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    西安某住宅區再生水源熱泵供暖系統分析與評價

    • 作者:
    • 中國暖通空調網
    • 發布時間:
    • 2019-12-11

     陳婷婷1,王智偉1,王    雨1,李明珠1,曹    偉2,李    鵬2,鄧    宇2

    (1.西安建筑科技大學,陜西   710055;2.四聯智能技術股份有限公司,西安   710065) 

           【摘   要】本文以西安市某住宅區為例,對居住建筑再生水源熱泵供暖系統運行參數進行了測試,并對測試結果進行了統計分析。結果顯示:供暖末期寬流道污水換熱器實際運行傳熱系數為設計值的20.7%,換熱板表面結垢嚴重;管網水泵電耗指標為5.37kW·h/(m2·a),遠高于指標約束值1.7kW·h/(m2·a),管網水泵耗電量較大;熱泵機組COP穩定在4.3左右,系統COPsys為2.9;全年供暖能耗指標實測值為8.8kgce/(m2·a),小于指標約束值11.1kgce/(m2·a),節能效果較為顯著。

           【關鍵詞】再生水源熱泵;居住建筑;供暖系統;分析評價

           【基金項目】陜西省協同創新項目“再生水源熱泵集中供熱關鍵技術研究”(2014XT-20)。

    0 引言

           再生水源熱泵系統具有節能、環保等優點,可大大降低能源消耗。目前,北京、沈陽、河北、山東、大連等地均建立了再生水源熱泵項目[1],但本領域普遍存在著“重設計、輕運行”的現象[2],楊靈艷等[3]對寒冷地區74個地源熱泵實地調研,發現污水源熱泵系統的制熱性能系數有83.33%不滿足規范要求,可見大多數系統的實際運行效果并未達到預期值。因此,對再生水源熱泵系統的實際應用效果的分析與評價是引導再生水源熱泵系統高效、節能運行的重要措施。

           本文對西安某住宅區再生水源熱泵系統進行測試,獲得了該系統運行能效水平,并對系統實際運行效果進行分析與評價,對該系統的運行評價提供理論基礎,為再生水源熱泵系統的設計與應用提供參考。

     1 測試對象

           1.1 間接式再生水源熱泵系統簡介

           間接式再生水源熱泵系統運行原理如圖1所示,該系統利用再生水即二級出水作為熱源。首先,市政排水干渠中的再生水經格柵機過濾引入污水池沉淀,再經提升泵提升以及長距離輸送進入換熱器,將熱量傳遞給中介水后返回排水干渠;中介水為閉式循環,在換熱器中獲取再生水的熱量后,進入常規的熱泵主機進行能量轉換,將熱量傳遞給負荷側的熱水,熱水將提取的熱量供給建筑物,實現集中供熱。

    圖1   間接式再生水源熱泵系統運行原理圖

           1.2 工程概況及設備選型

           2017.1.14至2017.1.20和2017.3.6至2017.3.12對西安大興新區某建設項目再生水源熱泵系統集中供暖系統進行了測試。

           該項目建筑面積約200萬m2,是典型的住宅區,末端供暖方式為低溫地輻供暖。供暖系統配有燃氣鍋爐,當熱負荷需求較大時熱泵機組與燃氣鍋爐聯合運行,鍋爐起調峰作用。目前已實現為住宅區24.3萬m2供暖,供暖負荷為8.5MW,2017年供暖面積將達到150萬m2。再生水取自鄧家村污水廠的排水干渠,鄧家村污水廠距集中供暖項目1.1km,日平均出水量約10萬噸,且再生水水溫冬季為14℃~17℃,滿足再生水源熱泵系統水源側的溫度要求,相應系統設備如表1所示。

    表1   再生水源熱泵系統設備統計表

           1.3 系統測試

           測試參數:再生水/中介水進出換熱器的水溫和流量,負荷側/中介水側進出熱泵機組的水溫和流量,再生水提升泵/中介水循環泵/壓縮機/負荷側循環泵/高區水泵的耗電量,同時對住宅區某一用戶的室內溫度進行監測。

           測試過程中所用監測儀器如表2所示,數據采集的時間間隔是5~10min。監測時,溫度、流量和耗電量的監測都是儀表自動存儲記錄。

    表2   監測儀器及精度  

    2 評價指標的選取

         《水源熱泵系統經濟運行》GB/T 31512—2015[4]規定了水源熱泵系統經濟運行的基本要求、評價指標與方法、測試方法和管理措施,但實質上對系統是否經濟運行并未給出衡量性指標。

           間接式再生水源熱泵系統的關鍵技術是中間換熱器,選取其評價指標時,換熱器的傳熱特性必不可少。此外,輸配能耗以及系統的運行能效也是運維管理人員重視的問題。因此,選取換熱器的傳熱系數、供暖系統管網水泵電耗指標、熱泵系統能效比以及建筑供暖能耗指標作為再生水源熱泵系統的評價指標。

           2.1 換熱器傳熱性能指標

           傳熱系數是表征換熱器傳熱過程強烈程度的標尺,是換熱器實際運行過程中傳熱性能的反映參數。

           傳熱系數K的計算公式見式(1):

           式中:Q=mmcp(tmo-tmi),Q為中介水瞬時得熱量(kW);mm為中介水的流量(kg/s);tmi,tmo為中介水進出換熱器的水溫(℃);cp為中介水的定壓比熱(kJ/(kg·℃));F為總換熱面積(m2);Δtm為冷熱流體的對數平均溫差(℃)。

           2.2 供暖系統管網水泵電耗

           供暖系統管網水泵電耗指標[5]指供暖系統單位面積管網水泵耗電量。對于再生水源熱泵系統,管網水泵耗電量包括再生水提升泵、中介水循環泵、用戶側循環泵(包括負荷側循環泵和高區水泵)耗電量。

           供暖系統管網水泵電耗指標計算公式見式(2):

           式中:edis為供暖系統管網水泵電耗指標實測值(kW·h/(m2·a));Edis為供暖期系統管網水泵耗電量(kW·h/a);As為熱網供暖面積(m2)。

           2.3 熱泵系統能效比

           冬季機組COP計算公式見式(3):

             

           式中,Qc = mmcp(tco-tci),Qc,Punit分別為機組制熱量和耗功率(kW);mc為負荷側循環水的流量(kg/s);tci,tco分別為進出冷凝器的水溫(℃);cp為水的定壓比熱,kJ/(kg·℃))。

           系統COPsys計算公式見式(4):

        

           式中:Pm,Pc,P0分別為中介水循環泵、用戶側循環泵和再生水提升泵的輸配能耗(kW)。

           2.4 建筑供暖能耗

           建筑供暖能耗指標[5]用于評價整個供暖系統的運行能耗,為一個完整的供暖期單位建筑面積供暖系統能耗量,包括供暖系統熱源所消耗的能源和水泵輸配電耗。

           建筑供暖能耗指標計算公式見式(5)(6)(7):

           式中:Ebh為建筑供暖能耗指標實測值(kgce/((m2·a))或Nm3/(m2·a));qs為熱源能耗實測值(kgce/(m2·a));cQ為熱源效率指標實測值(kgce/GJ)或(Nm3/GJ);edis為供熱管網水泵電耗指標實測值(kW·h/(m2·a));As為系統承擔的總的供暖面積(m2);Qsi為第i個熱源輸出的熱量(GJ/a);m為總的熱源數目;ce為全國平均火力供電標準煤耗或者火電供電燃氣耗值,?。?.320kgce/kW·h)或 (0.2Nm3/kW·h);β為氣象修正系數;HDD0為以18℃為標準計算的標準供暖期供暖度日數;HDD為以18℃為標準計算的當年供暖期供暖度日數。

    3 測試結果與分析評價

           3.1 低品位熱能的有效利用

           2017年3月9日對熱水的供回水溫度、室外溫度及隨機抽取的某一住戶客廳溫度進行監測。如圖2所示,冬季在室外溫度波動比較大的情況下,熱水的供回水溫度基本穩定在37/32.5℃,住戶客廳溫度也基本穩定在25℃左右,能夠較好的滿足供暖要求。

    圖2   溫度變化

           供暖系統的末端供熱方式有散熱器、地面輻射供暖以及吊頂輻射供暖等,由于散熱的原理不同,供水溫度存在較大差異。常見的幾種末端供熱方式的設計參數[6]如表3所示。

    表3   不同末端供熱方式設計參數對比

           從表3可知,幾種末端供熱方式供水溫度的大小關系為:散熱器>吊頂輻射>地面輻射。由壓縮機循環的特性分析可知,當蒸發溫度不變,冷凝溫度升高時,對于同一臺熱泵機組來說,機組COP將降低。對于再生水源熱泵系統,再生水冬季的溫度幾乎不變,間接式換熱系統雖然存在中間換熱環節和2℃~3℃的換熱溫差,但機組的蒸發溫度在供暖運行期間波動較小,故熱水的溫度越低對機組越有利,因此地面輻射供暖與再生水源熱泵系統相結合能充分利用再生水的熱能,提高熱泵機組以及整個系統的能效。

           3.2 寬流道污水換熱器

           該再生水源熱泵系統采用寬流道污水換熱器,其結構如圖3所示。寬流道污水換熱器再生水側采用大截面、單流程,中介水側采用小截面多層并聯再串聯設計,保持兩種冷熱流體的逆流換熱。

    圖3   寬流道污水換熱器結構圖

           中介水溫的變化特點決定了系統的能耗效率,主要由再生水的溫度、流量以及換熱器的傳熱性能決定。兩個測試時期再生水的供回水溫度以及中介水進出換熱器的水溫變化如圖4所示。

    圖4   再生水、中介水的供回水溫度變化

           兩次測試再生水的供水溫度穩定在17℃以上,可見再生水是熱泵系統冬季供暖非常理想的熱源。第一次測試,中介水進出水溫度為8.6/12.9℃;第二次測試,中介水進出水溫度為6/10℃;中介水進出水溫度波動較大,均下降了3℃左右??紤]測試時期再生水、中介水流量變化很小,分析中介水進出水溫度降低的主要原因是換熱器傳熱性能的惡化,導致換熱溫差急劇增加。當再生水供水溫度不變時,換熱溫差的增加導致中介水溫度越來越低。

           9臺換熱器傳熱系數的平均值如圖5所示。第一次測試,傳熱系數平均值從620W/(m2·℃)下降到494W/(m2·℃),降幅20.3%;第二次測試,傳熱系數平均值從305W/(m2·℃)下降到248W/(m2·℃),降幅18.7%;下降幅度略有降低,但總體依然呈大幅度下降趨勢。額定工況換熱器連續運行4個月傳熱系數為1200W/(m2·℃)以上,實際運行4個月傳熱系數僅為設計值的20.7%。

    圖5   換熱器傳熱系數平均值的變化曲線

           分析造成傳熱系數下降的原因。首先從水質來看,該項目所使用的再生水理論上能達到國家二級或以上排放標準,但再生水排放干管沿途還會接納一定量的原生污水,使再生水水質降低。且前置過濾裝置只有格柵機,只能過濾到大尺度懸浮物。其次,從水量來看,經測量再生水流量為612m³/h,為額定流量的66%;中介水流量為700m³/h,為額定流量的75%,再生水與中介水流量均未滿足額定要求。最后,由于再生水水質特點,換熱器的結垢、腐蝕以及堵塞問題導致傳熱系數降低,圖6為換熱器運行3個月換熱板表面結垢圖。為避免污垢影響,應定期對換熱板表面進行清理,或在污水泵站設置前置過濾裝置,將污水的雜質充分過濾。

    圖6   換熱板表面結垢圖

           3.3 供暖系統管網水泵電耗

           供暖系統各水泵功率如表4所示。對表中的數據進行整理,得該供暖系統管網水泵電耗指標為5.37kW·h/(m2·a),遠大于指標約束值1.7 kW·h/(m2·a)[5],表明該系統管網水泵耗電量較大。

    表4   冬季供暖系統水泵功率

      

           造成上述耗電量較大的原因主要為如下兩個方面:一是熱泵機組與鍋爐分布在不同的機房,兩個機房距離300m,長距離輸送造成輸配能耗的增加;二是該系統處于初運行時期,實際供暖面積占設計供暖面積的60%,用戶入住率低且分布較分散,并且后者影響因素較大。從表4看出,負荷側循環泵占水泵總能耗28.24%,用戶側輸配能耗(負荷側循環泵與高區水泵能耗之和)占水泵總能耗的50%以上,故冬季供暖節能的重點在于用戶側輸配能耗。

           3.4 熱泵系統的運行能效

           如圖7為熱泵機組COP以及系統COPsys的逐時變化。熱泵機組COP穩定在4.3左右,為熱泵機組額定制熱工況時COP的92%,熱泵系統COPsys為2.9。

    圖7   熱泵機組COP以及系統COPsys的逐時變化

           同時對國內典型污水源熱泵應用案例[8-11]基本情況進行統計,結果如表5所示,熱泵系統COPsys的平均值為3.3。與不同地區污水源熱泵相比,該系統COPsys相對較低,造成系統COPsys較低的主要原因是輸配能耗較大,故系統實際運行時應重點采取措施降低輸配能耗。

    表5   國內污水源熱泵應用案例的基本情況

           3.5 建筑供暖能耗

           根據整個供暖期系統的運行記錄統計數據,得該項目冬季供暖耗電量27.5kW·h/m2,典型工況瞬時熱水輸送系數為31.3,熱源水輸送系數為16.5。與北京奧運村再生水源熱泵系統冬季供暖運行參數相比[2],冬季供暖耗電量是奧運村項目的1.3倍,熱水輸送系數是奧運村項目的1/2,熱源水輸送系數一致且較小。表明用戶側能耗較高是造成系統能耗較大的主要原因,因再生水源熱泵系統多了一套再生水提升泵,故熱源側輸送系數較小是再生水源熱泵系統的通病。

           按照全國平均火力供電標準煤耗0.320kgce/kW·h[5],全年供暖能耗指標為8.8kgce/(m2·a),小于指標約束值11.1kgce/(m2·a),但大于指標引導值5.6kgce/(m2·a)。由此可見該系統比一般供暖系統節能效果顯著,但該節能技術的實際應用效果上欠佳,且該系統目前尚處在初運行階段,進行試探性運行管理,運行調節比較粗放,運行能效有較大的提升空間。

    4 節能潛力分析

           4.1 提高中介水溫度

           由于污垢熱阻的影響,中介水溫度在整個供暖期運行過程中不斷下降,平均每天下降0.05℃,理論上中介水溫度每提高1℃,熱泵機組COP提高3%[12],因此,當發現熱泵機組中介水出水溫度較低時,考慮清洗換熱器。

           4.2 供暖末期減少負荷側流量

           供暖末期熱負荷需求較小,應適當減小負荷側循環泵流量。測試期間將負荷側水泵頻率從48Hz降低45Hz流量降低,滿足供暖需求的同時平均日節約耗電量576kW·h。

           綜上所述,中介水溫度由6℃提高到9℃,同時將負荷側流量相應降低,熱泵系統COPsys可提高13%左右。

    5 結論

           本文以西安市某住宅區再生水源熱泵系統為研究對象,對系統的供熱性能進行測試、分析與評價,得到了以下結論:

         (1)相比其他供暖末端方式,地面輻射供暖方式與再生水源熱泵系統相結合能提高熱泵機組以及整個系統的能效。

         (2)換熱器的結垢、腐蝕和堵塞等問題仍然是制約再生水源熱泵系統應用與發展的關鍵問題,換熱表面污垢熱阻的增加使中介水溫度降低,機組性能下降,影響了整個系統的高效運行。

         (3)供暖系統管網水泵電耗指標為5.37kW·h/(m2·a),遠大于指標的約束值1.7 kW·h/(m2·a),冬季供暖節能的重點在于用戶側輸配能耗。

         (4)熱泵機組COP穩定在4.3,系統COPsys為2.9,與相似系統相比,該系統COPsys相對較低;全年供暖能耗指標為8.8kgce/(m2·a),小于指標約束值11.1kgce/(m2·a),節能效果較為顯著。

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           注:本文收錄于《建筑環境與能源》2017年3月刊總第3期《2017全國供暖技術年會論文集》中。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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