大规模再生水源热泵系统再生水侧应用设计中注意的若干问题

鱼亚丽　朱百川　曹伟　李鹏　杨立博

摘要：对于大规模再生水源热泵系统，再生水侧与小规模系统有很大的区别，本文首先分别分析了集中式与一级分散式的优劣势，其次，总结了几项再生水侧设计中应注意的几个问题，主要包括：开式环路设计及后期运营建设中水压图的应用、针对不同再生水源温度选择工况问题及提升泵选型时注意的几项事宜。再生水源由于水温相对稳定、资源广、分布与负荷相对一致，有很广阔的应用前景，本文从已实施项目出发总结，希望对以后的相似项目起到参考作用。

关键词：再生水源热泵；污水源热泵；大规模；设计；工况

前言

关于大规模污水源热泵站布置形式，一般有集中式、一级分散式和两级分散式三种形式[1]，由于两级分散式系统复杂，应用较少，现仅对集中式和一级分散式做以比较。

集中式与一级分散式的主要区别在于，污水集中送至一个集中的污水源热泵站内，还是通过污水泵及污水管网送至各个分散的污水源热泵站。最终都是由污水源热泵机组制出满足用户制冷、采暖温度要求的冷热水，再通过负荷侧室外管网送至各个供冷供热用户。一般情况下，集中式相对一级分散式污水侧管网较短，负荷侧管网庞大。由于延米污水阻力相对清水大[2] ，集中式污水侧能耗较低，负荷侧能耗较高。集中式需要一个相对较大的热泵站，分散式需要分散的多个热泵站。最终，应根据项目建筑空间分布、冷热负荷特点、热泵主机市场上最大容量等条件，以及权衡采用一级分散式污水侧增加泵耗、分散式热泵机房建筑投资与采用集中式污水侧集中退水管网增加初投资、集中式热泵机房投资，采取适宜的布置形式。

关于污水源热泵系统设计方面的注意事项，相关文献提到的内容不多[3-5] 。本文将从某一级分散式再生水源热泵系统出发，从以下几个方面进行剖析设计中应该注意的几项事宜：1应注意水压图在污水输配水管网设计、后期改扩建中的应用；2系统选择时应根据冬季最不利温度结合污水换热器换热特性确定；3污水提升泵配置大小确定应根据建筑规模、建设进度、水泵容量、水泵特性综合考虑。

1、水压图应用

忽略动能水头，只考虑位置水头和压力能水头，即用测压管水头线代替表示总水头线。则压力能水头值[p/ρg=H-Z]（m）。

水压图绘制一般体现供热系统纵向标高以及测压管水头线随系统管道长度的变化。

对于一级分散式系统，污水输配水管网为开式系统，由于配水点多、接入时间、接入地点不定以及污水换热器承压能力较低，设计及运行中都会带来一些问题。建议在设计阶段，对整个污水输配水管网片区的接入点绘制水压图，一方面，容易确定提升泵扬程，尤其需要注意不处在最不利环路上，但地势较高的接入点；另一方面，确定每个接入点资用压头，保证污水换热器入口不超压；在后期建设过程中，随着供暖片区各供暖点的接入，需要利用水压图核实新的接入点资用压头是否够用、是否超压，从而确定是否可以接入。

则接入点资用压头可以克服污水换热器及退出水管路各项压头损失，其中[P2]为污水接入点到污水退出雨水口所需要的全部压头损失，应咨询厂家并计算确定（一般为0.1-0.2MPa）。

2、工况选择

全国各地污水水温较为平稳，但存在差异，在系统设计工况选择时，应根据所利用污水实测污水最不利温度，考虑污水换热器一定传热系数情况下必须满足的流量，通过计算确定。规范规定，设计工况下污水水源可利用的温降（温升）不宜小于3℃[1]。计算流程如下：

步骤1：输入建筑负荷[Q]（kW）、主机[cop]、假定一个污水供回水温差[?t1]（℃），计算得到污水侧流量[L1]（m3/h）；

步骤2：输入中介水供回水温差[?t2]（℃）（暂假定为10/5℃，即温差为5℃），由步骤1中污水供回水温差[?t1]（℃），计算得到传热温差[?tm]（℃）；

步骤3：由传热温差[?tm]，输入污水换热器传热系数[K]（W/m2.℃）及单台换热面积[F]（m2），计算得到污水换热器台数[N]（台）及污水侧流量[L2]（m3/h）；

步骤4：比较[L1]、[L2]，若[L1≥L2]，则污水侧及中介水侧工况与污水换热器一定传热系数所要求的流量相匹配；

步骤5：若[L1

步骤6：若仍无法满足，则修改中介水供回水温差[?t2]（℃），考虑到热泵主机存在低温保护，仅降低热泵主机出水温度。

3、提升泵大小泵配置

關于提升泵站处水泵的配置，考虑到所服务各片区建筑接入管网时间不定，由于建筑面积、入住率等问题，仅配置大泵，项目运营初期运行费用高。

另外，对于供暖建筑，随着供暖季天与天之间，每天24小时之间，负荷都有很大的变化，流量随之也发生变化，并非总是处于最大流量的状态。

因此，建议考虑大泵与小泵结合使用：大泵并联按照满足最不利流量及相应阻力配置，小泵选择可以按照单台大泵变频下限考虑，也可以大泵小泵有一定的流量重叠区域。

在配置提升泵时，还应注意：1再生水侧室外管网设计时按照最不利工况设计，在管网一定的情况下，同时配置小泵，应按照既有管网核算小泵所需扬程进行选型；2选择泵时，应选择性能特性曲线较陡的泵，可以利用扬程偏离设计工况点一定范围后，流量变化幅度来判断，即尽量选择流量变化相对扬程波动不敏感的水泵。

4、总结

大规模再生水源热泵由于为建筑片区进行供暖制冷服务，其与小型系统的主要区别在于冷热源侧管网，相对来讲，大规模再生水源热泵并不是很多，设计实施方面存在经验普遍不足的情况，需要在设计、实施及采购中特别关注管路流量分配、压力分布、输配水泵选型及系统工况确定等方面问题。本文从已实施的某一级分散式工程项目经验出发，总结了几项应注意的问题。除了水压图外，其余几项也同样适用于集中式系统。主要结论有：1项目可行性论证阶段应该实地勘察管径路由，根据各项条件做技术及经济对比，采取适宜的布置形式；2对于再生水源侧开式系统，应重视水压图在前期输配水管网设计、后期改扩建中的应用；3工况选择时应综合考虑冬季再生水温度、污水换热器换热特性；4污水提升泵配置大小确定应根据服务建筑特性、建设运营进度、水泵特性综合考虑，并应选择特性曲线较好的水泵。

参考文献

[1] DB21/T1795-2010 污水源热泵系统工程技术规程[S]. 辽宁：辽标出版社，2010

[2] 吴荣华，马广兴，孙德兴. 城市原生污水冷热源污水流动阻力特性研究[J]. 哈尔滨工业大学学报，2006，（11）：1847-1849+1853.

[3] 李亚峰，陈平；利用热泵技术回收城市污水中的熱能[J]；可再生能源；2002年06期

[4] 李建兴，涂光备，周文忠；城市污水热泵在住宅供热中的应用[J]；流体机械；2004年09期

[5] 康彦青. 污水源热泵相关技术问题探讨[A]. 西安热能动力学会、西安交通大学、西安建筑科技大学.第一届中国（西安）采暖通风、制冷空调节能减排技术研讨会论文集[C].西安热能动力学会、西安交通大学、西安建筑科技大学：，2009：6.

[6] 王亦昭，刘雄.供热工程[M] .北京：机械工业出版社，2007.

[7] GB 50366-2005 地源热泵系统工程技术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2005

作者简介：鱼亚丽（1984-），女，硕士研究生，一直从事暖通建筑节能方面相关工作。