污水源热泵在广州火车站的应用可行性分析

汪 玺,邓志辉,程 文

(1.西南交通大学机械工程学院,成都 610031； 2.中铁八局集团建筑工程有限公司, 成都 611731)

随着社会科技的发展,污水源热泵技术日趋成熟,污水源热泵利用污水能量,冬季提取污水低品位的热能,通过热泵系统,以消耗较少的电能将所取的低位热能供给室内采暖,夏季把室内热量取出,释放到水中,以达到夏季空调的目的。利用污水源能量为建筑物供暖和空调具有重要的节能和环保意义[1-3],并且污水源热泵技术在工程实际当中得到逐步的应用。

火车站一直作为能耗大户存在,据北京、广州等已营运的铁路枢纽线路的统计数据,空调系统能耗约占铁路车站建筑总能耗的50%[4],成为车站建筑的最大能耗。随着国家节能减排政策的实施,降低铁路运营能耗成为了关注的焦点,本文着重分析了污水源热泵在广州火车站应用的可行性和经济性。

1 建筑概况及特征

1.1 建筑概况

广州火车站共有4层,总建筑面积31 064 m2,一层主要为售票厅、进站大厅和候车室；二层主要为候车室；三层为办公用房；四层为办公用房和设备用房。

1.2 空调系统情况

广州火车站空调面积为24 560 m2,夏季空调室内计算温度为26～28 ℃,相对湿度为40%～65%,非中央空调面积为5 560 m2,其中票房空调系统为单独空调系统；办公用房采用吊装空调机组和分体式空调机组；中央空调系统冷源为2台相同规格的离心式冷水机组,每台制冷量为3 059 kW,每台机组配备一用一备2台水泵,末端设备为风机盘管。夏季空调负荷峰值为3 192 kW,建筑冷负荷指标为120 W/m2,广州火车站空调区域信息见表1。

表1 广州火车站空调区域信息

2 污水源特性

2.1 污水源水温

污水能量的可利用性主要取决于污水的温度,污水源热泵系统运行的经济性和污水温度具有很大的关系[5]。城市污水通常表现为水温恒定,冬暖夏凉[6],夏季温度较低的污水将制冷剂冷却,将室内热量释放到污水当中,起到空调的作用,对广州火车站污水井污水温度进行连续3 d的实地测量,测量结果见图1,其中广州市全年污水温度和室外平均温度变化趋势见图2。

图1 连续3 d污水温度

图2 全年污水月平均温度

从图1可以看出,污水井污水温度连续3 d变化不大,维持在19 ℃,自来水温度在21.5 ℃波动,从图2可看出广州市全年污水温度和室外平均温度变化趋势,其中污水温度在空调期内表现基本恒定。通过测试结果和相关调查数据,广州火车站夏季污水温度在22～26 ℃变化,和广州夏季室外干球温度相差7～10 ℃,可见该污水温度可以满足热泵空调运行条件。

2.2 污水水质条件

通过对广州火车站污水汇聚处污水井的现场观测,水颜色为浅黄色,有较大尺寸的污杂物,是一种固液两相,相多组分流体,呈现非牛顿特性。

污水的水质关系到污水处理成本的大小,污水源热泵系统成功与否的关键因素之一。对污水水质的特点,在解决换热器防堵塞、防腐蚀、防结垢清洗等关键技术问题的前提下,才能保证整个污水源热泵系统的正常运行。通过对污水井的污水进行取样化学分析,其PH值基本成中性,腐蚀性较低。另外火车站污水井污水中的悬浮物,油脂,生化需氧量(BOD),化学需氧量(COD)等指标均达到可作为热泵水源的标准,具有利用的可行性。

2.3 污水水量

广州火车站用水量较大,月平均在6万m3左右,统计了广州火车站逐月客流量和每月用水量,其中广州火车站客流量见图3,广州火车站月用水量见图4。

图3 广州火车站客流量

图4 广州火车站月用水量

拟合出广州火车站每月用水量和客流人数非线性的数学关系式为

W=7.168x6-300.8x5+4 568x4-33 468x3+

(1)

(2)

式中，W为用水量,t;W1为污水量,t;x为客流量，万人；τ为排污系数(取0.9)。

通过调查发现,广州火车站每月用水量和客流人数成非线性关系的原因为广州火车站的用水量大部分用在人员饮用,盥洗,少部分的用于洗浴,绿化,清扫等。用水量受到诸多因素的影响,而且用水量受客流量的影响较大。另外被带走的水只占用水量的很少一部分,可以忽略不计,剩下的绝大部分用水被转化为污水排放到污水井。取广州火车站排污系数为0.9,即用水量的90%都转化为火车站污水。

根据广州室外气象参数特点,假设5～11月份为空调期,在空调期内污水总量约为37万t,平均每天污水量在2 000～2 600 t变化。

2.4 夏季污水制冷能力[7]

广州火车站冬季不考虑采暖,只需考虑夏季空调,夏季相差温度取为5 ℃,以污水量最少的5月份为参考,则最少可从污水提取冷量为

(3)

式中，Q为冷量；ρ为污水密度；c为比热；W1为污水量：Δt为温差，取为5 ℃。

热泵性能系数取5(此系数参考某半封闭螺杆式污水源热泵冷热水机组的设计工况)，热泵的总制冷功率为

(4)

式中，P为总制冷功率；COP为性能系数。

根据工程经验,火车站建筑冷负荷指标K=120W/m2,可计算出广州火车站采用污水源热泵能提供的空调面积

(5)

式中，S为空调面积；K为建筑冷负荷指标，取为120W/m2。

所占中央空调区域面积比例为

(6)

式中，γ为比例；A为空调区域总面积。

通过计算出在空调期内采用污水源热泵能提供的空调面积见图5。

图5 污水源热泵不同月份提供的空调面积

从上可以看出：广州火车站采用污水源热泵最小能提供10 100 m2的空调面积,占整个中央空调区面积的53.15%；最大能提供13 200 m2的空调面积,占整个火车站中央空调区面积的69.47%。

3 经济性分析

3.1 经济评价方法[8]

污水源热泵经济性评价方法目前采用能源工程中最常用的2种方法：财务净现值法和动态费用年值法。

王老师：当然也思考，但我不会把这种思考叫作“经验研究”“行动研究”。经验是有，但背后缺乏真正的研究；行动也有，但背后也只有总结。什么都叫研究的话，反而拉低了研究的层次。如果教师上完一堂课之后反思一下教学就叫研究，班会课后写一份总结报告也能变成论文，那就失去研究的意义了。我并不反对思考、总结，但我反对把教师的思考和总结包装成“学术论文”，甚至以指标的形式强迫教师发表。

(1)财务净现值法

财务净现值法是按照部门规定的标准收益率,将各年所发生的净现金流量(即现金流入与流出之差),折算到建设期起始年的现金总和,当净现值≥0时,表示该方案可行；当净现值≤0时,该方案不宜采用。财务净现值法计算公式为

(7)

式中，FNPV为净现值，元；n为建设期与经济寿命之和；Ct为第t年得流入现金与流出现金之差；i为标准收益率。

(2)费用年值法

(8)

式中，FA为按年动态法计算的年计算费用，元；N为设备种类数；Kj为编号为j的设备投资额，元；C为年运行费用；m为设备使用年限。

3.2 主要经济技术指标[9]

(1)系统造价。为供暖、空调系统各部分造价之和,包括土建费、设备购置费、安装费及其他费用(设计费、监理费和不可预见费),本文主要考虑设备费用。

(2)运行成本。为系统中各部分每年消耗的费用,包括水费、电费、燃料费、排污费、管理人员工资、管理费、设备折旧费和设备维修费等,本文计算只考虑电能费用。

3.3 计算参数

(1)选取广州地区夏季室外气象参数,其中空调期为180 d,每天供冷12 h。

(2)空调面积为10 100 m2,冷负荷为1.12×103kW。

(3)空调系统产生的效益按空调收费标准为23元/(m2·年)计算[10]。

(4)设备运行20年。

(5)相关参数见表2和表3。

表2 部分主要设备投资

表3 系统燃料价格和能耗性能选取参考值

3.4 计算结果

污水源热泵系统和离心式冷水机系统造价及其净现值见表4。

表4 两种系统造价及净现值 万元

污水源热泵系统和离心式冷水机系统年固定费用、年运行费用、费用年值见表5。

表5 两种系统年固定费用、年运行费用、费用年值 万元

可得出污水源热泵相对于离心式冷水机组的资金回收期为

(9)

4 计算结果分析

(1)从表2可以看出污水源热泵系统主机造价高,但是由于污水源热泵不需要专门冷却设备,因此相对于离心式冷水机组可以节省冷却塔的投资。

(2)从表3可以看出污水源热泵性能系数远高于离心式冷水机组,具有较高的性能和较低的能耗。

(3)从表4、表5可以看出污水源热泵初投资高于离心式冷水机组,但费用年值却低于离心式冷水机组,并计算出投资回收期为3.98年。投资回收期相对较长的原因是由于广州火车站只有单一制冷工况,不能享受到污水源热泵一机两用所节省的初投资和运行费用,不过考虑到污水源热泵的节能效益和环保效益,污水源热泵仍然具有很强的经济竞争力。

5 结论

(1)采用污水源热泵最少能满足广州火车站53.13%中央空调区的夏季空调要求,在污水量充足的10月份该比例能达到69.47%。

(2)按照文中给出的计算条件和能源价格,从动态费用年值来看,污水源热泵低于现有的离心式冷水机组,并且计算出采用污水源热泵相对于离心式冷水机的投资回收期为3.98年,在当前较高的电价下,具有很强的经济竞争力。

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