污水熱利用的供需側負荷動態匹配

蔡曉磊，林真國，于祥雷，唐建平

(重慶大學 城市建設與環境工程學院；三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶 400045)

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污水熱利用的供需側負荷動態匹配

蔡曉磊，林真國，于祥雷，唐建平

(重慶大學 城市建設與環境工程學院；三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶 400045)

對重慶某三級污水管網的流量動態特性、溫度動態特性進行了分析，對某商場建筑的全年負荷進行了模擬。在此基礎上，比較了商場建筑日峰值排熱量與污水平均載熱量的相對大小，找出最不利流量及其與建筑需求側的差額。為了充分、合理的利用城市污水冷熱資源，探索在污水流量不利工況下城市污水與城市建筑負荷之間的供需匹配方法，采用復合式系統彌補全年污水最不利流量時段污水平均載熱量與建筑負荷的差值，并針對復合式系統提出了負荷分擔原則及控制策略。

污水熱利用；動態特性；欠流量；復合式系統；匹配

城市生活污水是一種良好的低品位冷熱資源。近年來，國內外對于污水冷熱資源利用的研究大多圍繞污水源熱泵工程應用技術或設備研發展開。如污水的取水及退水方式、污水過濾器的防腐與防堵、污水換熱器的污垢形成與強化傳熱、污水源熱泵應用的可行性與節能效益評價等等[1-7]。對于城市污水冷熱資源排放與建筑冷熱負荷需求匹配的研究涉及較少。

城市污水中賦存的冷熱量是巨大的，文獻[8]從城市宏觀尺度定量計算了城市污水中賦存的冷熱量以及可以利用的冷熱量。目前污水源熱泵系統的實際工程和設計思想多是基于這種宏觀的定量計算[7, 9-10]，即在污水最小流量和冬夏季計算溫差下，污水可利用容量需要滿足建筑最大的冷(熱)負荷，忽略了具體工程應用時污水的流量、溫度等特性[11]與城市尺度下差異。在一個城市中，污水總量很大，而污水分布是不均衡的，一棟建筑可以利用的部分也是有限的。這種地域上的不均衡性和污水本身的動態特性是污水源熱泵系統在推廣和應用過程中需要考慮的。為充分、合理的利用城市污水冷熱資源，提高污水源熱泵系統的可靠性，本文基于動態的思想，探索了在污水流量不利的工況下城市污水與城市建筑負荷之間的供需匹配方法，并提出了負荷分擔原則及控制策略。

1 污水的動態特性

污水中攜帶的冷熱量主要通過流量和溫度表現出來，其中流量顯示出污水冷熱量“量”的特點，而溫度則可評判污水“質”的好壞。

1.1 污水的流量動態特性

城市生活污水量通常取決于城市生活用水量。由于城市居民生活的規律性導致用水量變化具有一定的規律性，從短期內用水量變化具有周期性，長時間看它又具有逐年增長的趨勢。城市生活污水量與城市生活用水量一樣逐月逐時變化，一年之內冬季和夏季不同，一日之中白天和夜晚也不一樣，即使在同1 h內污水流量也是恒定不變的。污水管網內污水流量的變化程度與管網內流量的大小有關，污水流量越大變化幅度越小，變化系數也越小，反之則越大[12]。不同類型的污水管網在流量變化規律上存在一定的差異。

污水流量在一小時內可以認為是均勻的[13]。如果將管網內污水逐時流量與該日平均污水流量的比值定義為小時流量系數，就可以通過該系數看出管網內污水流量在1 d內的波動程度。文獻[12]通過調研測試給出了3個不同規模污水管網的小時流量系數，具體見圖1。

圖1中1級污水管網主要指的是城市污水主干管(比如流入污水處理廠的污水管)，2級污水管網對應于城市污水干管，3級污水管網對應于城市污水支管(比如單個小區的污水排出管道)。圖1可以看出，污水管網越大，污水流量在1 d內逐時波動越小，污水管網越小，污水流量在1 d內波動越劇烈；3種管網的波動曲線都顯示晚上管網內污水流量相對較少。

圖1 3個不同規模污水管網的小時流量系數Fig.1 The hour flow coefficient of the three different scale sewage pipe

在不考慮氣候突變前提下，城市生活污水流量日與日之間變化不明顯，但日變化的長時間累加可能導致污水流量的明顯變化。工程應用中常假定每月內日流量相同，而在月間出現差異，這與通常采用的按月統計相適應。實際上以月為周期，氣候變化并不明顯，污水流量基本穩定。如果將管網內污水逐月流量與1 a內月平均污水流量的比值定義為月流量系數，就可以通過月流量系數看出管網內污水流量在1 a內月與月之間的波動程度。文獻[14]通過調研測試給出了3個不同規模污水管網的月流量系數，具體見圖2。

圖2 3個不同規模污水管網的小時流量系數Fig.2 The hour flow coefficient of the three different scale sewage pipe

從圖2可以看出，污水管網越大，污水流量在1 a內逐時波動越小，污水管網越小，污水流量在1 a內波動越劇烈；另外，3種管網內污水流量都是冬天少，夏天較多。

1.2 污水的溫度動態特性

溫度是城市生活污水冷熱資源的關鍵因素，是換熱工況設計的重要參數，直接影響系統投資與運行能耗，關系到熱泵系統使用的經濟性和節能性，因此污水冷熱資源建筑應用必須考察污水的溫度情況。圖3是重慶市全年污水、空氣及地表江水的溫度變化情況，污水各月平均溫度為14～25℃，空氣全年各月平均溫度為8～29℃，地表江水溫度各月平均溫度為13～28℃。從整體上看城市生活污水全年溫度均在10～25℃左右，并且差別并不大，是理想的低溫熱源與熱匯。

圖3 重慶市污水與環境溫度全年變化曲線Fig.3 Annual temperature changes of sewage and outside surroundings in ChongQing

1.3 污水冷熱量的動態特性

污水冷熱量的波動主要受污水流量和污水被利用前后的溫差影響，具體見式(1)、(2)。

QL=C·m·Δtl

(1)

QR=C·m·Δtr

(2)

式中：QL、QR為污水冷熱容量，kW；C為污水定壓比熱，可近似取4.187kJ/kg.℃；m為污水質量流量，kg/s；Δtl、Δtr為制冷、制熱工況下污水被利用前后的溫差，℃。

污水被利用后的溫度通常要滿足污水處理廠對污水溫度要求，文獻[14]指出只要控制污水使用后溫度在8～40℃范圍內，就不會對污水處理工藝產生負面影響，因此，理論上Δtl、Δtr分別為40-tw、tw-8；由于污水溫度tw是波動變化的，因此理論上的Δtl和Δtr也是波動變化的。實際工程中綜合了技術及經濟因素，通常取Δtl和Δtr為5℃，則污水冷熱量的波動只受污水流量的影響，污水溫度的變化只是影響了冷熱源系統中的溫度參數。

2 建筑負荷的動態特性

空調的負荷特性和建筑物的類型有很大關系，每一類建筑其負荷波動性都不一樣；從目前利用污水源熱泵的項目可以看出，污水源熱泵大都應用于辦公及商業等公共類建筑[10, 15-16]。商場作為一種典型的建筑，其空調負荷全年有明顯的波動性。本文基于文獻[17]對重慶地區商場建筑的調查情況，建立了一棟典型商場建筑模型。對于商場建筑，由于圍護結構負荷占的比重較小，導致冬季熱負荷較小甚至出現冷負荷的情況，因此本文只考慮夏季商場冷負荷特性，利用DEST模擬軟件模擬5～10月空調冷負荷；最熱月典型日(8月3日)建筑負荷分布見圖4，峰值冷負荷見圖5。

圖4 最熱月典型日(8月3日)空調冷負荷分布圖Fig.4 Distribution of cold load in typical day in hottest month

圖5 5月—10月建筑日峰值排熱量與污水平均載熱量分布圖Fig.5 Distribution of peak cold load in building and the mean heat carried by sewage from May to October

從圖5可以看出夏季峰值冷負荷波動較大，最大值僅出現在七八月的某幾天，大部分時間的空調負荷都遠小于最大負荷，將所有峰值負荷進行統計得出低于最大負荷的80%的天數高達總天數的70%。圖4顯示最熱月典型日(8月3日)空調負荷最大值出現在下午15∶00左右，此時人員密度較大，室外溫度較高導致新風負荷也較大。從負荷波動的角度可以看出，峰谷差異可以達到3倍；另外，當日60%以上的時間空調的部分負荷率都低于80%，由此可見，空調負荷在制冷季及一天內大都處于部分負荷狀態。

3 供需側動態匹配

污水流量、溫度是動態變化的，因此夏季使用空調時污水能夠承載的建筑排熱量也是動態變化的。重慶地區夏季污水溫度為20～25 ℃，污水日溫度變化約為1～2 ℃，污水溫度在短期內基本穩定，完全滿足熱泵機組冷卻溫度要求。由式(3)計算污水動態載熱量

Q1=C×G×ΔT

(3)

其中：G為夏季污水動態流量，m3/h；Q1為夏季污水動態載熱量，kW；ΔT為污水取水側水溫差(本文取為5℃)，℃。

由式(4)計算建筑動態排熱量

Q2=Q×(E+1)/E

(4)

其中：Q為建筑動態冷負荷，kW；Q2為建筑動態排熱量，kW；E為熱泵機組制冷性能系數，kW/kW。

以往的污水源熱泵工程項目通常是靜態分析污水最不利流量是否能滿足建筑最大負荷的要求，很多工程往往因為污水流量偏小而限制污水的熱能利用。本文將5月—10月建筑日最大排熱量與污水的平均載熱量繪制成曲線，如圖5。

建筑日峰值排熱量與污水平均載熱量的相對大小取決于污水匯流量的多少和建筑的規模；但從圖5中可以看出建筑日峰值排熱量波動性較大，波峰和波谷相差達7倍，而污水平均載熱量波動性較小，波峰和波谷相差僅1.3倍；6月末7月初日污水平均流量相對于建筑峰值負荷最小，可以認為全年污水最不利流量出現在該時段。從6月末到7月初這幾天中選取能代表這幾天建筑負荷變化規律的某天作為污水最不利日，將該典型日污水動態載熱量B與建筑動態排熱量A繪制成曲線，如圖6

圖6 7月1日建筑排熱量與污水載熱量分布圖Fig.6 Distribution of building cold load and heat carried by sewage in July 1

圖6中污水最不利流量不滿足建筑負荷要求，但全天污水量累加可以滿足全天建筑負荷要求，此時可增設污水蓄水池或采用蓄能技術進行移峰填谷，以解決污水不能滿足建筑負荷要求這一問題。但采用蓄水池緩解供需冷量差異時，首先要解決蓄水量的問題，蓄水池通常占據較大的用地，在實際工程應用中較難實現[18]。因此，大多數工程往往結合常規的能源方式，構建污水源熱泵與常規空調的復合式系統，以解決污水可利用冷熱能和建筑冷熱負荷需求在時間和數量上不匹配的矛盾，提高能源綜合利用效率。

污水源熱泵復合式系統的形式根據不同的分類方法，可以分成多種類別。若以輔助系統的復合形式來分，包括并聯和串聯兩種類型，而并聯與串聯的位置可以在冷熱源側，也可以在負荷側；若按照輔助系統冷熱源的形式，則包括傳統的冷卻塔，以及其他可再生能源[19-20]。本文采用的復合式系統形式見圖7。

圖7 污水源熱泵復合式系統原理圖Fig.7 Schematic diagram of sewage source heat pump hybrid system

圖7中污水泵抽水流量不能大于流入污水池內的流量，除非污水池的容積較大或者提前蓄水，否則污水池很容易被抽空。本文采用液位控制變頻技術實現污水池內液位保持在一定高度，污水變頻泵的最大流量由污水源熱泵系統容量大小確定，當流入污水池的流量高于變頻泵最大流量時開啟污水池上方的溢流口，實現污水變頻泵的流量變化規律和管網實際產生的污水流量變化規律一致，這樣可以提高污水取水側的可靠性。

污水源熱泵復合式系統應用的關鍵是確定負荷分擔系數，即對既有的建筑物，為了使系統更加高效的運行，在設計階段確定污水源熱泵承擔多少負荷，常規系統承擔多少負荷。冷卻塔系統作為輔助系統，其主要作用有兩方面，一是調峰作用；二是代替污水源熱泵系統為末端供冷：因為污水取水側污水流量的變化規律和污水干渠內污水流量變化是一致的，當建筑負荷很小而此時污水干渠內污水流量很大時，會導致取水側污水浪費、取水能耗增高，此時只開啟冷卻塔系統(建筑負荷低在一定程度上能說明室外溫度也較低，冷卻塔換熱更有優勢)。

負荷分擔原則：1)污水源熱泵系統和常規系統的最大載熱量之和必須大于或等于建筑最大排熱量：QL+QW≥max(A)；2)冷卻塔系統要滿足調峰的作用，其最大載熱量必須大于或者等于污水載熱量相對于建筑排熱量的最大差值：QL≥max(A-B);3)冷卻塔代替污水源熱泵系統為末端供冷；根據文獻對夏熱冬冷地區IPLV系數的統計，25%滿負荷工況的時間達到18%，此時建筑負荷較小，但是存在時間又不是很短，單獨開啟冷卻塔具有一定的節能優勢。根據上述原則可以綜合確定75%負荷由污水水源熱泵提供，在冷卻塔容量能夠滿足使用要求低的前提下其余 25%負荷由冷卻塔散熱系統提供。

其中：QL為冷卻塔最大載熱量；QW為污水源熱泵系統最大載熱量；A為建筑動態排熱量；B為 污水動態載熱量。

復合式系統的控制策略：液位控制變頻調節實現污水取水流量和污水實際流量一致，一般水源熱泵機組可利用水源溫差為4～5 ℃，當中介水供回水溫差ΔTg,h超過5 ℃，說明污水載熱能力不足，同時開啟冷卻塔；當中介水溫差ΔTg,h低于某一溫度Tmin，說明建筑負荷低，而污水流量大，污水取水浪費；如果冷卻塔的換熱量能滿足在此溫差下污水的最大載熱量，此時關閉污水取水系統，只開啟輔助冷卻塔系統；經統計夏季污水流量并結合污水源熱泵和冷卻塔的容量最終確定Tmin為1.67 ℃；當中介水供回水溫差介于1.67 ℃和5 ℃之間，則只開啟污水源熱泵系統。本文考慮了常態下污水流量不足時城市污水與城市建筑負荷之間的供需匹配。對于城市污水有可能出現的斷流等應急情況，需要另行確定冷卻塔容量。

4 結論

1)為了最大程度地利用城市污水的低位熱能，應該基于動態思想分析污水載熱量與建筑排熱量之間的關系。本文以某商場為例，將模擬得到的建筑負荷轉換成建筑側的排熱量，并與某三級污水管網中的污水載熱量進行對比分析，找出了最不利流量及其與建筑需求側的差額。

2)構建了污水源熱泵復合式系統，提出了復合式分擔系統的原則及控制策略，綜合確定了污水源熱泵系統的容量和輔助冷卻塔系統的容量，并通過合理控制常規系統的啟停提高能源綜合利用效率，使污水源熱泵系統同時滿足節能、可靠的雙重要求。

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(編輯 胡 玲)

Load dynamic matching of supply and demand side based on the utilization of urban sewage heat energy

CaiXiaolei，LinZhenguo，YuXianglei，TangJianping

(Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering;Key Laboratory of the Three Gorges Reservior Region’s Eco-Environment of Ministry of Education,Chongqing University, Chongqing 400045, P.R.China)

Flowing dynamic characteristics and its temperature dynamic characteristics of a three-level sewage pipe network in Chongqing were analyzed. A mall’s building whole year load was simulated. In the adverse condition of wastewater flow, the market construction peak discharge heat was compared with the sewage heat load, the balance between the most adverse flow and the building demand was found. Explored supply and demand matching method between urban sewage and city building load in flow adverse condition to take full advantage of the urban sewage cold and hot resources. the composite system was adeptcd to make up the most unfavorable flow time of sewage average heat load and the construction load difference; it also puts forward principle of load sharing and control strategy aimed at compound system.

sewage heat utilization; dynamic characteristics; sewage flow disadvantage; hybridsystem; matching

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.01.006

2014-07-09

國家自然科學基金(51106190)

蔡曉磊(1989-)，男，主要從事污水源熱泵應用研究，(E-mail)yujian000@126.com。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China(No.51106190)

TU834.3

A

1674-4764(2015)01-0029-06

Received：2014-07-09

Author brief：Cai Xiaolei(1989-),main research intrest:application of sewage source heat pump，(E-mail)yujian000@126.com.