城市污水热泵工程实际运行工况特性分析

０ＰＥＲＡＴＩＮＧＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＡＮＡＬＹＳＩＳ０ＦＵＲＢＡＮＳＥⅥ，ＡＧＥＳＯＵＲＣＥＨＥＡＴＰＵＭＰＰＲＯＪＥＣＴ

李建兴

天津市市政工程设计研究院

赵力

天津大学机械工程学院

池勇志

天津城市建设学院

【摘要】基于两个不同的污水源热泵工程，对系统运行参数进行实测得到了污水温度在冬夏季变化特

Ｅ

点，对数据进行分析计算得到了冬夏季热泵系统的ＥＲ，通过与热泵产品样本数据的对比分析了设计中

存在的问题。

【关键词】直接式污水热泵；间接式污水热泵；运行特性

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｂａｓｅｄ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅｗａｇｅ

ｈｅａｔｐｕｍｐ

ｏｎ

ｔｗｏ

ｓｏｕｒｃｅ

ｐｒｏｊｅｃｔｓ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｅｓｅｗａｇｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄａｔａ

ｉｎｗｉｎｔｅｒａｎｄｓｕｍｍｅｒ．ＳｙｓｔｅｍＥｎｅｒｇｙＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＲａｔｉｏ（ＥＥＲ）ｉｓｄｅｒｉｖｅｄｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｆｉｅｌｄｔｅＳｔｄａｔａｉｎｂｏｔｈｗｉｎｔｅｒａｎｄｓｕｍｍｅｒ．Ｉｓｓｕｅｓｆａｃｅｄｉｎｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄｂｙｒｅｆｅｒｒｉｎｇｔｈｅｈｅａｔｐｕｍｐｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃａｔａｌｏｇｕｅ．

［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｓｅｗａｇｅ

ｓｏｕｒｃｅ

ｈｅａｔｐｕｍｐ；ｄｉｒｅｃｔｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ；ｉｎｄｉｒｅｃｔｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ；ｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ

，

污水热泵技术特点

表１不同采暖方式经济性比较

城市污水中蕴藏有大量的低位能源，全国每年排放城市生活污水５００亿ｔ左右，其温度适宜稳定，冬季在严寒地区也有ＩＯ＇Ｃ以上；按照温度升高或降低５℃计算，若全部开发所贡献出的热或冷，则提取能量为１０亿ＧＪ，这个热量町供２０亿ｍ２建筑采暖。城市原生污水遍布城区，凡在建筑需要采暖空调之处，均有污水的排放。建筑物排放污水中所含的热能足以供应１／７左右相应建筑面积采暖空调的能耗。

与燃煤供热相比，燃煤的效率约为０．６左右，按热泵供热的能源利用效率为４计算，虽然火力发电时的效率仅为１／３左右，电驱动热泵的综合能源利用效率可达４／３，与燃煤供热相比节煤５５％，即每使用ｌｔ污水作热泵的冷热源，可节省燃煤１～３ｋｇ。不同采暖方式经济性比较见表ｌ。

５６ ２００８年第１１朋

么污水热泵系统形式

与传统水源热泵相比，污水热泵实际运行中存在与不良水质在换热过程中可能引发的各种问题，主要包括堵塞、污染与腐蚀三个方面。针对上述存在问题，污水热泵系统分为直接式与由Ｊ接式两类。若水源水直接进入热泵机组的蒸发器或冷凝器换热则为直接式系

统；若水源水先与中介水换热，中介水进入机组则为

万方数据

间接式系统。

直接式系统对水源水的水质有较高的要求，或者说对蒸发器、冷凝器适应较差水质的能力有较高的要求。水质方面，一般限定为用于城市污水站中的二级出

水、江河湖水、海水、地下水、部分工企业废水等，这

类水源水中仅含有少量粒径在ｌｍｍ以下的固体悬浮物，水质相对洁净。蒸发器或冷凝器则须有可靠的防堵、防污染与腐蚀能力。

间接式系统使用水源水换热器替代蒸发器或冷凝器取热（冷），因此对水源水水质的处理要求大为降低。工程实践已经证明，即使是水质极差，完全不加处理的城市原生污水，只要使用合适的防阻技术，整个系统即可保证长期连续安全运行。

针对污水热泵新近开发的污水热泵机组，其蒸发器和冷凝器采用特殊材料，如使用合金钢材质，诸如镍、铜合金，钛合金等，主动增强机组对水质的适应性，同时又可以减少中间水换热的热效率损失。基于同样的原因，换热表面不可采用波纹，内肋等加强换热，相应地这蝗都将提高合金钢用量，增加制造成本。

—＇

Ｊ直接换热式机组运行工况分析

本工程中采用的污水是污水处理厂的二级污水，其夏季水温为２ｌ～２５℃，比外界气温要低１０Ｖ，而冬季出水水温基本为１４～１８．５℃，高于周围环境温度２０℃。直接换热污水热泵系统流程如图ｌ所示。

图１直接换热污水热泵系统流程图

本测试工程中所选用的污水热泵系统为清华同方生产的ＨＧＨＰ高温型水源热泵机组，系统形式为直接利用方式，即二级出水直接进入水源热泵机组的蒸发器而不经过中间换热器。该系统的设备及其参数如下。

高温型水源热泵（ＨＧＨＰ２２０）：制热量为２１８ｋＷ，

万方数据

制冷剂为Ｒ１３４ａ，压缩机３台，功率为５３ｋＷ；根据冷凝器回水温度控制热泵机组的启停；共２台（１＃机组和２＃机组）。

热水循环泵：流量为２１．６ｔ／ｈ，扬程为２６ｍ，功率为３ｋＷ，共２台。

污水潜水泵：流量为１００ｔ／ｈ（供１＃机组６０ｔ／ｈ，供２＃机组４０ｔ／ｈ），扬程为２２ｍ，功率为ｌｌｋＷ。

补水泵：流量为４．４ｔ／ｈ，扬程３３ｍ，功率为２．２ｋＷ。通过测试热泵系统２台机组的蒸发器和冷凝器的

进出口水温，以及整个系统（包括水泵）的用电量，根

据冷凝器进出口水温温差，可以计算出热泵系统的在一个测试时段内的供热量，对比系统相应时段内的用电

量，则可以得出该时段内系统的平均供热系数（ＥＥＲ）。

本系统的ＥＥＲ为：冷凝器的制热量／系统的耗电功率。在ｌ＃机组单独运行的情况下，系统在额定工况下的ＥＥＲ＝２１８／（５３＋３

Ｘ

２＋１１＋２．２）＝３．０２｛在２

台机组同时运行的情况下，系统在额定工况下的ＥＥＲ＝

２１８

Ｘ

２／（５３×２＋３×２＋ｌ１＋２．２）＝３．４８。

从图２可以看出，绝大部分的数据点的实际ＥＥＲ在３～６之间，但数据点的分布比较分散。出现这种情

况的原因主要在于２＃机组并不是经常开机运行，导致

可供分析的数据点较少，同时采到的数据误差较大。另外２＃机组的运行受到ｌ＃机组冷凝器出水温度的控制，其运行状态受到ｌ＃机组制约。

测试点

图２两台机组同时运行系统实际ＥＥＲ

４间接换热式机组运行工况分析

本测试工程为间接利用污水系统，即二级出水先

２００８年第１Ｉ期 ５７

进入污水换热器，将冷量传给中介水（冷却水），然后中介水通过热泵机组的冷凝器将热量带走，从而实现水源热泵机组夏季制冷。间接换热污水热泵系统原理图如

图３所示。

图３间接换热污水热泵系统流程图

该系统的设备及其参数如下。

污水源热泵（ＦＯＣｓ－ＷＨ０９５１）：制冷量为２０１．１ｋＷ，输入功率为３９．１ｋＷ；制热量为１８７．６ｋＷ，输入功率为５８．１ｋＷ；制冷剂为Ｒ１３４ａ；容量调节范围为１０％一１０００／ｏ，共３台。

污水换热器：换热量为２５０ｋＷ，换热面积为７７ｎｒ，共２台。

污水泵：流量为１０８ｔ／ｈ，功率为１２．５ｋＷ，共２台。中介水循环泵：流量为５０ｔ／ｈ，扬程为２０ｍ，功率为５．５ｋＷ。

空调循环泵：流量为３８ｔ／ｈ，扬程为２５ｍ，功率为４ｋＷ，共３台，夏季开ｌ台，冬季开３台。

实验数据采集点为污水进出口温度，中介水（冷却水）进出口温度以及空调水供回水温度，采集间隔为一

日４次，采集时间为２００７年８月１日一９月４日；冬季则为２００７年１１月１７日一２９日。

图４、图５为测试期间污水的温度变化。由图４中可以看出，夏季污水的温度为２５～２７℃，变化幅度

不大，平均为２６．０４℃．低于环境温度１０℃左右。而由图５冬季污水的温度为１５．５～１７．５℃，平均为１７．２℃，高于环境温度１５℃左右。从整个测试期间来看，温水的温度没 有太大的波动，可将其近似看作恒定的冷（热）源。．这对于机组的平稳运行非常有利。

根据实测数据，可以得到测试期间系统的能效比的变化趋势，如图６、图７所示。造成能效比数值波动的主要原因，一是由于热泵机组具有容量调节功能，当

５８ ２００８年第１１期

万方数据

２７．５２７√Ⅵ／ｖ、．

．

ｕ

２６．５

一Ⅳ’’Ⅵ

１ｆｈ—、

；２６．．＾．Ｎ

／Ｖ

、

朋２５．５＊｛＼ｌ

Ｖ

Ｎ

Ｊ｝ｃ２５

２４．５２４…－●…………●●……●…………』…………

２３．５

１

ｔ

７

１０１３

１６

１９２２２５

２８３ｌ

３４

３７４０４３４６

ｔ９５２

测试日时间点／ｄ

图４夏季测试期间污水的温度变化曲线

坞５８

八．

＂

５Ｕ

７

７Ⅵ．一． 广、八一．以

＼埔５蜘

ｂ飞

朋

６

＊

、Ｌ．

，

’、，

ｊ｝ｃ

坫５５

“５４

…● ‘－‘ ● ● ＾ ‘●＾●●－‘ ｔ －● ‘－－‘ｔ‘●＾ｔｄ

培５

１

３

５

７

９

１１１３１５１７１９２１２３２５２７２９３ｌ３３３５３７３９４Ｉ

测试时问点／ｄ

图５冬季测试期间污水的温度变化曲线

机组变负荷运行时，压缩机输入功率也会发生变化。但足调节时，由于存在延时使得按负荷计算的制冷系数存在波动；二是定负荷运行时，污水进出口温度的变化对冷凝器散热量的影响，造成系统的制冷系数产生变化。

Ｂ

７

６

５

４

３

∞纂峨龛辜

２

１

０

０

１０

２０

∞

４Ｄ

５０

６０

测试时间点／ｄ

图６夏季测试期机组的能效比

中国建筑学会工业建筑学术委员会设立和评选的国家奖项

“２００８年度中国优秀工业建筑设计奖”获奖作品

（排名不分先后）

颐巾公司青岛卷烟Ｊ＾

北京航牢食，铺有限公司新配餐楼工程ＡＭＥＣＯＡ３８０机库联想研发荩地

上海浦东机场二期能源叶１心［１９冬Ｊ１１］老场坊望京科技阔二期

“洲：Ｉ』程设计院

巾国航牢工业规划设计研究院巾ｌ目航空：Ｌ业规划设计研究院北京ｒ仃建筑设计研究院华东建筑设计院有限公司巾崮巾冗国际工程公司上海分院北京ｒＨ建筑设计研究院

世源科技工程有限公司（中国电ｒ工程设计院）ｒ¨Ｉ翻电ｒ工程设计院

Ｉ｛ｆ１陶航卒：Ｃ业规划设计研究院

北京甜粥跚ｔ静１粥筻备有限公司帕征Ｅ铆项目

上海宏力半导体制造有限公司）。Ｌ海毪机制造Ｊ‘整体改造项目

万方数据

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xs0m.html