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(zhǎng)春 130118)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，人們的生活水平日益提高，截止至2018年，我國(guó)人均GDP已達(dá)中等偏上收入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]。伴隨而來(lái)的是對(duì)于能源的消耗也日益增長(zhǎng)。目前，我國(guó)面臨著能源安全的危機(jī)以及環(huán)境遭受污染的風(fēng)險(xiǎn)。有報(bào)告指出，相較于其他國(guó)家發(fā)達(dá)城市，2016年我國(guó)城市在冷熱源選擇及消耗上對(duì)于煤炭這種不可再生能源的使用比例較高，這也說(shuō)明我國(guó)城市的環(huán)境問(wèn)題極為嚴(yán)峻。2017年全國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)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(guó)北方地區(qū)冬季主要通過(guò)煤炭、天然氣等燃料燃燒實(shí)現(xiàn)供暖，而這些傳統(tǒng)能源大多屬于不可再生資源，無(wú)論是開(kāi)采還是使用都會(huì)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(shì)在必行。作為一種廢熱的城市原生污水有著一系列優(yōu)點(diǎn)，例如便于收集、自身蘊(yùn)含熱能較高、水量水溫相對(duì)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(guó)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(guò)的污水以及二級(jí)出水或中水作為熱源使用[4]。我國(guó)相較于國(guó)外起步較晚，2000年首例污水源熱泵實(shí)驗(yàn)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(shí)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(diǎn)，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(guò)對(duì)長(zhǎng)春市春宜賓館污水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(shí)例介紹

此工程為在長(zhǎng)春市春誼賓館運(yùn)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(guò)對(duì)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(jiàn)表1。

表1 建筑能耗指標(biāo)

2 系統(tǒng)能效比計(jì)算

《水源熱泵機(jī)組》[7]提出通過(guò)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(guò)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(jì)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(guò)對(duì)用戶側(cè)及污水側(cè)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(shì)，可知在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中期賓館旅客對(duì)于房間制冷的需求減小，在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)后期隨著賓館旅客對(duì)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(kāi)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(guò)對(duì)夏季制冷期的上述數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及計(jì)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(shí)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(guò)對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(guò)對(duì)整個(gè)冬季制冷工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)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。可以看出系統(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 ℃。可以得出該系統(tǒng)在冬季供暖工況下溫度差值浮動(dòng)較小,因此可以滿足用戶對(duì)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(shí)間的變化圖

3 系統(tǒng)節(jié)能性

通過(guò)系統(tǒng)節(jié)能的量值和效率兩個(gè)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)與集中供熱+水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)節(jié)能效率進(jìn)行對(duì)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(lái)進(jìn)行綜合對(duì)比。

3.1 污水源熱泵系統(tǒng)能耗計(jì)算

供暖季污水源熱泵系統(tǒng)年制熱總能耗計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算

供暖季集中供熱+水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)制熱總能耗計(jì)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(jì)熱負(fù)荷/kWh；

ηch——熱源為集中供熱時(shí)的運(yùn)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(jì)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(jì)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(guò)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(guò)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(duì)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(jì)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(guò)將數(shù)據(jù)代入上式進(jìn)行計(jì)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(jì)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(duì)以長(zhǎng)春市原生污水為熱泵冷熱源的污水源熱泵系統(tǒng)為對(duì)象并加以研究。通過(guò)對(duì)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(duì)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(shuō)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(shí)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。