污水源熱泵在商業(yè)建筑節(jié)能改造中的應(yīng)用

徐睿奇 周勃 費(fèi)朝陽(yáng) 孫成才

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院

0 引言

2018 年北方城鎮(zhèn)供暖能耗為2.35 億tce，占總建筑能耗的23%，能源消耗和環(huán)境污染的雙重壓力顯著[1]。商場(chǎng)類建筑具有客流密度大、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此全年制冷供暖的能耗大，成為建筑節(jié)能的重點(diǎn)改造對(duì)象[2-3]。已有公共建筑普遍采用的燃煤鍋爐和溴化鋰直燃機(jī)方案，機(jī)組效率衰退、建筑能耗過(guò)大，是節(jié)能改造的關(guān)鍵。

污水源熱泵能夠較大緩解能源缺乏，熱源分布不均和環(huán)境問(wèn)題。城市污水溫度適合為冬夏兩用熱泵提供低位熱能[4]。本文以沈陽(yáng)市某大型商業(yè)建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造為例，采用污水源熱泵代替原有蒸汽式鍋爐，溴化鋰直燃機(jī)和離心式制冷機(jī)，探究原有建筑節(jié)能潛力以及污水源熱泵在節(jié)能改造中的應(yīng)用，為商業(yè)建筑的冷熱源優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 能源系統(tǒng)介紹

該項(xiàng)目為沈陽(yáng)市一綜合型商業(yè)，該建筑1999 年投入使用，空調(diào)面積340000 m2，空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷28564 kW，供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷21086 kW，空調(diào)末端采用組合式空調(diào)機(jī)組和吊頂式空調(diào)機(jī)組全年制冷采暖。由于當(dāng)時(shí)沈陽(yáng)地區(qū)柴油價(jià)格為2800～3000 元/噸，而市政掛網(wǎng)費(fèi)（100～120 元/m2）與電網(wǎng)增容費(fèi)（1000 元/kVA）都比較高，因此該項(xiàng)目采用了蒸汽鍋爐和溴化鋰直燃機(jī)作為熱源，改造前主要設(shè)備如表1。

表1 改造前冷熱源主要設(shè)備表

2014 年該建筑整個(gè)供暖期運(yùn)行151 d，日平均運(yùn)行時(shí)間為11 h。夏季采用離心式制冷機(jī)組供冷，整個(gè)制冷期運(yùn)行100 d，日平均運(yùn)行時(shí)間為12 h。電價(jià)按照1元/kW·h 計(jì)算，柴油價(jià)格已上漲至7800 元/噸，該建筑冬季供暖燃油費(fèi)為1966 萬(wàn)元，輸配系統(tǒng)電費(fèi)136 萬(wàn)元。夏季主機(jī)電費(fèi)為490 萬(wàn)元，輸配系統(tǒng)電費(fèi)60 萬(wàn)元。分析該建筑實(shí)際能耗數(shù)據(jù)，燃油是建筑空調(diào)系統(tǒng)最大能耗。若按照沈陽(yáng)市商業(yè)建筑市政熱網(wǎng)32 元/m2的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，該商場(chǎng)的采暖費(fèi)用為1088 萬(wàn)元/a，僅為冬季真實(shí)供暖能耗費(fèi)用的一半，這說(shuō)明由于能源價(jià)格變化，原有冷熱源方案已不再適應(yīng)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。此外，原有空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合過(guò)大，主機(jī)選型均過(guò)大，長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行，機(jī)組效率低，離心式制冷機(jī)組效能低。而且由于商業(yè)建筑體量較大，為滿足靈活啟停，主機(jī)設(shè)備互為備用，但是原設(shè)計(jì)主要設(shè)備均超過(guò)60%備用量。

基于以上分析發(fā)現(xiàn)，該空調(diào)系統(tǒng)有較大節(jié)能改造潛力。該項(xiàng)目周?chē)袃蓷l污水干渠，污水量分別為800 m3/h、2200 m3/h，冬季污水溫度約為22 ℃，為采用污水源熱泵提供有利條件。另外，由于該項(xiàng)目周?chē)鷽](méi)有污水處理廠，若將污水源熱泵泵站建在其他地區(qū)污水處理廠附近，會(huì)怎加輸送距離，導(dǎo)致能量損失增加，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用增加。而且，建筑物空調(diào)冷熱負(fù)荷較小，污水源熱泵循環(huán)污水流量?jī)H為該地區(qū)污水處理量的16%。不會(huì)對(duì)下游污水處理廠產(chǎn)生影響。因此，采用城市原生污水作為熱泵系統(tǒng)的低位熱源，利用熱泵技術(shù)為建筑供熱供冷。

2 節(jié)能改造方案

重新計(jì)算該建筑的空調(diào)負(fù)荷，設(shè)計(jì)冷負(fù)荷17096 kW，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷1678 kW，分別比原來(lái)設(shè)計(jì)值下降40.1%、20.4%。根據(jù)建筑物功能、運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行空調(diào)分區(qū)，有利于空調(diào)系統(tǒng)分時(shí)分區(qū)調(diào)控，峰值調(diào)節(jié)和設(shè)備互相備用。設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的溫度和運(yùn)行參數(shù)，設(shè)計(jì)污水換熱器的換熱面積并進(jìn)行熱泵選型。

2.1 熱泵系統(tǒng)的溫度參數(shù)設(shè)計(jì)

如圖1 所示當(dāng)冬季制熱時(shí)，13 ℃左右的污水經(jīng)過(guò)水泵進(jìn)入污水換熱器進(jìn)行放熱并以7.4 ℃左右排放至下有水源處。溫差為8.6 ℃左右的清潔中介水經(jīng)中介水泵輸送，送入熱泵機(jī)組蒸發(fā)器，并放熱，將從污水中獲取的能量傳遞給熱泵，此時(shí)溫度4.0 ℃，再次進(jìn)入污水換熱器進(jìn)行吸熱，形成閉式中介循環(huán)。最終45 ℃左右的末端系統(tǒng)水進(jìn)入熱泵機(jī)組冷凝器進(jìn)行吸熱，以50 ℃進(jìn)入末端散熱設(shè)備將熱量釋放給建筑空間。同理，夏季制冷時(shí)，22 ℃的污水經(jīng)過(guò)污水泵進(jìn)入污水換熱器，并和清潔水換熱，以28.3 ℃排放。26.7 ℃左右的清潔水經(jīng)中介水泵輸送進(jìn)入熱泵機(jī)組冷凝器進(jìn)行吸熱，以33.0 ℃左右進(jìn)入污水換熱器進(jìn)行放熱，12 ℃左右的末端系統(tǒng)水進(jìn)入熱泵機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)行放熱，最終7 ℃的冷凍水進(jìn)入末端設(shè)備實(shí)現(xiàn)末端循環(huán)。

圖1 污水源熱泵系統(tǒng)圖

2.2 熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)測(cè)試

對(duì)每個(gè)空調(diào)分區(qū)在最冷月份、最熱月份進(jìn)行測(cè)試以得到實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。表2 為3 個(gè)空調(diào)分區(qū)的運(yùn)行溫度參數(shù)和熱泵機(jī)組的選型。

表2 熱泵系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

表2 中可以看出，重新設(shè)計(jì)后，熱泵機(jī)組的總制冷量為17186 kW，總制熱量16880 kW，滿足負(fù)荷設(shè)計(jì)要求，熱泵系統(tǒng)更靈活地分時(shí)、分區(qū)調(diào)控，可互為備用。特別在嚴(yán)寒地區(qū)最冷月，冷凝器出水溫度達(dá)到50 ℃，說(shuō)明該方案供熱效果顯著。同時(shí)，夏季制冷工況也處于能效較高的狀態(tài)，符合夏季工況要求。

2.3 污水換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算

污水換熱器的換熱量為：

式中：Q 為污水換熱器的換熱量，kW；K 為換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；F 為污水換熱器面積，m2；Δt0為對(duì)數(shù)換熱溫差，℃。

則污水換熱器的換熱面積為：

式中：Δt'為熱流體進(jìn)口溫度與冷流體出口溫度之差，℃；Δt''為熱流體出口溫度與冷流體進(jìn)口溫度之差，℃。

本項(xiàng)目選擇流道式污水換熱器，其傳熱系數(shù)為K=1370 W/(m2·℃)。將表2 中污水和和中介水循環(huán)溫度參數(shù)代入式（3），可得到污水換熱器的平均對(duì)數(shù)溫差為：夏季5.4 ℃，冬季3.6 ℃。代入式（2）中可計(jì)算出不同熱泵系統(tǒng)的污水換熱器面積和臺(tái)數(shù)，如表3 所示。

表3 污水換熱器的換熱面積和臺(tái)數(shù)

2.4 輸配水量計(jì)算及設(shè)計(jì)

污水及中介水水量為：

式中：G 為污水流量，m3/h；Δt 為污水進(jìn)出口溫差、中介水進(jìn)出口溫差（污水及中介水的進(jìn)出口溫差數(shù)值相等），℃；Cp=4.19 kJ/(kg·℃)。

為了得到最不利工況，污水溫差取最小值，Δt=3.6 ℃，將表3 的污水換熱量代入式（5）可得污水量。

經(jīng)計(jì)算，該項(xiàng)目3 個(gè)空調(diào)分區(qū)設(shè)計(jì)使用污水總量分別為443.7 m3/h，899.3 m3/h 與850.2 m3/h。引退水工程的兩條污水干渠，設(shè)計(jì)污水泵坑面積為100 m2。污水引退水工程包含引退水管及施工、土方工程、提升井建設(shè)，引水管大約450 m。污水引水管2 根，直徑分別為400 mm、800 mm。退水管2 根，直徑分別為300 mm、700 mm。

由式（4）和（5）計(jì)算的污水量分別為800 m3/h、2200 m3/h，完全可以滿足使用要求。

系統(tǒng)水水量為：

式中：ΔT為系統(tǒng)水進(jìn)出口溫差，℃。

各類水泵水量按此計(jì)算值加5%富余量選取，水泵揚(yáng)程為各分系統(tǒng)的管路阻力、設(shè)備阻力之和。

3 運(yùn)行費(fèi)用比較

該建筑于2015 年進(jìn)行污水換熱器、污水泵、熱泵機(jī)組、中介水泵、末端循環(huán)設(shè)備更新。該項(xiàng)目的污水退水工程合計(jì)370 萬(wàn)元，項(xiàng)目改造費(fèi)計(jì)3800 萬(wàn)元，共計(jì)4170 萬(wàn)元。

為確保節(jié)能效果，計(jì)算改造后熱泵機(jī)組年耗電量。電價(jià)按照1 元/kW·h 計(jì)算，過(guò)渡季節(jié)開(kāi)機(jī)1 臺(tái)，冬季運(yùn)行65 d，每天運(yùn)行11 h，夏季運(yùn)行50 d，每天運(yùn)行12 h。極寒期和正夏期開(kāi)機(jī)2 臺(tái)，冬季運(yùn)行85 d，夏季運(yùn)行50 d，運(yùn)行時(shí)間與過(guò)渡季節(jié)相同，冬季運(yùn)行85 d，夏季運(yùn)行50 d，考慮到機(jī)組隨室外溫度運(yùn)行調(diào)節(jié)的情況，平均負(fù)荷率取85%，得到污水源熱泵的耗電量見(jiàn)表4。

表4 改造后污水源熱泵的電量

表4 中，冬季供暖總計(jì)3591625 元，夏季制冷共計(jì)2378079 元，全年熱泵機(jī)組5969704 元。2018 年對(duì)改造熱泵機(jī)組實(shí)施能耗監(jiān)測(cè)，6 臺(tái)污水源熱泵機(jī)組的總耗電費(fèi)為5746287 元，證明所估算的平均負(fù)荷率與空調(diào)能耗也較為均勻，機(jī)組在高效率區(qū)運(yùn)行。空調(diào)分三個(gè)區(qū)的采暖費(fèi)分別為：7.66 元/m2，13.55 元/m2，10.01 元/m2。改造前后運(yùn)行費(fèi)用比較如表5 所示。

表5 改造前后實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

由表5 可知，改造后系統(tǒng)節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用1859 萬(wàn)元，節(jié)能率達(dá)75.7%。按項(xiàng)目投資4170 萬(wàn)元計(jì)算，2.5 a內(nèi)能收回全部成本，節(jié)能效果顯著。

4 結(jié)論

1）本文用城市生活污水作為低品位熱源進(jìn)行供熱，一機(jī)雙用可應(yīng)用范圍廣泛，不消耗化石能源、無(wú)污染、零排放，環(huán)境效果顯著，完全符合哥本哈根大會(huì)倡導(dǎo)的“低碳生活”理念，負(fù)荷我國(guó)政府提出“大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建設(shè)可持續(xù)發(fā)展小康社會(huì)”的政策思想，是一項(xiàng)節(jié)能環(huán)保的利民工程。

2）本文解決了熱泵技術(shù)在商業(yè)建筑節(jié)能改造中的應(yīng)用，采用污水源熱泵供暖制冷。本項(xiàng)目保證冬季室內(nèi)溫度符合人體舒適度的同時(shí)也滿足節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用的要求。

3）輸配系統(tǒng)耗電量也不容忽視，本文在改造主機(jī)設(shè)備后，冷熱循環(huán)系統(tǒng)均為定頻運(yùn)行，沒(méi)有考慮部分符合運(yùn)行工況的自控策略，因此可進(jìn)一步研究水泵的變頻調(diào)節(jié)以及水泵和熱泵機(jī)組的優(yōu)化匹配和冷熱源優(yōu)化匹配，從而深入挖掘商業(yè)建筑的節(jié)能潛力。