烏魯木齊盈科廣場污水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟分析

新疆維吾爾自治區(qū)新能源研究所 ■ 張艷紅 林 閩 修 強

烏魯木齊市建設(shè)委員會 ■ 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寒地區(qū)，冬季采暖時間長，建筑保溫隔熱性能差，使得建筑供暖負荷巨大。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，相應(yīng)的檢測設(shè)備較完善，經(jīng)清潔能源建筑應(yīng)用專家委員會研究決定，地源熱泵建筑應(yīng)用示范項目建設(shè)單位委托新疆維吾爾自治區(qū)新能源研究所作為項目跟蹤檢測單位，并對示范項目做技術(shù)經(jīng)濟分析。2009年，烏魯木齊市盈科廣場污水源熱泵項目被列為國家可再生能源示范項目及烏魯木齊市地源熱泵示范項目。該項目是西北地區(qū)熱泵技術(shù)應(yīng)用中將原生污水直接進機組的首個案例，也是國內(nèi)單體建筑應(yīng)用該技術(shù)規(guī)模最大的項目。

二 示范工程的基本情況

1工程概況

本工程項目為新疆盈科房地產(chǎn)開發(fā)有限公司的“盈科廣場”，位于烏魯木齊市北京路高新區(qū)高新街217號。項目總建筑面積約8.6萬m2，可再生能源投資1000萬元，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。熱泵機組主要設(shè)備設(shè)置在盈科廣場，機房建筑面積為180m2。

2污水流量情況

經(jīng)實地勘察北京路污水管管徑D為1200mm。污水流量經(jīng)實測，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℃。均滿足水源熱泵機組冬季與夏季水源溫度條件要求。

4熱泵主機配置

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

空調(diào)區(qū)：3臺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Spring-MW-210A-1NT，制熱量722kW，輸入功率156kW，熱水溫度45/40℃。

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

5冷熱負荷

根據(jù)各部分的使用功能，該大樓各區(qū)域設(shè)計采暖制冷負荷見表1。

表1 設(shè)計冷熱負荷一覽表

三 冬季采暖性能技術(shù)評價分析

1采暖運行效果及費用計算分析(2009～2010年第一個采暖期)

污水源熱泵系統(tǒng)配套設(shè)施于2010年2月份完工，因此，第一個采暖期測試從2010年2月28日～4月12日，共44d。測試結(jié)果為室內(nèi)采暖平均溫度為20℃，室內(nèi)逐時采暖溫度均在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℃。烏魯木齊地處嚴寒地區(qū)，采暖期從當年10月15日至次年4月15日，共180d。總耗電量折合至整個采暖期為：

按烏魯木齊非居民照明用電價0.568元/kWh計算，采暖系統(tǒng)耗電電費為680382元，另外該系統(tǒng)設(shè)計有2臺800kVA變壓器，變損費按照每月每臺26元/kVA計算共計249600元，則采暖期設(shè)備運行費用和變損費合計費用為929982元，實際采暖面積為73695m2，則單位面積采暖費用為12.7元/m2。

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

2010年3月6日～3月12日對該污水源熱泵系統(tǒng)進行為期7d的運行測試，測試期間室外平均氣溫?6.4℃，測試結(jié)果見表2。

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

3采暖運行效果及費用計算分析(2010～2011年第二個采暖期)

按烏魯木齊市采用峰、谷、平電費計算方法，以2010～2011年采暖季來計算，采暖季總耗電量為2675000kWh，其中峰電為809200kWh，平電為740620kWh，谷電為769960kWh；峰值電價為0.625元/kWh，平電價格為0.382元/kWh，谷電價格為0.139元/kWh。另外該系統(tǒng)設(shè)計有2臺800kVA變壓器，變損費按照每月每臺26元/kVA計算共計249600元，以此計算整個采暖季機組運行電費為：

表2 污水源熱泵系統(tǒng)運行測試

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

則采暖期設(shè)備運行費用和變損費合計費用為1145291.28元，大樓總建筑面積86091m2，刨去地下車庫及未使用部分(設(shè)置值班溫度)，實際采暖面積為73695m2，則單位面積采暖費用為15.54元/m2。由于第二個采暖期是從10月至4月連續(xù)測試，較第一個采暖期數(shù)據(jù)完整，第一個采暖期測試已錯過了冬季最嚴寒的時間(12月～次年1月)，因此，第二個采暖期單位面積采暖費用更合理。

雖然實行峰、谷、平電價政策，但由于峰電時段用電量過大，導(dǎo)致電價偏高，采暖費用比上一年未采用峰、谷、平收費政策時反而有所增加。建議適當控制機組運行時間，盡量在用電高峰時段降低機組功耗以減少運行費用。

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

2011年1月27日～2月2日對該污水源熱泵系統(tǒng)進行為期7d的連續(xù)運行測試，測試期間室外平均氣溫?12.3℃，測試結(jié)果見表3。

表3 污水源熱泵系統(tǒng)運行測試

從表3可看出，測試期間為較寒冷的采暖時段，高區(qū)及低區(qū)熱泵的采暖熱負荷率均大于70%，說明在室外溫度偏低的時段，機組配置得到較充分的利用。但空調(diào)區(qū)的熱負荷率僅為49%，參考上一年采暖季，空調(diào)區(qū)的熱負荷率也僅為43%，說明空調(diào)熱泵機組在采暖季的運行效率不高，系統(tǒng)配置偏大。系統(tǒng)能效比不高，僅為2.04～2.75，說明在室外溫度較低的情況下，整個系統(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)以上計算分析結(jié)果，該污水源熱泵采暖系統(tǒng)能效比按3.0計算，2009～2010年冬季采暖期間盈科廣場空調(diào)區(qū)、高區(qū)和低區(qū)總供熱量為：

Qr=1207446× 3.0=3622337kWh

單位面積熱負荷為：

根據(jù)《民用建筑節(jié)能設(shè)計標準(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)平均計算溫度為18℃。2009～2010采暖期實際室內(nèi)溫度為20℃，室外平均溫度為6.5℃，折合至計算工況下，單位面積熱負荷為12.6W/m2，低于《民用建筑節(jié)能設(shè)計標準(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。

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)境溫度與機組日耗電量關(guān)系曲線。從圖中可知，室外溫度與機組日耗電量變化趨勢相反，即室外溫度上升，機組耗電量減小；室外溫度降低，機組耗電量增大，機組日耗電量在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，查閱機組耗電量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)機組耗電量在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)平均溫度與機組日耗電量關(guān)系曲線。從圖中看出，室內(nèi)溫度與機組耗電量幾乎完全正相關(guān)，可得出如下結(jié)論：室內(nèi)溫度隨機組耗電量的增加而增加，隨機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，污水進出水口溫差與供暖進出水口溫差關(guān)系曲線。從圖中看出，污水進出水口溫差與供暖進出水口溫差顯示了較好的正相關(guān)性。

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

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

四 夏季制冷性能技術(shù)評價分析

盈科廣場污水源熱泵制冷系統(tǒng)于2010年6月1日～9月11日投入制冷運行，其中6～9月份分別運行13、26、22和9d，日均運行時間為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)投入制冷運行期間，空調(diào)區(qū)建筑室內(nèi)溫度均低于26℃，達到設(shè)計要求，制冷保證率為100%，制冷期技術(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表4。

表4 技術(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)

由表4可看出：6月份系統(tǒng)處于間歇運行狀態(tài)，部分非高溫天氣下熱泵機組停運，造成6月份總運行時間較少，運行期間環(huán)境溫度普遍較高，故從計算結(jié)果看6月份平均制冷電功率較高，而實際上7月份熱泵制冷系統(tǒng)除陰雨天氣外均投入制冷運行，該月運行電功率最高，平均制冷電功率為155.9kW；系統(tǒng)夏季制冷費用包括熱泵、循環(huán)泵等電機設(shè)備耗電費用和變壓器變損費用兩部分。由于該系統(tǒng)兩臺變壓器是按照盈科廣場高區(qū)、低區(qū)和空調(diào)區(qū)冬季制熱容量設(shè)計，雖然夏季制冷期間僅收取一臺變壓器變損費用，但其變電容量余量仍較大，造成夏季制冷期間變損費用比例較高，實際設(shè)備運行電費僅占運行總費用的29%；單位面積實際運行費用為2. 84元/m2，考慮到變損費用占比例較大，烏魯木齊市污水源熱泵系統(tǒng)的制冷期運行費用將在此基礎(chǔ)上有較大下降空間；制冷期未進行能效比測試，考慮到此項目污水流量依據(jù)熱負荷設(shè)計，對系統(tǒng)制冷模式而言污水量余量較大，另外熱泵機組制冷冷源設(shè)計溫度在30℃以上，而該項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，盈科廣場污水源熱泵示范項目的成功實施應(yīng)用，說明城市原生污水和二級污水均可直接進入熱泵機組進行換熱，污水處理設(shè)備的合理化選用和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，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。但運行中存在的問題也逐漸暴露出來。比如污水沒有雨污分離，在短時間的降雨或融雪季節(jié)時，會造成大量泥沙進入阻污機，造成阻污機不能正常運行；大量其他污濁物也隨污水而來，取水口也易堵塞。建議在以后的推廣中，取水口的設(shè)計上要科學(xué)合理且實用，減少運行中的人工清理；阻污機很關(guān)鍵，阻污機過濾孔過小運行不能保證，過大造成熱泵主機壓力大，所以必須對污水污物進行實際測試后確定阻污機過濾網(wǎng)開孔大小；此類熱泵主機必須增加反沖。

[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: 機械工業(yè)出版社, 2007: 1.

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