新疆維吾爾自治區(qū)新能源研究所 ■ 張艷紅 林 閩 修 強(qiáng)

烏魯木齊市建設(shè)委員會(huì) ■ 何 峰 格麗曼

一 引言

烏魯木齊是典型的冬季重污染城市，工業(yè)和冬季采暖所排放的煙塵是城市主要污染源之一。加之烏魯木齊市地處嚴(yán)寒地區(qū)，冬季采暖時(shí)間長(zhǎng)，建筑保溫隔熱性能差，使得建筑供暖負(fù)荷巨大。污水源熱泵系統(tǒng)充分利用污水資源，不僅可節(jié)約大量常規(guī)能源，同時(shí)又可避免由于大量燃煤產(chǎn)生的環(huán)境污染，可為烏魯木齊市的大氣污染治理提供示范，以此帶動(dòng)更多用戶，充分利用污水資源，為烏魯木齊市的節(jié)能減排、污染治理提供一種可行的思路和途徑。

鑒于新疆維吾爾自治區(qū)新能源研究所在新能源方面技術(shù)力量較強(qiáng)，相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備較完善，經(jīng)清潔能源建筑應(yīng)用專家委員會(huì)研究決定，地源熱泵建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目建設(shè)單位委托新疆維吾爾自治區(qū)新能源研究所作為項(xiàng)目跟蹤檢測(cè)單位，并對(duì)示范項(xiàng)目做技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。2009年，烏魯木齊市盈科廣場(chǎng)污水源熱泵項(xiàng)目被列為國(guó)家可再生能源示范項(xiàng)目及烏魯木齊市地源熱泵示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目是西北地區(qū)熱泵技術(shù)應(yīng)用中將原生污水直接進(jìn)機(jī)組的首個(gè)案例，也是國(guó)內(nèi)單體建筑應(yīng)用該技術(shù)規(guī)模最大的項(xiàng)目。

二 示范工程的基本情況

1工程概況

本工程項(xiàng)目為新疆盈科房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司的“盈科廣場(chǎng)”，位于烏魯木齊市北京路高新區(qū)高新街217號(hào)。項(xiàng)目總建筑面積約8.6萬(wàn)m2，可再生能源投資1000萬(wàn)元，建筑類型為居住/公建。其中低層部分為?3～4層，?3～?1層為地下車庫(kù)和設(shè)備用房。1～4層為辦公和綜合服務(wù)部分。雙子塔樓分兩部分，其中A座為辦公樓，B座為公寓樓。本建筑高度為105.15m，項(xiàng)目采用污水源熱泵系統(tǒng)為該大樓的空調(diào)和采暖系統(tǒng)提供冷熱源。熱泵機(jī)組主要設(shè)備設(shè)置在盈科廣場(chǎng)，機(jī)房建筑面積為180m2。

2污水流量情況

經(jīng)實(shí)地勘察北京路污水管管徑D為1200mm。污水流量經(jīng)實(shí)測(cè)，最大值為2280m3/h，最小值為600m3/h，平均流量為1400m3/h。該管道每天約有3萬(wàn)m3污水流量，作為污水源熱泵系統(tǒng)的熱源和冷源非常適合。該建筑擬采用這一污水資源。

3污水溫度條件

烏魯木齊冬季污水溫度15～16℃，夏季污水溫度18～20℃。均滿足水源熱泵機(jī)組冬季與夏季水源溫度條件要求。

4熱泵主機(jī)配置

污水源熱泵主機(jī)選用上海富田空調(diào)高效能滿液式污水源熱泵機(jī)組。配置如下：

空調(diào)區(qū)：3臺(tái)Spring-MW-320A-1RT，制熱量1053kW，輸入功率231kW，熱水溫度45/40℃，制冷量1003kW，輸入功率155kW，冷水溫度12/7℃。

高區(qū)：2臺(tái)Spring-MW-210A-1NT，制熱量722kW，輸入功率156kW，熱水溫度45/40℃。

低區(qū)：2臺(tái)Spring-MW-340A-1NT，制熱量1163kW，輸入功率248kW，熱水溫度45/40℃。

5冷熱負(fù)荷

根據(jù)各部分的使用功能，該大樓各區(qū)域設(shè)計(jì)采暖制冷負(fù)荷見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)冷熱負(fù)荷一覽表

三 冬季采暖性能技術(shù)評(píng)價(jià)分析

1采暖運(yùn)行效果及費(fèi)用計(jì)算分析(2009～2010年第一個(gè)采暖期)

污水源熱泵系統(tǒng)配套設(shè)施于2010年2月份完工，因此，第一個(gè)采暖期測(cè)試從2010年2月28日～4月12日，共44d。測(cè)試結(jié)果為室內(nèi)采暖平均溫度為20℃，室內(nèi)逐時(shí)采暖溫度均在18℃以上，供暖保證率為100%。此段采暖期室外平均溫度為?0.6℃，采暖系統(tǒng)耗電229440kWh，采暖期室外平均溫度為?6.5℃。烏魯木齊地處嚴(yán)寒地區(qū)，采暖期從當(dāng)年10月15日至次年4月15日，共180d。總耗電量折合至整個(gè)采暖期為：

按烏魯木齊非居民照明用電價(jià)0.568元/kWh計(jì)算，采暖系統(tǒng)耗電電費(fèi)為680382元，另外該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有2臺(tái)800kVA變壓器，變損費(fèi)按照每月每臺(tái)26元/kVA計(jì)算共計(jì)249600元，則采暖期設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用和變損費(fèi)合計(jì)費(fèi)用為929982元，實(shí)際采暖面積為73695m2，則單位面積采暖費(fèi)用為12.7元/m2。

2采暖運(yùn)行數(shù)據(jù)及季節(jié)性能參數(shù)分析(2009～2010年第一個(gè)采暖期)

2010年3月6日～3月12日對(duì)該污水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行為期7d的運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試期間室外平均氣溫?6.4℃，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可看出，除低區(qū)建筑采暖熱負(fù)荷率較高外，空調(diào)區(qū)和高區(qū)采暖熱負(fù)荷率和熱泵機(jī)組滿負(fù)荷率均在50%以下(熱負(fù)荷率=平均制熱量/熱負(fù)荷)，均較低，說(shuō)明污水源熱泵采暖系統(tǒng)配置偏大，負(fù)荷調(diào)節(jié)余量充足。系統(tǒng)能效比在3.3～3.8，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，性能良好。

3采暖運(yùn)行效果及費(fèi)用計(jì)算分析(2010～2011年第二個(gè)采暖期)

按烏魯木齊市采用峰、谷、平電費(fèi)計(jì)算方法，以2010～2011年采暖季來(lái)計(jì)算，采暖季總耗電量為2675000kWh，其中峰電為809200kWh，平電為740620kWh，谷電為769960kWh；峰值電價(jià)為0.625元/kWh，平電價(jià)格為0.382元/kWh，谷電價(jià)格為0.139元/kWh。另外該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有2臺(tái)800kVA變壓器，變損費(fèi)按照每月每臺(tái)26元/kVA計(jì)算共計(jì)249600元，以此計(jì)算整個(gè)采暖季機(jī)組運(yùn)行電費(fèi)為：

表2 污水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

809200kWh×0.625元/kWh+740620kWh×0.382元/kWh+769960kWh×0.139元/kWh+249600元(變損費(fèi))=1145291.28元

則采暖期設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用和變損費(fèi)合計(jì)費(fèi)用為1145291.28元，大樓總建筑面積86091m2，刨去地下車庫(kù)及未使用部分(設(shè)置值班溫度)，實(shí)際采暖面積為73695m2，則單位面積采暖費(fèi)用為15.54元/m2。由于第二個(gè)采暖期是從10月至4月連續(xù)測(cè)試，較第一個(gè)采暖期數(shù)據(jù)完整，第一個(gè)采暖期測(cè)試已錯(cuò)過(guò)了冬季最嚴(yán)寒的時(shí)間(12月～次年1月)，因此，第二個(gè)采暖期單位面積采暖費(fèi)用更合理。

雖然實(shí)行峰、谷、平電價(jià)政策，但由于峰電時(shí)段用電量過(guò)大，導(dǎo)致電價(jià)偏高，采暖費(fèi)用比上一年未采用峰、谷、平收費(fèi)政策時(shí)反而有所增加。建議適當(dāng)控制機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，盡量在用電高峰時(shí)段降低機(jī)組功耗以減少運(yùn)行費(fèi)用。

4采暖運(yùn)行數(shù)據(jù)及季節(jié)性能參數(shù)分析(2010～2011年第二個(gè)采暖期)

2011年1月27日～2月2日對(duì)該污水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行為期7d的連續(xù)運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試期間室外平均氣溫?12.3℃，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 污水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

從表3可看出，測(cè)試期間為較寒冷的采暖時(shí)段，高區(qū)及低區(qū)熱泵的采暖熱負(fù)荷率均大于70%，說(shuō)明在室外溫度偏低的時(shí)段，機(jī)組配置得到較充分的利用。但空調(diào)區(qū)的熱負(fù)荷率僅為49%，參考上一年采暖季，空調(diào)區(qū)的熱負(fù)荷率也僅為43%，說(shuō)明空調(diào)熱泵機(jī)組在采暖季的運(yùn)行效率不高，系統(tǒng)配置偏大。系統(tǒng)能效比不高，僅為2.04～2.75，說(shuō)明在室外溫度較低的情況下，整個(gè)系統(tǒng)的采暖效率不高，系統(tǒng)耗電量偏大。

5建筑節(jié)能率分析

根據(jù)以上計(jì)算分析結(jié)果，該污水源熱泵采暖系統(tǒng)能效比按3.0計(jì)算，2009～2010年冬季采暖期間盈科廣場(chǎng)空調(diào)區(qū)、高區(qū)和低區(qū)總供熱量為：

Qr=1207446× 3.0=3622337kWh

單位面積熱負(fù)荷為：

根據(jù)《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》JGJ 26－95規(guī)定，烏魯木齊市采暖期室外平均溫度為?8.5℃，室內(nèi)平均計(jì)算溫度為18℃。2009～2010采暖期實(shí)際室內(nèi)溫度為20℃，室外平均溫度為6.5℃，折合至計(jì)算工況下，單位面積熱負(fù)荷為12.6W/m2，低于《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》JGJ 26－95規(guī)定的烏魯木齊市21.8W/m2(50%節(jié)能建筑)的建筑熱耗指標(biāo)。

6冬季采暖相關(guān)性分析

圖1為2011年1月27日～2月9日期間，室外環(huán)境溫度與機(jī)組日耗電量關(guān)系曲線。從圖中可知，室外溫度與機(jī)組日耗電量變化趨勢(shì)相反，即室外溫度上升，機(jī)組耗電量減?。皇彝鉁囟冉档?，機(jī)組耗電量增大，機(jī)組日耗電量在11～25MWh之間。

A座室內(nèi)溫度穩(wěn)定在16～25℃的范圍內(nèi)，但B座公寓樓在2月1日～2月11日期間溫度隨室外溫度上升反而有較明顯下降，查閱機(jī)組耗電量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)機(jī)組耗電量在2月1日～2月9日有較明顯的下降情況。

圖2為2011年1月18日～2月23日期間，B座公寓樓室內(nèi)平均溫度隨室外溫度的變化曲線。從圖中可看出室內(nèi)溫度與室外溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨室外溫度的上升室內(nèi)溫度略有下降。再配合圖2可看出，隨著室外溫度的上升，機(jī)組耗電量隨之下降，導(dǎo)致室內(nèi)溫度降低，正好可以解釋室外溫度上升而室內(nèi)溫度下降的原因。

圖2 B座室內(nèi)溫度與室外溫度相關(guān)性

圖3為2011年1月27日～2月9日期間，室內(nèi)平均溫度與機(jī)組日耗電量關(guān)系曲線。從圖中看出，室內(nèi)溫度與機(jī)組耗電量幾乎完全正相關(guān)，可得出如下結(jié)論：室內(nèi)溫度隨機(jī)組耗電量的增加而增加，隨機(jī)組耗電量的減小而降低。

圖4為2011年1月28日～2月4日期間，污水進(jìn)出水口溫差與供暖進(jìn)出水口溫差關(guān)系曲線。從圖中看出，污水進(jìn)出水口溫差與供暖進(jìn)出水口溫差顯示了較好的正相關(guān)性。

圖5 熱泵機(jī)組供暖出口溫度與A座室內(nèi)平均溫度相關(guān)性曲線

從圖5中看出，當(dāng)熱泵機(jī)組供暖出口溫度升高時(shí)(空1機(jī)組)，A座室內(nèi)溫度也隨之升高。2月1日機(jī)組供暖溫度下降，而A座室內(nèi)溫度卻保持不變。查看機(jī)組供暖溫度數(shù)據(jù)表后，得知當(dāng)時(shí)(空2機(jī)組)由于供暖溫度上升，使得A座室內(nèi)溫度沒(méi)有隨(空1機(jī)組)供暖溫度的下降而變化。

四 夏季制冷性能技術(shù)評(píng)價(jià)分析

盈科廣場(chǎng)污水源熱泵制冷系統(tǒng)于2010年6月1日～9月11日投入制冷運(yùn)行，其中6～9月份分別運(yùn)行13、26、22和9d，日均運(yùn)行時(shí)間為6.8、6.9、6.8和5.9h。

2010年6月1日～9月11日污水源熱泵系統(tǒng)投入制冷運(yùn)行期間，空調(diào)區(qū)建筑室內(nèi)溫度均低于26℃，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，制冷保證率為100%，制冷期技術(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 技術(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

由表4可看出：6月份系統(tǒng)處于間歇運(yùn)行狀態(tài)，部分非高溫天氣下熱泵機(jī)組停運(yùn)，造成6月份總運(yùn)行時(shí)間較少，運(yùn)行期間環(huán)境溫度普遍較高，故從計(jì)算結(jié)果看6月份平均制冷電功率較高，而實(shí)際上7月份熱泵制冷系統(tǒng)除陰雨天氣外均投入制冷運(yùn)行，該月運(yùn)行電功率最高，平均制冷電功率為155.9kW；系統(tǒng)夏季制冷費(fèi)用包括熱泵、循環(huán)泵等電機(jī)設(shè)備耗電費(fèi)用和變壓器變損費(fèi)用兩部分。由于該系統(tǒng)兩臺(tái)變壓器是按照盈科廣場(chǎng)高區(qū)、低區(qū)和空調(diào)區(qū)冬季制熱容量設(shè)計(jì)，雖然夏季制冷期間僅收取一臺(tái)變壓器變損費(fèi)用，但其變電容量余量仍較大，造成夏季制冷期間變損費(fèi)用比例較高，實(shí)際設(shè)備運(yùn)行電費(fèi)僅占運(yùn)行總費(fèi)用的29%；單位面積實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用為2. 84元/m2，考慮到變損費(fèi)用占比例較大，烏魯木齊市污水源熱泵系統(tǒng)的制冷期運(yùn)行費(fèi)用將在此基礎(chǔ)上有較大下降空間；制冷期未進(jìn)行能效比測(cè)試，考慮到此項(xiàng)目污水流量依據(jù)熱負(fù)荷設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)制冷模式而言污水量余量較大，另外熱泵機(jī)組制冷冷源設(shè)計(jì)溫度在30℃以上，而該項(xiàng)目夏季城市污水溫度不到20℃，依此推理制冷系統(tǒng)在夏季制冷模式下能效比水平較高。

五 結(jié)論與建議

從以上分析可看出，盈科廣場(chǎng)污水源熱泵示范項(xiàng)目的成功實(shí)施應(yīng)用，說(shuō)明城市原生污水和二級(jí)污水均可直接進(jìn)入熱泵機(jī)組進(jìn)行換熱，污水處理設(shè)備的合理化選用和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可解決污水源熱泵系統(tǒng)的種種技術(shù)難題，污水源熱泵技術(shù)在烏魯木齊市可行，應(yīng)用前景廣闊。但運(yùn)行中存在的問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)。比如污水沒(méi)有雨污分離，在短時(shí)間的降雨或融雪季節(jié)時(shí)，會(huì)造成大量泥沙進(jìn)入阻污機(jī)，造成阻污機(jī)不能正常運(yùn)行；大量其他污濁物也隨污水而來(lái)，取水口也易堵塞。建議在以后的推廣中，取水口的設(shè)計(jì)上要科學(xué)合理且實(shí)用，減少運(yùn)行中的人工清理；阻污機(jī)很關(guān)鍵，阻污機(jī)過(guò)濾孔過(guò)小運(yùn)行不能保證，過(guò)大造成熱泵主機(jī)壓力大，所以必須對(duì)污水污物進(jìn)行實(shí)際測(cè)試后確定阻污機(jī)過(guò)濾網(wǎng)開(kāi)孔大小；此類熱泵主機(jī)必須增加反沖。

[1] 蔣能照. 水源/地源/水環(huán)熱泵空調(diào)技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007: 1.

[2] 熱孜望. 坎吉 , 修強(qiáng)， 林閩, 等. 水源熱泵采暖系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J]. 可再生能源, 2011, 29(1): 137－139.