摘要：對(duì)重慶某三級(jí)污水管網(wǎng)的流量動(dòng)態(tài)特性、溫度動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，對(duì)某商場(chǎng)建筑的全年負(fù)荷進(jìn)行了模擬。在此基礎(chǔ)上，比較了商場(chǎng)建筑日峰值排熱量與污水平均載熱量的相對(duì)大小，找出最不利流量及其與建筑需求側(cè)的差額。為了充分、合理的利用城市污水冷熱資源，探索在污水流量不利工況下城市污水與城市建筑負(fù)荷之間的供需匹配方法，采用復(fù)合式系統(tǒng)彌補(bǔ)全年污水最不利流量時(shí)段污水平均載熱量與建筑負(fù)荷的差值，并針對(duì)復(fù)合式系統(tǒng)提出了負(fù)荷分擔(dān)原則及控制策略。

關(guān)鍵詞：

污水熱利用；動(dòng)態(tài)特性；欠流量；復(fù)合式系統(tǒng)；匹配

中圖分類號(hào)：

TU8343

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：16744764（2015）01002906

城市生活污水是一種良好的低品位冷熱資源。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于污水冷熱資源利用的研究大多圍繞污水源熱泵工程應(yīng)用技術(shù)或設(shè)備研發(fā)展開(kāi)。如污水的取水及退水方式、污水過(guò)濾器的防腐與防堵、污水換熱器的污垢形成與強(qiáng)化傳熱、污水源熱泵應(yīng)用的可行性與節(jié)能效益評(píng)價(jià)等等[17]。對(duì)于城市污水冷熱資源排放與建筑冷熱負(fù)荷需求匹配的研究涉及較少。

城市污水中賦存的冷熱量是巨大的，文獻(xiàn)[8]從城市宏觀尺度定量計(jì)算了城市污水中賦存的冷熱量以及可以利用的冷熱量。目前污水源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際工程和設(shè)計(jì)思想多是基于這種宏觀的定量計(jì)算[7， 910]，即在污水最小流量和冬夏季計(jì)算溫差下，污水可利用容量需要滿足建筑最大的冷（熱）負(fù)荷，忽略了具體工程應(yīng)用時(shí)污水的流量、溫度等特性[11]與城市尺度下差異。在一個(gè)城市中，污水總量很大，而污水分布是不均衡的，一棟建筑可以利用的部分也是有限的。這種地域上的不均衡性和污水本身的動(dòng)態(tài)特性是污水源熱泵系統(tǒng)在推廣和應(yīng)用過(guò)程中需要考慮的。為充分、合理的利用城市污水冷熱資源，提高污水源熱泵系統(tǒng)的可靠性，本文基于動(dòng)態(tài)的思想，探索了在污水流量不利的工況下城市污水與城市建筑負(fù)荷之間的供需匹配方法，并提出了負(fù)荷分擔(dān)原則及控制策略。

1污水的動(dòng)態(tài)特性

污水中攜帶的冷熱量主要通過(guò)流量和溫度表現(xiàn)出來(lái)，其中流量顯示出污水冷熱量“量”的特點(diǎn)，而溫度則可評(píng)判污水“質(zhì)”的好壞。

蔡曉磊，等：污水熱利用的供需側(cè)負(fù)荷動(dòng)態(tài)匹配

11污水的流量動(dòng)態(tài)特性

城市生活污水量通常取決于城市生活用水量。由于城市居民生活的規(guī)律性導(dǎo)致用水量變化具有一定的規(guī)律性，從短期內(nèi)用水量變化具有周期性，長(zhǎng)時(shí)間看它又具有逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。城市生活污水量與城市生活用水量一樣逐月逐時(shí)變化，一年之內(nèi)冬季和夏季不同，一日之中白天和夜晚也不一樣，即使在同1 h內(nèi)污水流量也是恒定不變的。污水管網(wǎng)內(nèi)污水流量的變化程度與管網(wǎng)內(nèi)流量的大小有關(guān)，污水流量越大變化幅度越小，變化系數(shù)也越小，反之則越大[12]。不同類型的污水管網(wǎng)在流量變化規(guī)律上存在一定的差異。

污水流量在一小時(shí)內(nèi)可以認(rèn)為是均勻的[13]。如果將管網(wǎng)內(nèi)污水逐時(shí)流量與該日平均污水流量的比值定義為小時(shí)流量系數(shù)，就可以通過(guò)該系數(shù)看出管網(wǎng)內(nèi)污水流量在1 d內(nèi)的波動(dòng)程度。文獻(xiàn)[12]通過(guò)調(diào)研測(cè)試給出了3個(gè)不同規(guī)模污水管網(wǎng)的小時(shí)流量系數(shù)，具體見(jiàn)圖1。

圖1中1級(jí)污水管網(wǎng)主要指的是城市污水主干管（比如流入污水處理廠的污水管），2級(jí)污水管網(wǎng)對(duì)應(yīng)于城市污水干管，3級(jí)污水管網(wǎng)對(duì)應(yīng)于城市污水支管（比如單個(gè)小區(qū)的污水排出管道）。圖1可以看出，污水管網(wǎng)越大，污水流量在1 d內(nèi)逐時(shí)波動(dòng)越小，污水管網(wǎng)越小，污水流量在1 d內(nèi)波動(dòng)越劇烈；3種管網(wǎng)的波動(dòng)曲線都顯示晚上管網(wǎng)內(nèi)污水流量相對(duì)較少。

圖13個(gè)不同規(guī)模污水管網(wǎng)的小時(shí)流量系數(shù)

Fig.1The hour flow coefficient of the three different scale sewage pipe

在不考慮氣候突變前提下，城市生活污水流量日與日之間變化不明顯，但日變化的長(zhǎng)時(shí)間累加可能導(dǎo)致污水流量的明顯變化。工程應(yīng)用中常假定每月內(nèi)日流量相同，而在月間出現(xiàn)差異，這與通常采用的按月統(tǒng)計(jì)相適應(yīng)。實(shí)際上以月為周期，氣候變化并不明顯，污水流量基本穩(wěn)定。如果將管網(wǎng)內(nèi)污水逐月流量與1 a內(nèi)月平均污水流量的比值定義為月流量系數(shù)，就可以通過(guò)月流量系數(shù)看出管網(wǎng)內(nèi)污水流量在1 a內(nèi)月與月之間的波動(dòng)程度。文獻(xiàn)[14]通過(guò)調(diào)研測(cè)試給出了3個(gè)不同規(guī)模污水管網(wǎng)的月流量系數(shù)，具體見(jiàn)圖2。

圖23個(gè)不同規(guī)模污水管網(wǎng)的小時(shí)流量系數(shù)

Fig.2The hour flow coefficient of the three different scale sewage pipe

從圖2可以看出，污水管網(wǎng)越大，污水流量在1 a內(nèi)逐時(shí)波動(dòng)越小，污水管網(wǎng)越小，污水流量在1 a內(nèi)波動(dòng)越劇烈；另外，3種管網(wǎng)內(nèi)污水流量都是冬天少，夏天較多。

12污水的溫度動(dòng)態(tài)特性

溫度是城市生活污水冷熱資源的關(guān)鍵因素，是換熱工況設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，直接影響系統(tǒng)投資與運(yùn)行能耗，關(guān)系到熱泵系統(tǒng)使用的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性，因此污水冷熱資源建筑應(yīng)用必須考察污水的溫度情況。圖3是重慶市全年污水、空氣及地表江水的溫度變化情況，污水各月平均溫度為14～25℃，空氣全年各月平均溫度為8～29℃，地表江水溫度各月平均溫度為13～28℃。從整體上看城市生活污水全年溫度均在10～25℃左右，并且差別并不大，是理想的低溫?zé)嵩磁c熱匯。

圖3重慶市污水與環(huán)境溫度全年變化曲線

Fig.3Annual temperature changes of sewage and outside surroundings in ChongQing

13污水冷熱量的動(dòng)態(tài)特性

污水冷熱量的波動(dòng)主要受污水流量和污水被利用前后的溫差影響，具體見(jiàn)式（1）、（2）。

QL=C·m·Δtl（1）

QR=C·m·Δtr（2）

式中：QL、QR為污水冷熱容量，kW；C為污水定壓比熱，可近似取4187 kJ/kg.℃；m為污水質(zhì)量流量，kg/s；Δtl、Δtr為制冷、制熱工況下污水被利用前后的溫差，℃。

污水被利用后的溫度通常要滿足污水處理廠對(duì)污水溫度要求，文獻(xiàn)[14]指出只要控制污水使用后溫度在8～40℃范圍內(nèi)，就不會(huì)對(duì)污水處理工藝產(chǎn)生負(fù)面影響，因此，理論上Δtl、Δtr分別為40-tw、tw-8；由于污水溫度tw是波動(dòng)變化的，因此理論上的Δtl和Δtr也是波動(dòng)變化的。實(shí)際工程中綜合了技術(shù)及經(jīng)濟(jì)因素，通常取Δtl和Δtr為5℃，則污水冷熱量的波動(dòng)只受污水流量的影響，污水溫度的變化只是影響了冷熱源系統(tǒng)中的溫度參數(shù)。

2建筑負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性

空調(diào)的負(fù)荷特性和建筑物的類型有很大關(guān)系，每一類建筑其負(fù)荷波動(dòng)性都不一樣；從目前利用污水源熱泵的項(xiàng)目可以看出，污水源熱泵大都應(yīng)用于辦公及商業(yè)等公共類建筑[10， 1516]。商場(chǎng)作為一種典型的建筑，其空調(diào)負(fù)荷全年有明顯的波動(dòng)性。本文基于文獻(xiàn)[17]對(duì)重慶地區(qū)商場(chǎng)建筑的調(diào)查情況，建立了一棟典型商場(chǎng)建筑模型。對(duì)于商場(chǎng)建筑，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷占的比重較小，導(dǎo)致冬季熱負(fù)荷較小甚至出現(xiàn)冷負(fù)荷的情況，因此本文只考慮夏季商場(chǎng)冷負(fù)荷特性，利用DEST模擬軟件模擬5～10月空調(diào)冷負(fù)荷；最熱月典型日（8月3日）建筑負(fù)荷分布見(jiàn)圖4，峰值冷負(fù)荷見(jiàn)圖5。

圖4最熱月典型日（8月3日）空調(diào)冷負(fù)荷分布圖

Fig.4Distribution of cold load in typical day in hottest month

圖55月—10月建筑日峰值排熱量與污水平均載熱量分布圖

Fig.5Distribution of peak cold load in building and the mean heat carried by sewagefrom May to October

從圖5可以看出夏季峰值冷負(fù)荷波動(dòng)較大，最大值僅出現(xiàn)在七八月的某幾天，大部分時(shí)間的空調(diào)負(fù)荷都遠(yuǎn)小于最大負(fù)荷，將所有峰值負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出低于最大負(fù)荷的80%的天數(shù)高達(dá)總天數(shù)的70%。圖4顯示最熱月典型日（8月3日）空調(diào)負(fù)荷最大值出現(xiàn)在下午15∶00左右，此時(shí)人員密度較大，室外溫度較高導(dǎo)致新風(fēng)負(fù)荷也較大。從負(fù)荷波動(dòng)的角度可以看出，峰谷差異可以達(dá)到3倍；另外，當(dāng)日60%以上的時(shí)間空調(diào)的部分負(fù)荷率都低于80%，由此可見(jiàn)，空調(diào)負(fù)荷在制冷季及一天內(nèi)大都處于部分負(fù)荷狀態(tài)。

3供需側(cè)動(dòng)態(tài)匹配

污水流量、溫度是動(dòng)態(tài)變化的，因此夏季使用空調(diào)時(shí)污水能夠承載的建筑排熱量也是動(dòng)態(tài)變化的。重慶地區(qū)夏季污水溫度為20～25 ℃，污水日溫度變化約為1～2 ℃，污水溫度在短期內(nèi)基本穩(wěn)定，完全滿足熱泵機(jī)組冷卻溫度要求。由式（3）計(jì)算污水動(dòng)態(tài)載熱量

Q1=C×G×ΔT（3）

其中：G為夏季污水動(dòng)態(tài)流量，m3/h；Q1為夏季污水動(dòng)態(tài)載熱量，kW；ΔT為污水取水側(cè)水溫差（本文取為5℃），℃。

由式（4）計(jì)算建筑動(dòng)態(tài)排熱量

Q2=Q×（E+1）/E（4）

其中：Q為建筑動(dòng)態(tài)冷負(fù)荷，kW；Q2為建筑動(dòng)態(tài)排熱量，kW；E為熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)，kW/kW。

以往的污水源熱泵工程項(xiàng)目通常是靜態(tài)分析污水最不利流量是否能滿足建筑最大負(fù)荷的要求，很多工程往往因?yàn)槲鬯髁科《拗莆鬯臒崮芾谩１疚膶?月—10月建筑日最大排熱量與污水的平均載熱量繪制成曲線，如圖5。

建筑日峰值排熱量與污水平均載熱量的相對(duì)大小取決于污水匯流量的多少和建筑的規(guī)模；但從圖5中可以看出建筑日峰值排熱量波動(dòng)性較大，波峰和波谷相差達(dá)7倍，而污水平均載熱量波動(dòng)性較小，波峰和波谷相差僅13倍；6月末7月初日污水平均流量相對(duì)于建筑峰值負(fù)荷最小，可以認(rèn)為全年污水最不利流量出現(xiàn)在該時(shí)段。從6月末到7月初這幾天中選取能代表這幾天建筑負(fù)荷變化規(guī)律的某天作為污水最不利日，將該典型日污水動(dòng)態(tài)載熱量B與建筑動(dòng)態(tài)排熱量A繪制成曲線，如圖6

圖67月1日建筑排熱量與污水載熱量分布圖

Fig.6Distribution of building cold load and heat carried by sewage in July 1

圖6中污水最不利流量不滿足建筑負(fù)荷要求，但全天污水量累加可以滿足全天建筑負(fù)荷要求，此時(shí)可增設(shè)污水蓄水池或采用蓄能技術(shù)進(jìn)行移峰填谷，以解決污水不能滿足建筑負(fù)荷要求這一問(wèn)題。但采用蓄水池緩解供需冷量差異時(shí)，首先要解決蓄水量的問(wèn)題，蓄水池通常占據(jù)較大的用地，在實(shí)際工程應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)[18]。因此，大多數(shù)工程往往結(jié)合常規(guī)的能源方式，構(gòu)建污水源熱泵與常規(guī)空調(diào)的復(fù)合式系統(tǒng)，以解決污水可利用冷熱能和建筑冷熱負(fù)荷需求在時(shí)間和數(shù)量上不匹配的矛盾，提高能源綜合利用效率。

污水源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)的形式根據(jù)不同的分類方法，可以分成多種類別。若以輔助系統(tǒng)的復(fù)合形式來(lái)分，包括并聯(lián)和串聯(lián)兩種類型，而并聯(lián)與串聯(lián)的位置可以在冷熱源側(cè)，也可以在負(fù)荷側(cè)；若按照輔助系統(tǒng)冷熱源的形式，則包括傳統(tǒng)的冷卻塔，以及其他可再生能源[1920]。本文采用的復(fù)合式系統(tǒng)形式見(jiàn)圖7。

圖7污水源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)原理圖

Fig.7Schematic diagram of sewage source heat pump hybrid system

圖7中污水泵抽水流量不能大于流入污水池內(nèi)的流量，除非污水池的容積較大或者提前蓄水，否則污水池很容易被抽空。本文采用液位控制變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)污水池內(nèi)液位保持在一定高度，污水變頻泵的最大流量由污水源熱泵系統(tǒng)容量大小確定，當(dāng)流入污水池的流量高于變頻泵最大流量時(shí)開(kāi)啟污水池上方的溢流口，實(shí)現(xiàn)污水變頻泵的流量變化規(guī)律和管網(wǎng)實(shí)際產(chǎn)生的污水流量變化規(guī)律一致，這樣可以提高污水取水側(cè)的可靠性。

污水源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵是確定負(fù)荷分擔(dān)系數(shù)，即對(duì)既有的建筑物，為了使系統(tǒng)更加高效的運(yùn)行，在設(shè)計(jì)階段確定污水源熱泵承擔(dān)多少負(fù)荷，常規(guī)系統(tǒng)承擔(dān)多少負(fù)荷。冷卻塔系統(tǒng)作為輔助系統(tǒng)，其主要作用有兩方面，一是調(diào)峰作用；二是代替污水源熱泵系統(tǒng)為末端供冷：因?yàn)槲鬯∷畟?cè)污水流量的變化規(guī)律和污水干渠內(nèi)污水流量變化是一致的，當(dāng)建筑負(fù)荷很小而此時(shí)污水干渠內(nèi)污水流量很大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致取水側(cè)污水浪費(fèi)、取水能耗增高，此時(shí)只開(kāi)啟冷卻塔系統(tǒng)（建筑負(fù)荷低在一定程度上能說(shuō)明室外溫度也較低，冷卻塔換熱更有優(yōu)勢(shì)）。

負(fù)荷分擔(dān)原則：1）污水源熱泵系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)的最大載熱量之和必須大于或等于建筑最大排熱量：QL+ QW≥max（A）；2）冷卻塔系統(tǒng)要滿足調(diào)峰的作用，其最大載熱量必須大于或者等于污水載熱量相對(duì)于建筑排熱量的最大差值：QL≥max（A-B）；3）冷卻塔代替污水源熱泵系統(tǒng)為末端供冷；根據(jù)文獻(xiàn)對(duì)夏熱冬冷地區(qū)IPLV系數(shù)的統(tǒng)計(jì)，25%滿負(fù)荷工況的時(shí)間達(dá)到18%，此時(shí)建筑負(fù)荷較小，但是存在時(shí)間又不是很短，單獨(dú)開(kāi)啟冷卻塔具有一定的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。根據(jù)上述原則可以綜合確定75%負(fù)荷由污水水源熱泵提供，在冷卻塔容量能夠滿足使用要求低的前提下其余 25%負(fù)荷由冷卻塔散熱系統(tǒng)提供。

其中：QL為冷卻塔最大載熱量；QW為污水源熱泵系統(tǒng)最大載熱量；A為建筑動(dòng)態(tài)排熱量；B為 污水動(dòng)態(tài)載熱量。

復(fù)合式系統(tǒng)的控制策略：液位控制變頻調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)污水取水流量和污水實(shí)際流量一致，一般水源熱泵機(jī)組可利用水源溫差為4～5 ℃，當(dāng)中介水供回水溫差ΔTg，h超過(guò)5 ℃，說(shuō)明污水載熱能力不足，同時(shí)開(kāi)啟冷卻塔；當(dāng)中介水溫差ΔTg，h低于某一溫度Tmin，說(shuō)明建筑負(fù)荷低，而污水流量大，污水取水浪費(fèi)；如果冷卻塔的換熱量能滿足在此溫差下污水的最大載熱量，此時(shí)關(guān)閉污水取水系統(tǒng)，只開(kāi)啟輔助冷卻塔系統(tǒng)；經(jīng)統(tǒng)計(jì)夏季污水流量并結(jié)合污水源熱泵和冷卻塔的容量最終確定Tmin為167 ℃；當(dāng)中介水供回水溫差介于167 ℃和5 ℃之間，則只開(kāi)啟污水源熱泵系統(tǒng)。本文考慮了常態(tài)下污水流量不足時(shí)城市污水與城市建筑負(fù)荷之間的供需匹配。對(duì)于城市污水有可能出現(xiàn)的斷流等應(yīng)急情況，需要另行確定冷卻塔容量。

4結(jié)論

1）為了最大程度地利用城市污水的低位熱能，應(yīng)該基于動(dòng)態(tài)思想分析污水載熱量與建筑排熱量之間的關(guān)系。本文以某商場(chǎng)為例，將模擬得到的建筑負(fù)荷轉(zhuǎn)換成建筑側(cè)的排熱量，并與某三級(jí)污水管網(wǎng)中的污水載熱量進(jìn)行對(duì)比分析，找出了最不利流量及其與建筑需求側(cè)的差額。

2）構(gòu)建了污水源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)，提出了復(fù)合式分擔(dān)系統(tǒng)的原則及控制策略，綜合確定了污水源熱泵系統(tǒng)的容量和輔助冷卻塔系統(tǒng)的容量，并通過(guò)合理控制常規(guī)系統(tǒng)的啟停提高能源綜合利用效率，使污水源熱泵系統(tǒng)同時(shí)滿足節(jié)能、可靠的雙重要求。

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