206 某污水处理厂污水源热泵系统冬季供热分析

1、某污水处理厂污水源热泵系统冬季供热分析天津大学 环境学院 张诚 摘要：对天津一所污水处理厂采用污水源热泵冬季供热的状况进行了分析研究，算出其系统的供热系数和机组的供热系数，发现了其在运行中存在的问题并提出合理化建议，最后得出在天津地区采用污水源热泵系统供热在经济上还是可行的。 关键词：污水源热泵 冬季供热 能耗分析1 项目介绍某污水处理厂始建于2005年，建设规模为45万m3/日，建设标准为二级生化处理。该工程采用污水源水源热泵机组作为冷热源，为厂区内办公楼以及工艺厂房等房间供热供冷。本文对其在08年冬季供热的情况进行分析研究。该工程办公楼670m2,设计温度18，冬季热负荷56kw；工艺厂房

2、4100m2，设计温度11，热负荷339kw。厂房车间采用立式明装风机盘管，挂墙安装；办公室采用卧式暗装风机盘管，置于吊顶内。 该项目采用污水源(二沉池出水)作为空调系统的水源。污水源水体温度冬季为9-22，设计处理水流量为5.2m3/s，冬季提取热量导致水体的温降为0.018。污水采取间接式应用方式，通过中介水与污水经壳管式换热器进行换热，再进入热泵机组，能保证机组不受污水中有害物质和微生物滋生的影响，安全有效地运行。该工程污水换热器选用2台壳管式换热器，换热量250kW；污水侧进出口设计温度：12/10（换热温差不大于3），单台换热面积120 m2；污水源热泵机组采用3台螺杆式压缩机，制热

3、量187.6 kW，额定功率58.7Kw。空调水循环泵设有3台，流量38m3/h，扬程24m；电机功率4kW。中介水循环泵设有3台，流量57m3/h，扬程20m，电机功率5.5kW。2 数据采集与分析根据08年11月13日至09年3月15日采暖季运行记录和现场实测数据对整个污水源热泵系统能耗以及系统运行效率进行分析和评价。其中各设备进出口温度、系统供回水温度以及系统日耗电量由运行记录得到；空调水系统中原本设计有压差旁通，但是整个供暖季阀门一直关闭，因此认为水流量为定流量运行，所有水泵均24小时不间断运转，水流量以及水泵电流由实测获得，室内温湿度由温湿度自记仪采集。1.1 系统日供热量系统日供热

4、量反映了该污水源热泵系统每天向采暖区域所提供热量的总和，具体计算方法如下式： （1）式中， Q系统日供热总量，kJ； 水的密度，kg/m3 C水的比热，4.2kJ/(kg·)； L供水流量，m3/h； tg供水温度，；th回水温度，；T供热时间，h。温度的采集包括冷凝器与蒸发器的的进出口温度，污水侧的进出口温度，集分水器的温度。计算系统日供热量采用的是集分水器的温度。水流量由超声波流量计测得，中介循环泵平均流量为42 m3/h，末端循环泵平均流量为30 m3/h。水源热泵机组冬季额定供回水温度为55/50，实测整个采暖季供水温度在46-52浮动，平均值为49.7，回水温度在45/50

5、之间浮动，平均值为46.4，温差在2/7之间浮动。水源热泵机组中介水额定供回水温度为9/5，实测整个采暖季供水温度在6-19浮动，平均值为12.9，回水温度在5/18之间浮动，平均值为11.6，温差在0/3之间浮动。水源热泵机组每日24小时运行，系统整个采暖季日供热量均值为5946kwh。其中计算最大日供热量为12406kwh，出现在2009年1月1号；采暖季总供热量为731317kwh。1.2 系统采暖季耗电量 采暖系统理论日耗电量分析整个污水源热泵系统主要的耗电设备有：热泵机组、中介循环水泵、末端循环水泵以及其他辅助设备（用电量太小，暂且忽略），其中以热泵机组所占比例最大。理论耗电量分析如

6、下表：表1 设备理论耗电量统计表设备1#热泵机组3#热泵机组中介循环泵2#末端循环泵2#中介循环泵1#、3#末端循环泵1#、3#额定功率(Kw)58.158.15.545.5x2=114x2=8运行时间242424242424每日耗电量（Kwh）1162116213296264192合计3008百分比（%）38.638.64.43.28.86.4 采暖系统实测日耗电量分析因系统主要为厂区供热，因此机组都是按照24小时运行设定。现场设有两块电表，电表1负责1#和3#水源热泵机组，2#中介泵和2#循环泵；电表2负责2#水源热泵机组（整个供暖季没有开启），1#和3#中介循环泵和末端循环泵，电表的读数

7、每日相同时刻记录一次。电表1日均耗电量为2552Kwh；电表2日均耗电量为456Kwh，系统日耗电量为3008Kwh。图1为整个采暖季系统的日耗电量值。图1 系统日耗电量变化图从图中可以看出，系统日耗电量随时间变化有很明显的变化关系：整个采暖季除个别时间外，系统日耗电量随着室外温度的变化整体呈现出先增大后减小的趋势，用电量较大的时段出现在一、二月寒冷时期。整个采暖季平均日耗电量为2338kwh，电费1215.8元；总耗电量为287574kwh，电费149538元（按照电价0.52元/度计算）。 水泵日耗电量分析水泵均为定流量运行，每日耗电量也应为定值，但是数据均为人工抄表，两次读数间也未必是严

8、格的24小时，所以水泵的日耗电量也不是定值。由电表2读出的耗电量均值为432Kwh，最大值为450 Kwh，最小值为408kwh。电表2包含2台空调水循环泵和2台中介水循环泵，为了计算出每台水泵的电量，对每台水泵的电流计算了测量。利用电流计算功率的公式如下： （2）式中，P水泵功率，kJ； U电压，v； I电流，A； cos功率因数，取0.85。中介循环泵的电流实测均为8.9A，末端循环泵的电流实测均为7.2A，由公式2计算出中介循环泵功率为5Kw，末端循环泵功率为4Kw。 机组日耗电量分析热泵机组的功率在随时变化，由于记录的数据有限，只能以2台机组的日均耗电量为准。认为2台机组在整个采暖季中

9、平均出力相同，由电表2与电表1的差值可计算出机组的日均耗电量，具体各个设备的耗电量见下表：表2 设备实测耗电量统计表设备1#热泵机组3#热泵机组中介循环泵2#末端循环泵2#中介循环泵1#、3#末端循环泵1#、3#理论每日耗电量（kwh）1162116213296264192实测每日平均耗电量（kwh）84584512096240192实测/理论72.7%72.7%90.9%100%90.9%100%实测每日平均耗电量之合（kwh）2338百分比36.2%36.2%5.1%4.1%10.2%8.2%由表中可以得出，实测机组的日均耗电量为1690Kwh，占总量的73.0%，中介循环泵日均耗电量为3

10、60Kwh，占总量的15.6%，末端循环泵日均耗电量为288Kwh，占总量的11.4%。机组的日耗电量与系统日耗电量变化基本一致，整个采暖季机组日耗电量随时间变化整体呈现出先增大后减小的趋势，用电量较大的时段出现在一、二月寒冷时期。3 供热系统运行状况分析3.1 供热量分析采暖季总供热量为731317kwh，供热总面积为4770m2，供暖天数123天，算得供暖期内耗热量指标为51.9w/m2。天津地区住宅耗热量指标为34 w/m2，相比之下，该污水处理厂耗热量指标偏高。究其原因，笔者分析如下：a. 该厂区主要为工艺厂房，建筑层高多数在10米左右，且多数为单层独栋建筑，导致建筑物设计热负荷偏大。

11、b. 办公区内空调系统运行管理不善，晚上下班有人忘记关掉风机盘管。根据3月5日至10日办公区内的档案馆的温湿度的测量发现，无论白天或者夜晚，温度一般在26度上下波动。冬季室温偏高，造成严重的热量浪费。3.2 机组运行分析定义系统的制热系数=系统供热量/系统耗电量，机组的制热系数=系统供热量/机组耗电量。整个采暖季系统的制热系数为2.54，机组的制热系数为3.52。污水源热泵机组的额定制热系数为3.20，测量值为3.52。实测值比额定值要高，笔者分析主要在于冷凝器与蒸发器的温度。冷凝器内供回水的平均温度为48，而额定的平均温度为52.5，冷凝温度低，所以冷凝压力也低；蒸发器内供回水的平均温度为1

12、2.3，而额定的平均温度为7，蒸发温度高，蒸发压力高。由此会节约压缩机的功耗，提高机组的性能。3.3 水泵运行分析水泵原设计为1台热泵机组对应1台水泵，然而冬季热泵机组开启2台，水泵均开启3台，进入单台机组的中介循环水额定流量是28.4m3/h，实际测量是62m3/h，是额定值的2.2倍。按照日供热量均值5946kwh，日耗电量均值为2338kwh计算，中介水提取的温差仅为1.03，远远小于额定温差4，造成中介水循环泵电能严重浪费。进入单台机组的末端循环水额定流量是31.2m3/h，实际测量是45m3/h，是额定值的1.4倍。按照日供热量均值5946kwh计算，空调循环水的温差仅为2.9，远小

13、于额定温差5，造成末端循环水泵电能严重浪费。3.4 污水源热泵运行经济分析厂区供热面积4770m2，如果采用市政热网，按照36元/m2计算，供热费为171720元。08年冬季热泵运行电费为149538元，与热网将比较，减少花费22182元，约为14.8%。4 运行中存在的问题4.1 设计根据热工理论，室内温度的高低与能耗有着密切的关系。冬季供暖时，室内计算温度每降低一度，能耗可减少45%。该工艺厂房的设计温度为11，笔者认为，厂房内可以降到5，如此设计热负荷可以从339Kw降到237Kw，节约30%的耗热量。污水源热泵机组也可以由3台减为2台，相应的中介水循环泵和末端循环泵也由3台减为2台，节

14、约大量初投资。4.2 施工该工程原本在风机盘管的水系统上设计有电动两通阀，但是实际改为普通球阀，水系统变流量成为了定流量，水泵不但浪费了能耗，而且也不符合国家有关节能的规范和标准。4.3 运行冬季运行中机组开启2台，水泵均开启3台，导致系统大流量小温差运行，浪费了大量水泵的耗能。冬季办公楼内室温维持在26左右，人体感觉既不舒适，而且也浪费大量能源。如果降到18，则可节约办公楼的能耗23%左右，约占总能耗的3.8%。5 中央空调能源管理系统目前，关于中央空调节能的能源管理已经有比较成套的控制系统，基本的原理是全面采集中央空调系统运行的各种变量，传送至系统控制中心柜，由控制软件依据设定的算法以及历

15、史运行数据，推算出系统该时刻所需要的冷量（或热量）以及系统的运行参数，并利用变频技术，自动控制水泵的转速，以调节空调水系统的循环流量，保证中央空调主机处于最高转换效率，保证中央空调系统在各种负荷条件下，均处于最佳工作状态，从而实现综合优化节能。采用能源管理系统可以实现主机节能约10%，水泵节能60-80%，具体到本工程中：办公区的温度由26降低到18，节约能耗为287574x0.038=10927Kwh；关闭一台末端水循环泵和中介水循环泵后，节约能耗为26586Kwh；按照水泵节能60%计算，节约能耗53136x0.6=31882Kwh；按照主机节能10%计算，节约能耗207870x0.1=2

16、0787Kwh；合计节约能耗90182kw，与原总耗电量287574kwh相比，节约能耗31%，每年可节约电费46895元。6 总结a. 虽然本项目在施工和运行时均存在问题，但是采用污水源热泵系统供热仍然比热网要便宜。冬季热泵运行的电费为149538元，热网为171720元，与热网将比较，减少花费22182元，约为14.8%。b. 在天津地区，污水源的供水温度在9-22浮动，最低温度为7，即便考虑5的温差，也不会冻结。该厂设计建设规模为45万m3/日（18450t/h），理论上可以提取109011Kw的热量，按照50w/m2计算，可以满足210万平米住宅的供热。c. 本项目中机组的额定供热CO

17、P值为3.2，目前多数机组的额定供热COP值为4.5以上，更加有利用节能以及污水源热泵机组的应用。d. 本项目中，采取正确的运行方式以及加上中央空调能源管理系统，可以节约能耗31%，有极大的节能潜力。本论文受国家科技支撑计划既有建筑综合改造技术集成示范工程资助完成，课题编号2006BAJ03A10。7 参考文献1 徐猛，徐莹，孙德兴.原生污水源热泵的关键技术与工程实践J.节能技术，2009，27(1)：74-772 李建兴，赵力，池勇志.不同换热形式的污水热泵工程运行能效分析J.中国给水排水，2009，(25)2：98-1013 王安民，曹振婷，石光.天津公馆：污水源热泵节能系统应用J.建设科技，2008，(24)：34-364 郭安，王宗山，等.污水源热泵空调系统在实际工程中的应用J.可再生能源，2008，(26)3：91-955 刘文亚，张晓峰，等.污水处理厂二级出水低温热能的应用J.天津建设科技，2006，(16)2：49-516 吴荣华，张成虎，孙德兴.城市原生污水源热泵系统运行工况与参数特性J.流体机械，2005，(33)11：73-767 李晓明，崔福义，周红.污水源热泵的经济评价J.煤气与热力，2