寒冷地区某污水源热泵系统供暖季运行效果与节能减排分析

1 引言

目前，能源耗损和环境恶化成为制约人类发展的两个突出性话题，节能减排成为全球各行业首要的任务。在中国，建筑行业、交通行业、工业是全国能源消耗¹的三大产业[1]。其中，建筑行业约占全国能源消耗的30%[2][3]，并且具有上升趋势。因此，建筑行业的节能减排仍是未来发展的主要目标之一。

提高可再生能源的投入比例，大力发展余热回收利用技术等可以在根源上解决能源短缺问题。城市污水在夏季低于环境温度，冬季高于环境温度，并且其温度相对稳定，随季节波动不大。因此，城市污水是一种良好的冷热源。

随着污水源热泵的大力推广与发展，为了掌握其实际运行情况对建筑节能减排的效果，大量海内外学者们针对污水源热泵系统的运行效益、环保效益和节能效益进行了研究。HEPBASLI 等人[4] 采用能量分析方法对污水源热泵系统运行性能进行了评估。根据实验值和模拟值，该研究得到污水源热泵系统加热的COP 值范围为1.77 ～ 10.6。WOJTANL 等人[5] 对加拿大某污水源热泵系统的运行情况进行了测试，得到该系统冬季热负荷为7700kW，冬季系统平均COP 为5。贾欣等人[6]对大连星海湾商务区再生水源热泵供热/ 冷工程规范项目进行了实测，得到该系统单机制热容量为8.3MW，系统的实际制热COP 为3.2。付国栋等人[7] 对北京马坊馨城污水源热泵项目进行了实际调研，发现配备的8台水源热泵机组冬季可以平均提供7357kW 热量，系统制热COP 为2.7。

根据海内外学者们关于污水源热泵运行效果的研究，说明污水源热泵实际运行效果良好且在节能环保方面也有突出贡献。本文对寒冷地区某办公建筑中的污水源热泵系统2016 － 2017 年度供暖季运行情况的实测数据进行研究，通过对数据的整理与分析，得到了污水源热泵供热时实际的供／回水温度、制热量、性能系数、室内舒适性等，并在供暖方面与传统燃煤锅炉供暖方式进行对比，获得其冬季的节能减排量，为污水源热泵技术进一步高效发展提供参考依据。

2 工程概况

2.1 建筑及污水源热泵机组概况

本建筑位于辽宁省内，属于办公型建筑，于2015年8 月正式投入使用。建筑共17 层，地上15 层，地下2 层。建筑高度66m，占地面积8886.76m²，总建筑面积130890 m²。地上空间主要用于人员办公，污水源热泵机组位于地下一层。该污水源热泵机组为建筑提供全年的供冷/ 供热需求。

本污水源热泵系统共有5 组污水源热泵。其中二台机组一用一备，用于供给建筑生活热水；其他三台机采用二用一备，用于建筑供冷/ 供暖，并且特殊时期( 设备检修) 采用市政热源作为备用热源。机组的设备型号参数如表1。

表1 机组型号参数

该机组用户侧夏季供回水温度为12/17.5℃，冬季供回水温度为48/40℃。污水换热器为疏导式污水换热器共12 台，型号为QKC-WHQ-A-200(5)，进水流量为100 ～ 130t/h。室外污水循环泵5 台，中介水循环泵5台（NLB150 /320-45 /4），其中中介水稳压泵2 台, 空调水循环泵5 台（NLB150 /260-30 /4），空调水稳压泵2 台。

2.2 机组工作原理及运行策略

机房设备的布置情况，如图1 机组的工作原理示意图。

图1 污水源热泵机组工作原理示意图

如图1 所示，该污水源热泵系统分为3 个循环，即污水循环、中介水循环、空调水循环。机组的冬夏季工作流程如下。（1）污水循环：经过处理的生活污水在污水泵的带动下与疏导式换热器源源不断的换热，将热量传递给中介水，然后流回源头。（2）中介水循环：吸收热量的中介水通过中介水泵进入热泵机组，与内部制冷剂发生热交换，完成能量运输而回流。（3）空调水循环：被加热的制冷剂在电力作用下，将热量传给空调水，然后经节流阀回到冷凝器。空调水经过管网在空调水泵的动力作用下，通过分水器到末端装置对室内进行供暖，然后经过集水器回流，准备下一循环。通过以上三个循环，逐级进行热量传递，完成对建筑全年的供暖。其中，污水的循环为开式，而中介水及空调水的循环均为闭式。

2016 年冬季供暖季期于2016 年11 月1 日开始至2017 年4 月26 日，共计供暖天数为166d，系统的运行策略是启用了污水泵、中介水泵、循环泵各1 台，6个板式换热器，2 台污水源热泵，其中一台热泵机组全天运行为建筑供暖（初、末寒期部分时间间歇运行），另一台热泵机组每日10:00 ～ 12:00 运行，用于加热40m³ 生活热水。室内用户过热/ 过冷时的反馈意见、温控板示数低于设定值的警示及空调水回水的温度不在38 ～ 45℃范围内，依据这三种情况来综合决定机组的具体运行时间。

3 污水源热泵系统运行效果分析

3.1 热泵机组理论参数

热泵系统的供／回水温度与流量共同决定了热泵供给建筑室内供热量，也直接体现了供给建筑室内的供热状况。热泵的运行效率往往受环境条件制约，与额定效率大相径庭，并且可能波动较大。如果热泵效率过低，会造成建筑室内不能满足热舒适条件或者造成短期内能源消耗异常的现象。因此，供/ 回水温度，供／取热量和机组、系统的能效比是研究热泵运行情况的主要参数。

根据《公共建筑节能设计标准》[8]，得到了污水源热泵机组运行参数核算公式。

3.2 热泵机组供暖季实测分析

根据实测的2016—2017 年度冬季运行数据，着重对系统的多侧供／回水温度及室外温度、供热量与取热量、室内温度及能效比进行了分析，研究该污水源热泵系统实际运行效果。

3.2.1 多侧供/ 回水温度

图2 污水源热泵多侧供／回水温度与室外温度

如图2 所示，污水进出口平均温度分别约为12.6℃和9.8℃，温差为3℃左右；地源侧进出口平均温度分别约为12℃和9℃，温差为3℃左右；用户侧进出口平均温度分别约为42.6℃和38.8℃，温差为4℃左右。

室外温度在整个供暖季的波动较大，整体呈“V”型分布。污水温度有轻微的下降趋势，但整体上看其温度相对趋于稳定。根据《水源热泵机组》规定[9]，污水源热泵机组正常工作热源温度范围为5 ℃至30 ℃，该污水平均温度约为12.6℃，可见该污水在温度方面可满足机组工作要求，可以用于建筑供热冷源。

3.2.2 室内温度

依据建筑平面结构特点，该建筑1 ～ 5F 为中通的回廊型，6 ～ 15F 则为封闭式楼层，结合供热垂直失调等因素，选取1F\2F\5F\10F\15F 为典型楼层。根据寒冷地区建筑的特点，确定对东、西、南、北四个朝向的房间及中庭的典型楼层进行温度测量，以代表整栋办公楼房间温度。该建筑属于办公建筑性质，人员正常工作日时间为8:00-17:00，节假日休息。典型楼层供暖季各个测点房间平均温度分布如图3。

图3 供暖季各个测点房间平均温度分布图

图3 可见，总体上南北朝向的房间低于东西朝向，其中中庭温度最高，靠北面的房间温度最低，且各层房间温度随楼层升高而升高。这是受寒冷地区气候特性影响的原因（北面无阳光直射），热空气上升，冷空气下降。根据《室内空气质量标准》[10]，冬季采暖时室内温度的标准值为16℃～ 24℃。一楼、二楼房间温度偏低，但平均温度仍在18℃以上。造成一楼、二楼平均气温较低的，尤其是南北方向的房间的原因可能是因为该建筑南北双向开门，一至五层通透，人员流动频繁，引起的冷风侵入影响较大。5 层房间平均的温度为21℃以上，各个朝向房间平均温度趋于稳定。10 层至15 层以上的房间各个房间平均温度在22℃～ 24℃之间，室内温度达到了热舒适度I 级的要求（温度要求为22℃～ 24℃[11]）。整栋建筑的所有房间都达到了冬季采暖时室内温度的标准值。其中，达到I 级舒适度的房间占75% 以上。

3.2.3 供、取热量

利用公式（3-1）求得了机组的整个季度供热量、取热量，如图4 所示。

图4 中显示，供热量、取热量的波动均比较大，自供暖初期到供暖末期均有下降趋势。供热量在960 ～ 1330kW，平均供热量1100kW，供热量在初寒期及严寒期相对平稳，只有在末寒期偏离较大，这与末寒期天气变暖机组间歇运行有关；取热量576 ～ 1100kW之间，平均取热量700kW，其与供热量有相同的波动变化。随着室外气温的变化，机组的供热量、取热量有相应的上下浮动趋势，可以看出机组的供、取热量与室外温度呈现正相关关系。之所以在末寒期的部分天数，供、取热量与室外温度波动出现异常，是因为室外温度升高机组从全天运行策略渐变为间歇运行方式的原因。

图4 供暖季供热量、取热量及室外温度

3.2.4 供暖季污水源热泵系统能效比

利用公式（3-2）、（3-3）求得了整个供暖季机组和系统逐时的COP 和EER，如图5 所示。

图5 供暖季机组COP 和系统EER

从图5 中可见，机组平均COP 和系统平均EER分别为2.82 和2.2，机组冬季实际COP 较设计值降幅26%。在初寒期机组运行波动频繁，这是受机组设备初运行磨合期、室外污水取水温度、流量及初期间歇运行策略等因素影响，因而运行效率波动较大；进入严寒期系统不间歇运行一段时间后，设备与污水温度、流量等趋于稳定，因而系统运行效率比较平稳；末寒期异常波动的原因来自机组运行策略渐变为间歇运行，致使系统需要多次无规律启动，提水流量不稳定而导致的。

3.2.5 典型日污水源热泵系统能效比

针对机组的实际运行效果情况，选取严寒期中的一天对机组运行数据进行了集中测试。对12 月12 日机组全天的运行数据进行逐时监控。得到该日平均的供热量为943.74kW。图6 为该日机组COP 和EER 的瞬时值。

图6 12 月12 日的COP 与EER

图6 可见，12 月12 日当日瞬时COP 和EER 在夜间时比较平稳，在8 点之后开始在2.8 上下波动，最大COP 为3.1，EER 为2.4。该日机组平均COP 为2.75，EER 为2.08，与整个供暖季机组平均COP 的2.8 相差不大。由此可见，该污水源热泵系统在供暖季运行效果稳定且能够100% 的满足建筑供暖需求。

4 节能减排分析

能源的种类繁多，总体可以分为一次能源和二次能源。目前，对比不同种能源消耗的方法主要有当量热值法和当量标煤法，即把能源消耗统一折算成热值或标煤来进行比较。

为了分析该系统的节能减排效果，采用当量标煤法分别将其供暖季与采用传统燃煤锅炉供暖方式进行比对。在供热工况下，每日该污水源热泵系统较传统燃煤锅炉的节煤量为

通过对上述该污水源热泵机组在2016—2017 年度的实际运行参数分析得到，该机组满足室内负荷的前提下，在冬季供暖期的平均每日供热量约为1100kW，平均COP 为2.82。

利用公式（4-1），该机组冬季较传统燃气锅炉每日节省标煤1571.5kg，供暖季166 天，总计节省标煤量260.8t。总体上看，采用污水源热泵系统的节能效果是非常明显的，且运行时间越长，节能效果越明显。

表2 我国污染物的排放定额

通过公式（4-2）和表2 可以得出污水源热泵系统节能减排量。如表3，供暖季系统相对于传统燃煤锅炉供暖方式CO₂、NO_x、SO_x 和粉尘的减排量。

表3 供暖季污水源热泵的减排量

污水源热泵系统作为一种新型的清洁能源，在系统的运行过程中仅需要消耗少量的电能。与自备锅炉房或区域锅炉房相比，污水源热泵不仅可以减少传统能源的利用，还可以减少CO₂、SO_x、NO_x、粉尘等多种污染物的排放量，对减轻大气污染具有显著的效果。从表3可见，该污水源热泵系统冬季可以减少的CO₂ 排放量为717.2t、SO_x 排放量为1.04t、NO_x 排放量为7.8t、粉尘量为5.2。因此，采用污水源热泵空调系统是减轻大气污染的有效方式，对解决日益紧缺的能源问题和日益严重的城市污染问题均具有积极的意义。

5 结论

通过对寒冷地区某办公建筑的污水热泵系统2016—2017 年度冬季实际运行效果的研究，并与冬季采用传统锅炉供热方式的节能减排量进行对比分析，得到了如下结论：

（1）冬季污水温度在10℃～ 15℃，污水温差为2 ～ 6℃，且流量稳定，非常适合作为污水源热泵的冷热源。

（2）通过对整个供暖季污水源热泵系统运行情况的分析，得到供暖季地源侧进出水平均温度为12℃和9℃，温差为3℃左右；用户侧进出口平均温度分别约为42.6℃和38.8℃，温差为4℃。供暖季机组和系统平均COP 分别为2.82 和2.07。室内房间平均温度均在18℃以上，有75% 以上的房间满足室内舒适度I 级要求，达到了100% 供暖保证率。该系统在整个供暖季运行稳定且效果较好，能够满足用户室内供暖温度要求。

（3）机组的供热量、取热量在供暖季呈现下降趋势，并且受室外温度影响，与室外温度呈正相关关系。

（4）该污水源热泵系统供暖季可以减少的CO₂ 排放量为717.2t、SO_x 排放量为1.04t、NO_x 排放量为7.8t、粉尘量为5.2t。

参考文献

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[4] Hepbasli, Arif, Biyik, Emrah, Ekren, Orhan. A key review of wastewater source heat pump (WSHP) systems [J]．Energy Conversion and Management. 2014: 700-722.

[5] WOJTAN L，BURKHALTER F．Challenges and recent developments in applications with largescale heat pumps. IEA Heat Pump Conference. Montreal(Quebec)Canada, 2014: 1-14.

[6] 付国栋, 陈爱露, 姜益强等. 国内规模最大再生(海) 水源热泵系统运行状况分析[J]. 建筑科学, 2009,25(10): 93-97.

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[9] 全国冷冻空调设备标准化技术委员会. GB/T19409-2013, 水源热泵机组[S]. 北京: 中国标准出版社,2013.3.

[10] 中国建筑科学研究院. GB/T1883-2002, 室内空气质量标准[S]. 北京: 中国标准出版社, 2002.

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作者简介

刘馨（1983—），女，博士，研究生导师，主要从事地源热泵方面的研究工作。

作者

沈阳建筑大学市政与环境工程学院刘馨隋红亮李宗翰李画吴玥鲁倩男

住房和城乡建设部科技与产业化发展中心梁传志