污水源熱泵在廣州火車站的應用可行性分析

汪 璽,鄧志輝,程 文

(1.西南交通大學機械工程學院,成都 610031； 2.中鐵八局集團建筑工程有限公司, 成都 611731)

隨著社會科技的發展,污水源熱泵技術日趨成熟,污水源熱泵利用污水能量,冬季提取污水低品位的熱能,通過熱泵系統,以消耗較少的電能將所取的低位熱能供給室內采暖,夏季把室內熱量取出,釋放到水中,以達到夏季空調的目的。利用污水源能量為建筑物供暖和空調具有重要的節能和環保意義[1-3],并且污水源熱泵技術在工程實際當中得到逐步的應用。

火車站一直作為能耗大戶存在,據北京、廣州等已營運的鐵路樞紐線路的統計數據,空調系統能耗約占鐵路車站建筑總能耗的50%[4],成為車站建筑的最大能耗。隨著國家節能減排政策的實施,降低鐵路運營能耗成為了關注的焦點,本文著重分析了污水源熱泵在廣州火車站應用的可行性和經濟性。

1 建筑概況及特征

1.1 建筑概況

廣州火車站共有4層,總建筑面積31 064 m2,一層主要為售票廳、進站大廳和候車室；二層主要為候車室；三層為辦公用房；四層為辦公用房和設備用房。

1.2 空調系統情況

廣州火車站空調面積為24 560 m2,夏季空調室內計算溫度為26～28 ℃,相對濕度為40%～65%,非中央空調面積為5 560 m2,其中票房空調系統為單獨空調系統；辦公用房采用吊裝空調機組和分體式空調機組；中央空調系統冷源為2臺相同規格的離心式冷水機組,每臺制冷量為3 059 kW,每臺機組配備一用一備2臺水泵,末端設備為風機盤管。夏季空調負荷峰值為3 192 kW,建筑冷負荷指標為120 W/m2,廣州火車站空調區域信息見表1。

表1 廣州火車站空調區域信息

2 污水源特性

2.1 污水源水溫

污水能量的可利用性主要取決于污水的溫度,污水源熱泵系統運行的經濟性和污水溫度具有很大的關系[5]。城市污水通常表現為水溫恒定,冬暖夏涼[6],夏季溫度較低的污水將制冷劑冷卻,將室內熱量釋放到污水當中,起到空調的作用,對廣州火車站污水井污水溫度進行連續3 d的實地測量,測量結果見圖1,其中廣州市全年污水溫度和室外平均溫度變化趨勢見圖2。

圖1 連續3 d污水溫度

圖2 全年污水月平均溫度

從圖1可以看出,污水井污水溫度連續3 d變化不大,維持在19 ℃,自來水溫度在21.5 ℃波動,從圖2可看出廣州市全年污水溫度和室外平均溫度變化趨勢,其中污水溫度在空調期內表現基本恒定。通過測試結果和相關調查數據,廣州火車站夏季污水溫度在22～26 ℃變化,和廣州夏季室外干球溫度相差7～10 ℃,可見該污水溫度可以滿足熱泵空調運行條件。

2.2 污水水質條件

通過對廣州火車站污水匯聚處污水井的現場觀測,水顏色為淺黃色,有較大尺寸的污雜物,是一種固液兩相,相多組分流體,呈現非牛頓特性。

污水的水質關系到污水處理成本的大小,污水源熱泵系統成功與否的關鍵因素之一。對污水水質的特點,在解決換熱器防堵塞、防腐蝕、防結垢清洗等關鍵技術問題的前提下,才能保證整個污水源熱泵系統的正常運行。通過對污水井的污水進行取樣化學分析,其PH值基本成中性,腐蝕性較低。另外火車站污水井污水中的懸浮物,油脂,生化需氧量(BOD),化學需氧量(COD)等指標均達到可作為熱泵水源的標準,具有利用的可行性。

2.3 污水水量

廣州火車站用水量較大,月平均在6萬m3左右,統計了廣州火車站逐月客流量和每月用水量,其中廣州火車站客流量見圖3,廣州火車站月用水量見圖4。

圖3 廣州火車站客流量

圖4 廣州火車站月用水量

擬合出廣州火車站每月用水量和客流人數非線性的數學關系式為

W=7.168x6-300.8x5+4 568x4-33 468x3+

(1)

(2)

式中，W為用水量,t;W1為污水量,t;x為客流量，萬人；τ為排污系數(取0.9)。

通過調查發現,廣州火車站每月用水量和客流人數成非線性關系的原因為廣州火車站的用水量大部分用在人員飲用,盥洗,少部分的用于洗浴,綠化,清掃等。用水量受到諸多因素的影響,而且用水量受客流量的影響較大。另外被帶走的水只占用水量的很少一部分,可以忽略不計,剩下的絕大部分用水被轉化為污水排放到污水井。取廣州火車站排污系數為0.9,即用水量的90%都轉化為火車站污水。

根據廣州室外氣象參數特點,假設5～11月份為空調期,在空調期內污水總量約為37萬t,平均每天污水量在2 000～2 600 t變化。

2.4 夏季污水制冷能力[7]

廣州火車站冬季不考慮采暖,只需考慮夏季空調,夏季相差溫度取為5 ℃,以污水量最少的5月份為參考,則最少可從污水提取冷量為

(3)

式中，Q為冷量；ρ為污水密度；c為比熱；W1為污水量：Δt為溫差，取為5 ℃。

熱泵性能系數取5(此系數參考某半封閉螺桿式污水源熱泵冷熱水機組的設計工況)，熱泵的總制冷功率為

(4)

式中，P為總制冷功率；COP為性能系數。

根據工程經驗,火車站建筑冷負荷指標K=120W/m2,可計算出廣州火車站采用污水源熱泵能提供的空調面積

(5)

式中，S為空調面積；K為建筑冷負荷指標，取為120W/m2。

所占中央空調區域面積比例為

(6)

式中，γ為比例；A為空調區域總面積。

通過計算出在空調期內采用污水源熱泵能提供的空調面積見圖5。

圖5 污水源熱泵不同月份提供的空調面積

從上可以看出：廣州火車站采用污水源熱泵最小能提供10 100 m2的空調面積,占整個中央空調區面積的53.15%；最大能提供13 200 m2的空調面積,占整個火車站中央空調區面積的69.47%。

3 經濟性分析

3.1 經濟評價方法[8]

污水源熱泵經濟性評價方法目前采用能源工程中最常用的2種方法：財務凈現值法和動態費用年值法。

王老師：當然也思考，但我不會把這種思考叫作“經驗研究”“行動研究”。經驗是有，但背后缺乏真正的研究；行動也有，但背后也只有總結。什么都叫研究的話，反而拉低了研究的層次。如果教師上完一堂課之后反思一下教學就叫研究，班會課后寫一份總結報告也能變成論文，那就失去研究的意義了。我并不反對思考、總結，但我反對把教師的思考和總結包裝成“學術論文”，甚至以指標的形式強迫教師發表。

(1)財務凈現值法

財務凈現值法是按照部門規定的標準收益率,將各年所發生的凈現金流量(即現金流入與流出之差),折算到建設期起始年的現金總和,當凈現值≥0時,表示該方案可行；當凈現值≤0時,該方案不宜采用。財務凈現值法計算公式為

(7)

式中，FNPV為凈現值，元；n為建設期與經濟壽命之和；Ct為第t年得流入現金與流出現金之差；i為標準收益率。

(2)費用年值法

(8)

式中，FA為按年動態法計算的年計算費用，元；N為設備種類數；Kj為編號為j的設備投資額，元；C為年運行費用；m為設備使用年限。

3.2 主要經濟技術指標[9]

(1)系統造價。為供暖、空調系統各部分造價之和,包括土建費、設備購置費、安裝費及其他費用(設計費、監理費和不可預見費),本文主要考慮設備費用。

(2)運行成本。為系統中各部分每年消耗的費用,包括水費、電費、燃料費、排污費、管理人員工資、管理費、設備折舊費和設備維修費等,本文計算只考慮電能費用。

3.3 計算參數

(1)選取廣州地區夏季室外氣象參數,其中空調期為180 d,每天供冷12 h。

(2)空調面積為10 100 m2,冷負荷為1.12×103kW。

(3)空調系統產生的效益按空調收費標準為23元/(m2·年)計算[10]。

(4)設備運行20年。

(5)相關參數見表2和表3。

表2 部分主要設備投資

表3 系統燃料價格和能耗性能選取參考值

3.4 計算結果

污水源熱泵系統和離心式冷水機系統造價及其凈現值見表4。

表4 兩種系統造價及凈現值 萬元

污水源熱泵系統和離心式冷水機系統年固定費用、年運行費用、費用年值見表5。

表5 兩種系統年固定費用、年運行費用、費用年值 萬元

可得出污水源熱泵相對于離心式冷水機組的資金回收期為

(9)

4 計算結果分析

(1)從表2可以看出污水源熱泵系統主機造價高,但是由于污水源熱泵不需要專門冷卻設備,因此相對于離心式冷水機組可以節省冷卻塔的投資。

(2)從表3可以看出污水源熱泵性能系數遠高于離心式冷水機組,具有較高的性能和較低的能耗。

(3)從表4、表5可以看出污水源熱泵初投資高于離心式冷水機組,但費用年值卻低于離心式冷水機組,并計算出投資回收期為3.98年。投資回收期相對較長的原因是由于廣州火車站只有單一制冷工況,不能享受到污水源熱泵一機兩用所節省的初投資和運行費用,不過考慮到污水源熱泵的節能效益和環保效益,污水源熱泵仍然具有很強的經濟競爭力。

5 結論

(1)采用污水源熱泵最少能滿足廣州火車站53.13%中央空調區的夏季空調要求,在污水量充足的10月份該比例能達到69.47%。

(2)按照文中給出的計算條件和能源價格,從動態費用年值來看,污水源熱泵低于現有的離心式冷水機組,并且計算出采用污水源熱泵相對于離心式冷水機的投資回收期為3.98年,在當前較高的電價下,具有很強的經濟競爭力。

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