)組在整個(gè)供暖季的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行效果是比較理想的，不僅滿(mǎn)足了末端用戶(hù)的供熱需求，而且經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能效益及環(huán)境效益顯著。在供熱現(xiàn)狀緊張和環(huán)境狀況惡化的今天，中水源熱泵機(jī)組經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在靠近中水源的建筑供熱系統(tǒng)中應(yīng)大力推廣。

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