石家莊市某住宅小區中水源熱泵供熱系統應用與分析

崔明輝，劉 萌，王 欣

（河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050018）

石家莊市某住宅小區于2013－11－15供暖，供暖面積31萬m2。為緩解市區的供暖壓力，小區采用中水源熱泵供熱系統為用戶供暖。小區的中水源熱泵系統利用石家莊市橋東污水廠處理的中水內的低位熱能資源，通過熱泵輸入少量高品位電能把低位熱能轉化成高位熱能實現對小區的供暖。2014－03－15結束供暖，整個供暖季中水熱泵機組運行良好，滿足了小區的供暖需求，極大地緩解了市區的供暖壓力。

1 熱泵機組的運行環境

1.1 中水水量及水質

石家莊市橋東污水處理廠現處理污水量為50萬m3／d且中水水質達到2級及以上標準［1］。

1.2 中水水溫

圖1是典型日2014－01－10—2014－02－10的中水平均水溫，由安裝在首站的測溫裝置測得。

圖1 2014年1—2月中水水溫Fig.1 Temperature of reclaimed water in January and February 2014

由圖1看出中水水溫在17.40～18.20℃波動。中水平均溫度為17.68℃。溫度比地下水、河水、湖水高［2－4］。中水水溫適宜，使得進入蒸發器的溫度較高，供熱效果提高［5－6］。

通過對中水水質及水溫分析得出：

1）中水水質良好；

2）中水水溫適宜。

熱泵機組在本采暖季的運行環境是良好的。

2 熱泵機房概況

2.1 熱泵機房原理圖（見圖2）

圖2 中水源熱泵系統原理簡圖Fig.2 Principle of reclaimed water heat pump system

2.2 熱泵機組概況

本小區采用分區供暖，分為低、中、高3區。機組采用螺桿式水源熱泵，規格見表1。

表1 熱泵型號Tab.1 Heat pump specification

3 熱泵機組運行

3.1 運行現狀

選取典型日（2014－01－17—2014－01－25）的機組運行日平均值，以觀察機組的運行情況，見圖3—圖9。

圖3 1＃中水源熱泵機組運行參數Fig.3 Operation parameters of 1＃reclaimed water heat pump system

圖4 2＃中水源熱泵機組運行參數Fig.4 Operation parameters of 2＃water heat pump system

圖6 4＃中水源熱泵機組運行參數Fig.6 Operation parameters of 4＃reclaimed water heat pump system

圖7 5＃中水源熱泵機組運行參數Fig.7 Operation parameters of 5＃reclaimed water heat pump system

圖8 6＃中水源熱泵機組運行參數Fig.8 Operation parameters of 6＃reclaimed water heat pump system

圖9 7＃中水源熱泵機組運行參數Fig.9 Operation parameters of 7＃reclaimed water heat pump system

分析熱泵機組的運行參數，將9個典型日數據總平均值列于表2。

表2 熱泵機組的運行數據Tab.2 Operation parameters of heat pumps

3.2 運行分析

1）機組運行分析

從以上機組的運行狀況可以看出，在以上幾個典型日的運行情況下機組運行整體比較平穩，但6＃機組蒸發器進出口水溫波動大，機組流量不穩。在這9 天典型日里，蒸發器進出水平均溫差為6.46℃；冷凝器進出水平均溫差為7.05℃。熱泵樣本蒸發器進出水溫度為15／7 ℃，冷凝器進出水溫度為40／45 ℃。可以看出7臺熱泵機組蒸發器進出水溫差偏小。

2）機組之間的水力平衡分析

式中：Q為熱負荷，W；C為水的比熱容，C＝4.168kJ／（kg·℃）；ΔT為供、回水溫差，℃。

根據式（1），在負荷一定的情況下，溫差與流量是成反比的［7－8］。各個機組沿程阻力與機組內局部阻力大小不一樣，是否會產生機組間的水力失調［9－10］，對機組的運行產生何種影響。由于無熱泵實際制熱量數據，選取熱泵的額定制熱量與蒸發器進出水溫差做個比較，如圖10所示。

圖10 中水源熱泵額定制熱量與蒸發器進出水溫差的關系Fig.10 Relationship between rated heating capacity of reclaimed water heat pump and inflow and effluent temperature difference of the vaporator

從圖10可以看出3＃，5＃機組負荷相同，但溫差卻不同。因此5＃機組流量明顯偏大，3＃，5＃機組水力失調嚴重（結論的得出建立在3＃，5＃機組滿負荷運行，無任何故障的情況下，查閱運行記錄，3＃，5＃機組滿負荷運行，并無異常）。對于多臺機組并聯的水力平衡是經常被大家忽視的，使得提升泵輸送的流量分配不能最優，造成能量浪費甚至致使熱泵機組無法在最優狀態下運行。

3.3 問題的產生及改善措施

1）為分析蒸發器進出水溫差普遍偏低產生的原因，于2013－11－15—2013－12－10 通過首站的流 量 計量裝置得到總流量為806 637t（折合1 292.69t／h），而進入機房的管道設計流量為1 125t／h，可知實際流量明顯高于設計流量，導致蒸發器進出水流量大、溫差偏低。實際流量明顯高于設計流量增加了中水提升泵的能耗。首站采用的是變頻式中水提升泵，可以改變運行方式，降低頻率，達到減少流量降低中水提升泵能耗的目的。

2）對于3＃，5＃機組出現水力失調問題，在今后的運行中，可以適當關小5＃機組進入蒸發器的閥門，以消除機組間的水力失調，使各個機組都處于額定運行狀態。

4 效益分析

4.1 經濟效益分析

本次分析基于中水源熱泵系統的直接成本，其供暖季的耗電量見圖11。

圖11 2013年－2014年供暖季石家莊市某住宅小區機房耗電量Fig.11 Power consumption of the engine room in a housing estate in Shijiazhuang City（2013－2014）

圖11為熱泵機房在2013年—2014年供暖季的耗電量情況，總耗電量為5 433 750kW·h。熱泵機組的耗電量為4 909 734kW·h。本采暖季熱泵機組的單位面積電耗為15.84kW·h／m2。根據當地政策，計費可按民用電價0.52元／（kW·h），再加上人員費用及維護費用，得出單位面積成本8.55元。

4.2 節能效益分析

該小區采暖面積為31萬m2，熱指標為45 W／m2，根據計算供暖季平均熱指標為31.75 W／m2，供暖天數為120d，24h 運行，熱泵能效比COP 為4.0。由《可再生能源建筑應用示范項目測評導則》選取燃煤鍋爐作為比較對象，鍋爐效率取68%。電能與一次能源的轉換率取為0.31，每kg 標準煤的低位發熱量為29 306kJ。

式中：B為供暖耗煤量，t；S為建筑采暖面積，m2；q為采暖熱指標，W／m2；η為效率，%；Q為每kg標準煤的低位發熱量，kJ。

根據式（1）和式（2），可知節煤量J為2 312.6t。

4.3 環境效益分析

中水源熱泵系統每個采暖季可節約2 312.6t標準煤。根據《可再生能源建筑應用示范項目測評導則》，由公式QCO2＝2.47Qbm，可知，一個采暖季可減 少CO2排 放 量5 712.12t；由 公 式QSO2＝0.02Qbm，得到一個采暖季可減少SO2排放量46.25 t；由QFC＝0.01Qbm可知一個采暖季可減少粉塵排放23.13t。

5 結 論

1）中水源熱泵機組在本供暖季的直接成本僅為8.55元／m2，經濟效益顯著。

2）中水源熱泵系統的節能效益明顯，在整個供暖季節煤量為2 312.6t。

3）中水源熱泵系統的環保效益突出，整個供暖季減少CO2排放量5 712.12t；減少SO2排放量46.25t；減少粉塵排放23.13t。

4）中水源熱泵機組在整個供暖季的運行環境和運行效果是比較理想的，不僅滿足了末端用戶的供熱需求，而且經濟效益、節能效益及環境效益顯著。在供熱現狀緊張和環境狀況惡化的今天，中水源熱泵機組經濟實用，在靠近中水源的建筑供熱系統中應大力推廣。

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