污水源熱泵供熱系統實際運行工況分析

王佳娜，廖吉香，馬慶艷

（1-國內貿易工程設計研究院，北京 100069；2-哈爾濱學院，黑龍江哈爾濱 150086）

污水源熱泵供熱系統實際運行工況分析

王佳娜*1，廖吉香2，馬慶艷2

（1-國內貿易工程設計研究院，北京 100069；2-哈爾濱學院，黑龍江哈爾濱 150086）

以哈爾濱市應用的某污水源熱泵為例，通過應用實際測試的方法，分析了污水熱能利用情況及系統供熱過程中熱泵機組的供熱性能。結果表明：在測試期間，室內外溫差很大的情況下，污水源熱泵仍能滿足供熱要求，具有良好的穩定性。熱泵機組的平均供熱性能系數為2.92。

污水源熱泵；熱泵機組；供熱性能

0 引言

東北寒冷地區供暖期長、能源消耗大。建筑供暖系統的熱源以燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、燃油鍋爐和熱化電站為主，一方面造成了能源的嚴重浪費，另一方面煤、石油、天然氣的燃燒排放出大量的CO2、SO2和粉塵等對環境有害的物質，造成了對生態環境的破壞[1]。建筑采暖節能已成為我國最關注的問題之一，因此，可再生能源利用成為目前研究的重點[2]。節能環保型供暖系統在東北寒冷地區的開發和應用將具有更加顯著的節能意義。

近幾年，熱泵供暖方式以其節能環保的優勢越來越受到人們的關注。它能把從低品位熱源吸收的熱量，全部轉化為有用的熱量，大大提高了采暖裝置的效率[3]。城市污水中所賦存的熱能便是一種公認的尚未有效開發和利用的清潔能源，利用熱泵技術可以回收城市污水中不能直接利用的低品位能量[4]。它具有冷熱量輸出穩定、COP值高、換熱效果好和機組結構緊湊等優點，是實現污水綜合利用的有效途徑[5]。污水中所含熱能為 5.6×108kcal，可相當于23×108kW的發電量或5×108m3的液化氣[6]。以城市原生污水作為熱泵的低位熱源具有很大優勢，但是由于受到國內水源熱泵技術及污水水質復雜、水溫較低等因素的限制，此應用技術方面的研究一直不多[7]。

東北寒冷地區的代表城市哈爾濱在污水源熱泵技術及其應用方面做過長時間的研究和探討。雖然存在流動阻塞和換熱等技術問題[8]，但對于原生污水源熱泵系統的研究也取得了一定的成果。本文對哈爾濱某商城的原生污水源熱泵供熱系統進行實際測試，得到在供熱過程中污水的溫度變化及熱能利用狀況和熱泵機組的運行參數等。

1 污水源熱泵供熱工況介紹

實驗系統為試驗房內安裝的一臺水源熱泵（型號：RHSBW600HS），系統如圖1所示。

測試時間為2012年11月10日到30日，累計運行時間 162 h。測試期間對污水源熱泵的整套系統進行全面測試。測試地點為哈爾濱某商城，總建筑面積達50,000 m2，地上兩層、地下一層，主要經營陶瓷。供暖性能試驗房間為第二層的一個房間。

測試參數包括：室內溫度tn和室外溫度tw；熱泵水源側進口溫度twg和出口溫度twh；熱泵用戶側進口溫度tg和出口溫度th；水源側水流量V1；用戶側水流量V2；熱泵耗電量Wn；用戶側循環水泵、水源側循環水泵和污水泵的累計耗電量W；風機盤管的累計耗電量Wo。

測試中，選取了供暖期間的某一天，從兩方面對整個污水源熱泵系統的供熱性能進行研究[9]，包括：考察污水源熱泵系統在整個供熱測試期間的整體供熱性能及熱泵機組的工作性能，以及考察一天中污水源熱泵系統各設備主要性能參數及熱泵機組的工作性能隨時間變化的規律。

圖1 污水源熱泵供暖系統圖

2 污水源熱泵應用測試結果分析

2.1 采暖能力測試結果

如果室外溫度有變化，供熱房間的熱負荷也必然發生變化，為達到房間所要求的供熱溫度，污水源熱泵系統的供熱量須與房間熱負荷一致。

2.1.1 整個供熱期間室內外溫度的變化

測試結果如圖2所示。

由圖2可以看出，在整個供暖期間，室外的平均溫度為-5.3 ℃，室內平均溫度為21.1 ℃，說明污水源熱泵供熱系統在寒冷的天氣下仍可以滿足房間的供暖要求。

圖2 室內外溫度變化

2.2.2 一天內室內外溫度的變化

圖3顯示了某一天室內外溫度的變化，可以看出室外溫度變化較大的情況下，室內溫度變化很平穩，仍舊維持在 21 ℃左右。這一天室內最大溫度變化幅度為 2.5 ℃，測試期間室外最大溫度變化幅度為 5.6 ℃。這表明污水源熱泵系統有較強的負荷調節能力，完全能滿足房間的供暖要求。

圖3 某一天室內外溫度(2012年11月20日)

2.2 供熱性能測試結果分析

2.2.1 污水源熱泵系統供熱量

系統的供熱量Qr為熱泵機組的供熱量。

式中：

Qr——熱泵機組的供熱量，kJ；

ρw——熱水的平均密度，kg/L；

Cw——熱水的平均比熱，kJ/(kg·℃)；

Vw——供熱熱水（用戶側）每日體積流量，L；

tg，th——用戶側的供回水溫度，℃。

系統日平均供熱量為：

式中：

QrP——熱泵機組的日平均供熱量，kW；

n ——日平均供熱時間，h；

tpg,tph——水源側進出口流體的日平均溫度，℃。

2.2.2 系統耗功量

系統耗功量包括壓縮機、污水水泵、水源側循環水泵及用戶側循環水泵和風機盤管耗電量，即為熱泵系統耗電的總和。

2.2.3 系統日平均供熱性能系數

式中：

Wc——壓縮機的日平均耗電量，kW；

Wp——污水水泵的日平均耗電量，kW；

Wwp——水源側循環水泵及用戶側循環水泵的日平均耗電量，kW；

Wf——風機盤管的日平均耗電量，kW。

圖4和圖5所示測試期間系統日平均供熱量、耗功量及系統日平均供熱性能系數的變化。由圖可見，系統日平均供熱量和系統日平均耗功量變化不大，整個測試期間系統平均供熱量為531.44 kW，平均耗功量為203.93 kW，平均供熱性能系數為2.61。可見機組運行穩定。

圖4 系統日平均供熱量和耗功量

圖5 系統日平均供熱性能系數

圖6和圖7顯示了某一天內，系統供熱量、耗功量及供熱性能系數隨時間的變化情況。由圖可見，系統耗功量、系統供熱量及供熱性能系數隨時間的變化均不大。全天的供熱量為6,980.30 kW·h，累計系統耗功量2,653.48 kW·h，系統平均供熱性能系數為2.63。

圖6 系統瞬時供熱量和耗功量(2012年11月20日)

圖7 系統瞬時供熱性能系數(2012年11月20日)

2.3 系統整體供熱工況實驗研究結論

1) 哈爾濱地區2012年11月10日至11月30日的室外平均溫度為-5.3 ℃，晝夜溫度變化幅度在8 ℃左右。

2) 測試期間哈爾濱地區冬季經過中介水和污水換熱后的水溫（熱源水水溫）在9.3 ℃～11.3 ℃之間變化，滿足供熱負荷的需求。表明污水源熱泵系統在寒冷的天氣條件下也可滿足建筑物供熱要求。

3) 在哈爾濱晝夜溫差為10.8 ℃的條件下，污水源熱泵系統仍能滿足建筑物的供熱負荷隨時間的變化要求，故有很好的負荷調節能力。

4) 在整個測試期間，污水源熱泵系統的耗功量、供熱量及供性能系數變化不大，且運行平穩，可進行長期工作。

5) 系統總平均供熱性能系數為2.63，具有較高的供熱系數，很節能。

3 熱泵機組性能的研究

該商城一般白天營業，故采用熱泵機組供暖，高效節能。商城總供熱面積為34,000 m2，總負荷為1,800 kW，采用RHSBW600HS型螺桿干式冷水（熱泵）機組，其制冷量為(116～1,372) kW。

3.1 熱泵機組日平均吸熱量、供熱量及耗功量

在忽略管道熱損失的情況下，機組冷凝器日平均放熱量就是系統的日平均供熱量，由公式(2)進行計算。

而機組蒸發器日平均吸熱量就是換熱盤管的日平均換熱量，由下式確定：

式中：

Q0—— 蒸發器日平均吸熱量，kW；

n——每日供熱時間，h；

ρ——換熱盤管內載冷劑的平均密度，kg/L；

Cc——換熱盤管內載冷劑的平均比熱，kJ/(kg·℃)；

Vc——流過換熱盤管的載冷劑每日體積流量，L；

Tzg，Tzh——蒸發器(水源側)進出口流體的溫度，℃。

圖8表示測試期間內蒸發器及冷凝器進出口流體平均溫度的變化情況。由圖可見，在供暖期間，蒸發器及冷凝器進出口流體的日平均溫度變化不明顯，其溫差也較恒定。冷凝器出口流體平均溫度為44.2 ℃，冷凝器進口流體平均溫度為39.4 ℃，蒸發器進出口流體平均溫度分別為10.1 ℃和3.4 ℃。

圖9為供暖期間熱泵機組的日平均吸熱量、供熱量及壓縮機日平均耗功量的變化情況。從圖中可以看出，熱泵機組的日平均吸熱量、供熱量及壓縮機日平均耗功量的變化很小，蒸發器平均吸熱量為446.56 kW，冷凝器平均供熱量為590.49 kW，壓縮機平均耗功量為143.93 kW。且每條曲線都很平緩，說明熱泵機組的工作性能很穩定，可以長期運行。

3.2 熱泵機組瞬時吸熱量、供熱量、耗功量及性能系數[4]

1）熱泵機組的瞬時吸熱量：

式中：

q0——熱泵機組瞬時吸熱量，kW；

Vc——換熱盤管內載冷劑的體積流量，L/h；

tzg，tzh——蒸發器水源側進出口流體溫度，℃。

2）熱泵機組的瞬時供熱量：

式中：

Qk——熱泵機組瞬時供熱量，kW；

Tk,i，tk,o——冷凝器進、出口流體溫度，℃。

3）機組的瞬時耗功量由電度表測出。

4）熱泵的供熱性能系數由下式計算：

式中：

ξh——熱泵性能系數；

Qk——熱泵瞬時供熱量，kW；

Whp——熱泵瞬時耗功量，kW。

圖10為供暖期間某一天內，蒸發器及冷凝器進出口流體溫度的變化情況。由圖可知，蒸發器進出口流體的平均溫差為 6.8 ℃，冷凝器進出口流體的平均溫差為 4.8 ℃。冷凝器進口平均溫度為39.1 ℃，冷凝器出口平均溫度為43.9 ℃；蒸發器進口平均溫度為 10.5 ℃，蒸發器出口平均溫度為3.8℃。曲線均較平緩，說明熱泵的工作性能穩定。

圖10 蒸發器、冷凝器進出液溫度及溫差（2012年11月20日)

圖11表明了在供暖時間某一天內，熱泵供熱量為7,755.83 kW·h，吸熱量為5,882.30 kW·h，熱泵機組耗功量為1,873.48 kW·h，熱泵耗功量隨時間的變化較小，瞬時供熱量和吸熱量變化也不大。

由圖12知熱泵的供熱性能系數變化甚微，且平均供熱性能系數為2.92。

圖11 熱泵供熱量、吸熱量及耗功量隨時間的變化(2012年11月20日)

圖12 熱泵機組供熱性能系數（2012年11月20日）

3.3 熱泵機組供熱工況實驗研究結論

1）在供暖測試期間，熱泵機組的平均吸熱量為451.85 kW，平均供熱量為595.90 kW，熱泵機組的平均耗功量為204.10 kW，熱泵機組的平均供熱性能系數為2.92。

2）在供暖期間的某一天內蒸發器的進出口流體溫度、冷凝器的進出口溫度、熱泵的平均吸熱量、平均供熱量及壓縮機的平均耗功量，隨時間的變化都不大，表明熱泵機組的工作性能穩定，適合長期運行。

4 結論

通過對污水源熱泵機組在哈爾濱地區的實際應用工程的實測分析，得到關于污水源熱泵在寒冷地區應用的供熱性能的數據資料。測試結果表明污水源熱泵在寒冷地區運行情況良好，適合長期應用；系統供熱性能良好，具有較高的供熱性能系數，系統具有良好的節能性和經濟性。

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Operating Performance Analysis on Heating System of Sewage Source Heat Pumps

WANG Jia-na*1,LIAO Ji-xiang2,MA Qing-yan2
(1-Internal trade engineering design and Research Institute,Beijing 100069,China;2-Harbin University,Harbin,Heilongjiang 150086,China)

Taking the sewage source heat pump applied in Harbin as an example,the utilization of sewage energy and the heating performance of heat pump unit during the system heating progress was analyzed by the actual test way.The results show that,at the test period and under the condition of large difference between indoor temperature and outdoor temperature,the sewage source heat pump still satisfy the heating quest and have a good stability.The average heating performance of the heat pump unit is 2.92.

Sewage source heat pump;Heat pump unit;Heating performance

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.204

*王佳娜（1980-），女，工程師，學士。研究方向：制冷與空調。聯系地址：北京市右安門外大街99號1105室，郵編：100069。聯系電話：010-83516747。E-mail：jianawang@126.com。