污水源热泵供热系统实际运行工况分析

王佳娜，廖吉香，马庆艳

（1-国内贸易工程设计研究院，北京 100069；2-哈尔滨学院，黑龙江哈尔滨 150086）

污水源热泵供热系统实际运行工况分析

王佳娜*1，廖吉香2，马庆艳2

（1-国内贸易工程设计研究院，北京 100069；2-哈尔滨学院，黑龙江哈尔滨 150086）

以哈尔滨市应用的某污水源热泵为例，通过应用实际测试的方法，分析了污水热能利用情况及系统供热过程中热泵机组的供热性能。结果表明：在测试期间，室内外温差很大的情况下，污水源热泵仍能满足供热要求，具有良好的稳定性。热泵机组的平均供热性能系数为2.92。

污水源热泵；热泵机组；供热性能

0 引言

东北寒冷地区供暖期长、能源消耗大。建筑供暖系统的热源以燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉和热化电站为主，一方面造成了能源的严重浪费，另一方面煤、石油、天然气的燃烧排放出大量的CO2、SO2和粉尘等对环境有害的物质，造成了对生态环境的破坏[1]。建筑采暖节能已成为我国最关注的问题之一，因此，可再生能源利用成为目前研究的重点[2]。节能环保型供暖系统在东北寒冷地区的开发和应用将具有更加显著的节能意义。

近几年，热泵供暖方式以其节能环保的优势越来越受到人们的关注。它能把从低品位热源吸收的热量，全部转化为有用的热量，大大提高了采暖装置的效率[3]。城市污水中所赋存的热能便是一种公认的尚未有效开发和利用的清洁能源，利用热泵技术可以回收城市污水中不能直接利用的低品位能量[4]。它具有冷热量输出稳定、COP值高、换热效果好和机组结构紧凑等优点，是实现污水综合利用的有效途径[5]。污水中所含热能为 5.6×108kcal，可相当于23×108kW的发电量或5×108m3的液化气[6]。以城市原生污水作为热泵的低位热源具有很大优势，但是由于受到国内水源热泵技术及污水水质复杂、水温较低等因素的限制，此应用技术方面的研究一直不多[7]。

东北寒冷地区的代表城市哈尔滨在污水源热泵技术及其应用方面做过长时间的研究和探讨。虽然存在流动阻塞和换热等技术问题[8]，但对于原生污水源热泵系统的研究也取得了一定的成果。本文对哈尔滨某商城的原生污水源热泵供热系统进行实际测试，得到在供热过程中污水的温度变化及热能利用状况和热泵机组的运行参数等。

1 污水源热泵供热工况介绍

实验系统为试验房内安装的一台水源热泵（型号：RHSBW600HS），系统如图1所示。

测试时间为2012年11月10日到30日，累计运行时间 162 h。测试期间对污水源热泵的整套系统进行全面测试。测试地点为哈尔滨某商城，总建筑面积达50,000 m2，地上两层、地下一层，主要经营陶瓷。供暖性能试验房间为第二层的一个房间。

测试参数包括：室内温度tn和室外温度tw；热泵水源侧进口温度twg和出口温度twh；热泵用户侧进口温度tg和出口温度th；水源侧水流量V1；用户侧水流量V2；热泵耗电量Wn；用户侧循环水泵、水源侧循环水泵和污水泵的累计耗电量W；风机盘管的累计耗电量Wo。

测试中，选取了供暖期间的某一天，从两方面对整个污水源热泵系统的供热性能进行研究[9]，包括：考察污水源热泵系统在整个供热测试期间的整体供热性能及热泵机组的工作性能，以及考察一天中污水源热泵系统各设备主要性能参数及热泵机组的工作性能随时间变化的规律。

图1 污水源热泵供暖系统图

2 污水源热泵应用测试结果分析

2.1 采暖能力测试结果

如果室外温度有变化，供热房间的热负荷也必然发生变化，为达到房间所要求的供热温度，污水源热泵系统的供热量须与房间热负荷一致。

2.1.1 整个供热期间室内外温度的变化

测试结果如图2所示。

由图2可以看出，在整个供暖期间，室外的平均温度为-5.3 ℃，室内平均温度为21.1 ℃，说明污水源热泵供热系统在寒冷的天气下仍可以满足房间的供暖要求。

图2 室内外温度变化

2.2.2 一天内室内外温度的变化

图3显示了某一天室内外温度的变化，可以看出室外温度变化较大的情况下，室内温度变化很平稳，仍旧维持在 21 ℃左右。这一天室内最大温度变化幅度为 2.5 ℃，测试期间室外最大温度变化幅度为 5.6 ℃。这表明污水源热泵系统有较强的负荷调节能力，完全能满足房间的供暖要求。

图3 某一天室内外温度(2012年11月20日)

2.2 供热性能测试结果分析

2.2.1 污水源热泵系统供热量

系统的供热量Qr为热泵机组的供热量。

式中：

Qr——热泵机组的供热量，kJ；

ρw——热水的平均密度，kg/L；

Cw——热水的平均比热，kJ/(kg·℃)；

Vw——供热热水（用户侧）每日体积流量，L；

tg，th——用户侧的供回水温度，℃。

系统日平均供热量为：

式中：

QrP——热泵机组的日平均供热量，kW；

n ——日平均供热时间，h；

tpg,tph——水源侧进出口流体的日平均温度，℃。

2.2.2 系统耗功量

系统耗功量包括压缩机、污水水泵、水源侧循环水泵及用户侧循环水泵和风机盘管耗电量，即为热泵系统耗电的总和。

2.2.3 系统日平均供热性能系数

式中：

Wc——压缩机的日平均耗电量，kW；

Wp——污水水泵的日平均耗电量，kW；

Wwp——水源侧循环水泵及用户侧循环水泵的日平均耗电量，kW；

Wf——风机盘管的日平均耗电量，kW。

图4和图5所示测试期间系统日平均供热量、耗功量及系统日平均供热性能系数的变化。由图可见，系统日平均供热量和系统日平均耗功量变化不大，整个测试期间系统平均供热量为531.44 kW，平均耗功量为203.93 kW，平均供热性能系数为2.61。可见机组运行稳定。

图4 系统日平均供热量和耗功量

图5 系统日平均供热性能系数

图6和图7显示了某一天内，系统供热量、耗功量及供热性能系数随时间的变化情况。由图可见，系统耗功量、系统供热量及供热性能系数随时间的变化均不大。全天的供热量为6,980.30 kW·h，累计系统耗功量2,653.48 kW·h，系统平均供热性能系数为2.63。

图6 系统瞬时供热量和耗功量(2012年11月20日)

图7 系统瞬时供热性能系数(2012年11月20日)

2.3 系统整体供热工况实验研究结论

1) 哈尔滨地区2012年11月10日至11月30日的室外平均温度为-5.3 ℃，昼夜温度变化幅度在8 ℃左右。

2) 测试期间哈尔滨地区冬季经过中介水和污水换热后的水温（热源水水温）在9.3 ℃～11.3 ℃之间变化，满足供热负荷的需求。表明污水源热泵系统在寒冷的天气条件下也可满足建筑物供热要求。

3) 在哈尔滨昼夜温差为10.8 ℃的条件下，污水源热泵系统仍能满足建筑物的供热负荷随时间的变化要求，故有很好的负荷调节能力。

4) 在整个测试期间，污水源热泵系统的耗功量、供热量及供性能系数变化不大，且运行平稳，可进行长期工作。

5) 系统总平均供热性能系数为2.63，具有较高的供热系数，很节能。

3 热泵机组性能的研究

该商城一般白天营业，故采用热泵机组供暖，高效节能。商城总供热面积为34,000 m2，总负荷为1,800 kW，采用RHSBW600HS型螺杆干式冷水（热泵）机组，其制冷量为(116～1,372) kW。

3.1 热泵机组日平均吸热量、供热量及耗功量

在忽略管道热损失的情况下，机组冷凝器日平均放热量就是系统的日平均供热量，由公式(2)进行计算。

而机组蒸发器日平均吸热量就是换热盘管的日平均换热量，由下式确定：

式中：

Q0—— 蒸发器日平均吸热量，kW；

n——每日供热时间，h；

ρ——换热盘管内载冷剂的平均密度，kg/L；

Cc——换热盘管内载冷剂的平均比热，kJ/(kg·℃)；

Vc——流过换热盘管的载冷剂每日体积流量，L；

Tzg，Tzh——蒸发器(水源侧)进出口流体的温度，℃。

图8表示测试期间内蒸发器及冷凝器进出口流体平均温度的变化情况。由图可见，在供暖期间，蒸发器及冷凝器进出口流体的日平均温度变化不明显，其温差也较恒定。冷凝器出口流体平均温度为44.2 ℃，冷凝器进口流体平均温度为39.4 ℃，蒸发器进出口流体平均温度分别为10.1 ℃和3.4 ℃。

图9为供暖期间热泵机组的日平均吸热量、供热量及压缩机日平均耗功量的变化情况。从图中可以看出，热泵机组的日平均吸热量、供热量及压缩机日平均耗功量的变化很小，蒸发器平均吸热量为446.56 kW，冷凝器平均供热量为590.49 kW，压缩机平均耗功量为143.93 kW。且每条曲线都很平缓，说明热泵机组的工作性能很稳定，可以长期运行。

3.2 热泵机组瞬时吸热量、供热量、耗功量及性能系数[4]

1）热泵机组的瞬时吸热量：

式中：

q0——热泵机组瞬时吸热量，kW；

Vc——换热盘管内载冷剂的体积流量，L/h；

tzg，tzh——蒸发器水源侧进出口流体温度，℃。

2）热泵机组的瞬时供热量：

式中：

Qk——热泵机组瞬时供热量，kW；

Tk,i，tk,o——冷凝器进、出口流体温度，℃。

3）机组的瞬时耗功量由电度表测出。

4）热泵的供热性能系数由下式计算：

式中：

ξh——热泵性能系数；

Qk——热泵瞬时供热量，kW；

Whp——热泵瞬时耗功量，kW。

图10为供暖期间某一天内，蒸发器及冷凝器进出口流体温度的变化情况。由图可知，蒸发器进出口流体的平均温差为 6.8 ℃，冷凝器进出口流体的平均温差为 4.8 ℃。冷凝器进口平均温度为39.1 ℃，冷凝器出口平均温度为43.9 ℃；蒸发器进口平均温度为 10.5 ℃，蒸发器出口平均温度为3.8℃。曲线均较平缓，说明热泵的工作性能稳定。

图10 蒸发器、冷凝器进出液温度及温差（2012年11月20日)

图11表明了在供暖时间某一天内，热泵供热量为7,755.83 kW·h，吸热量为5,882.30 kW·h，热泵机组耗功量为1,873.48 kW·h，热泵耗功量随时间的变化较小，瞬时供热量和吸热量变化也不大。

由图12知热泵的供热性能系数变化甚微，且平均供热性能系数为2.92。

图11 热泵供热量、吸热量及耗功量随时间的变化(2012年11月20日)

图12 热泵机组供热性能系数（2012年11月20日）

3.3 热泵机组供热工况实验研究结论

1）在供暖测试期间，热泵机组的平均吸热量为451.85 kW，平均供热量为595.90 kW，热泵机组的平均耗功量为204.10 kW，热泵机组的平均供热性能系数为2.92。

2）在供暖期间的某一天内蒸发器的进出口流体温度、冷凝器的进出口温度、热泵的平均吸热量、平均供热量及压缩机的平均耗功量，随时间的变化都不大，表明热泵机组的工作性能稳定，适合长期运行。

4 结论

通过对污水源热泵机组在哈尔滨地区的实际应用工程的实测分析，得到关于污水源热泵在寒冷地区应用的供热性能的数据资料。测试结果表明污水源热泵在寒冷地区运行情况良好，适合长期应用；系统供热性能良好，具有较高的供热性能系数，系统具有良好的节能性和经济性。

[1]刘志斌,王海燕,吴荣华,等.原生污水热泵空调系统的工程应用与设计研究[J].可再生能源,2006(3): 40-45.

[2]李莉,蒋露.污水源热泵技术在污水处理厂中的应用[J].建筑热能通风空调,2010,29(4): 43-45.

[3]尹军,王宏哲,韦新东.城市污水热能利用技术及展望[J].吉林建筑工程学院学报,2001,18(2): 29-32.

[4]陈颖.再生水源热泵工程应用分析研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.

[5]曲云霞,杨勇,李爱景,等.污水源热泵供热的工程应用及分析[J].可再生能源,2007,25(2): 103-105.

[6]崔福义,李晓明,周红.污水资源及其在热泵供热中的应用[J].低温建筑技术,2005(1): 96-97.

[7]廖吉香,刘兴业,马庆艳,等.东北地区污水水源热泵现状分析[J].节能技术,2005,23(6): 539-543,561.

[8]吴荣华,孙德兴,张成虎,等.城市污水源热泵的应用与研究现状[J].哈尔滨工业大学学报,2006,38(8): 1326-1329.

[9]白莉,尹军,张喜明.利用城市污水热能供热的实验研究[J].暖通空调,2006,36(10): 93-96.

Operating Performance Analysis on Heating System of Sewage Source Heat Pumps

WANG Jia-na*1,LIAO Ji-xiang2,MA Qing-yan2
(1-Internal trade engineering design and Research Institute,Beijing 100069,China;2-Harbin University,Harbin,Heilongjiang 150086,China)

Taking the sewage source heat pump applied in Harbin as an example,the utilization of sewage energy and the heating performance of heat pump unit during the system heating progress was analyzed by the actual test way.The results show that,at the test period and under the condition of large difference between indoor temperature and outdoor temperature,the sewage source heat pump still satisfy the heating quest and have a good stability.The average heating performance of the heat pump unit is 2.92.

Sewage source heat pump;Heat pump unit;Heating performance

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.204

*王佳娜（1980-），女，工程师，学士。研究方向：制冷与空调。联系地址：北京市右安门外大街99号1105室，邮编：100069。联系电话：010-83516747。E-mail：jianawang@126.com。