污水源热泵系统运行性能实测与节能潜力分析

贾欣 端木琳 舒海文

（大连理工大学土木工程学院 大连 116024）

污水源热泵系统运行性能实测与节能潜力分析

贾欣 端木琳 舒海文

（大连理工大学土木工程学院 大连 116024）

笔者对大连某原生污水源热泵供热供冷系统进行了实测，获得了该系统供暖季和供冷季的运行数据，供暖季污水温度平均值为10．45℃，机组和系统平均COP分别为5．02和3．93；供冷季污水温度平均值为18．43℃，供冷季机组和系统平均COP分别为6．26和4．54。为了进一步减少污水源热泵系统的运行能耗，提高系统COP，一方面对污水换热器换热系数进行测试研究，与运行初期相比污水换热器换热系数下降了50．08%，更换换热器后，机组和系统COP分别提高了16．08%和11．36%，说明污水源热泵系统定期清洁和更换换热器的重要性；另一方面对污水源热泵机组变工况运行时蒸发器侧和冷凝器侧进水温度和流量对机组性能影响进行分析，基于DataFit软件建立了机组性能随蒸发器和冷凝器进水温度和流量变化的数学模型，并基于TRNSYS平台对系统负荷侧水泵定频和变频工况分别进行模拟，变频运行机组和系统COP均增加，系统累计能耗减少约18.52% 。

污水源热泵；区域供冷供热；性能实测；节能；变频控制

城市污水具有水量大且稳定、在应用季节水温适宜且相对稳定等特点，能够很好地满足水源热泵的使用要求，用作水源热泵系统的冷/热源是完全可行的［1］。污水源热泵系统较空气源热泵系统具有更高的节能性，并且CO2、SOx、NOx、粉尘等 4种污染物排放量大大减少，对减轻大气污染具有显著的效果［2］。80年代以来，美国、日本、澳大利亚、挪威、瑞士、瑞典等国家相继利用城市污水建立了一批大型污水热泵系统。如瑞士污水处理厂利用再生水为低品位热源提供2 893 GWh供热量［3］。对挪威建筑面积30万m2城市中心建筑（包括办公、居住和商业）的供能方案进行技术经济比较分析，确定污水源热泵系统供冷供热为最佳方案［4］。该系统建成运行后对其进行测试，冬季热负荷和冷负荷分别为7 700 kW和5 200 kW，供热和供冷水温为78℃和4℃，系统COP为5；夏季冷负荷为9 500 kW，冷水供水温度为2℃，系统COP 为5.2［5］。 随着我国对环境保护意识的增强，治理大气污染措施的出台，建筑能源结构的调整，污、海水源热泵技术在我国得到较快的发展，对现有系统进行实测与节能分析，具有工程指导意义［6］。大连星海湾商务区再生水源热泵供热/冷工程规范建筑面积200万m2，对单机制热容量为8.3 MW的再生水源热泵系统进行实测，系统制热和制冷COP分别为3.2和4.0［7］。北京马坊馨城污水源热泵项目总建筑面积为12.81万m2，包括居住建筑和公共建筑，冷热源站配备8台水源热泵机组，夏季提供7 520 kW冷量，冬季提供7 357 kW热量，系统制热和制冷COP分别为 3.7 和 2.7［2］。 安爱明等［8］对北京、太原、大连和唐山4个污水源热泵系统进行分析比较，指出热泵系统形式、污水品质、热泵机组性能是影响热泵系统COP的关键因素，为污水源热泵系统的设计及运用提供参考依据。清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室［9］对再生水源热泵冷热联供系统特性进行节能分析，得到再生水源热泵冷热联供系统相对于分立方式，夏季工况下节能超过30%，冬季工况能源利用率高出40%，同时可减少污染物排放，对污水厂自身资源回收利用、实现节能减排有积极意义。为进一步提高热泵系统的COP，一些学者做了进一步研究。K．J．Chua等［10］对最新热泵的技术和应用进行了总结，指出热泵系统和传统锅炉系统相比，CO2排放量可以减少一半，并指出新技术的出现可以使系统能耗进一步降低。 J．M．Choi［11］对某热泵系统进行实验测试，得到增加循环水流速提高供水温度比增加压缩机频率的性能系数高。庄兆意等［12］为了减少污水源热泵系统中水泵的耗电量，节省运行费用，采用理论分析和实验测量的方法，确定北京某宾馆污水源热泵系统冷热源部分水泵的变频范围和变频前后整个夏季制冷期的耗电量，研究水泵变频调速供水的节能效果和经济性，得到冷热源水泵采用了变频调速技术，与不变频相比，可有效地减少耗电量，明显地节省运行费用，可带来显著的经济效益。刘洋等［13］建立了水源热泵机组COP与冷却水和冷冻水温的关系数学模型，为水源热泵机组和系统的优化设计提供了一定依据，但是没有考虑流量的影响。J．Cervera⁃V