西安某住宅区再生水源热泵供暖系统分析与评价
陈婷婷1，王智伟1，王 雨1，李明珠1，曹 伟2，李 鹏2，邓 宇2
（1.西安建筑科技大学，陕西 710055；2.四联智能技术股份有限公司，西安 710065）
【摘 要】本文以西安市某住宅区为例，对居住建筑再生水源热泵供暖系统运行参数进行了测试，并对测试结果进行了统计分析。结果显示：供暖末期宽流道污水换热器实际运行传热系数为设计值的20.7%，换热板表面结垢严重；管网水泵电耗指标为5.37kW·h/(m2·a)，远高于指标约束值1.7kW·h/(m2·a)，管网水泵耗电量较大；热泵机组COP稳定在4.3左右，系统COPsys为2.9；全年供暖能耗指标实测值为8.8kgce/(m2·a)，小于指标约束值11.1kgce/(m2·a)，节能效果较为显著。
【关键词】再生水源热泵；居住建筑；供暖系统；分析评价
【基金项目】陕西省协同创新项目“再生水源热泵集中供热关键技术研究”（2014XT-20）。
0 引言
再生水源热泵系统具有节能、环保等优点，可大大降低能源消耗。目前，北京、沈阳、河北、山东、大连等地均建立了再生水源热泵项目[1]，但本领域普遍存在着“重设计、轻运行”的现象[2]，杨灵艳等[3]对寒冷地区74个地源热泵实地调研，发现污水源热泵系统的制热性能系数有83.33%不满足规范要求，可见大多数系统的实际运行效果并未达到预期值。因此，对再生水源热泵系统的实际应用效果的分析与评价是引导再生水源热泵系统高效、节能运行的重要措施。
本文对西安某住宅区再生水源热泵系统进行测试，获得了该系统运行能效水平，并对系统实际运行效果进行分析与评价，对该系统的运行评价提供理论基础，为再生水源热泵系统的设计与应用提供参考。
1 测试对象
1.1 间接式再生水源热泵系统简介
间接式再生水源热泵系统运行原理如图1所示，该系统利用再生水即二级出水作为热源。首先，市政排水干渠中的再生水经格栅机过滤引入污水池沉淀，再经提升泵提升以及长距离输送进入换热器，将热量传递给中介水后返回排水干渠；中介水为闭式循环，在换热器中获取再生水的热量后，进入常规的热泵主机进行能量转换，将热量传递给负荷侧的热水，热水将提取的热量供给建筑物，实现集中供热。
图1 间接式再生水源热泵系统运行原理图
1.2 工程概况及设备选型
2017.1.14至2017.1.20和2017.3.6至2017.3.12对西安大兴新区某建设项目再生水源热泵系统集中供暖系统进行了测试。
该项目建筑面积约200万m2，是典型的住宅区，末端供暖方式为低温地辐供暖。供暖系统配有燃气锅炉，当热负荷需求较大时热泵机组与燃气锅炉联合运行，锅炉起调峰作用。目前已实现为住宅区24.3万m2供暖，供暖负荷为8.5MW，2017年供暖面积将达到150万m2。再生水取自邓家村污水厂的排水干渠，邓家村污水厂距集中供暖项目1.1km，日平均出水量约10万吨，且再生水水温冬季为14℃~17℃，满足再生水源热泵系统水源侧的温度要求，相应系统设备如表1所示。
表1 再生水源热泵系统设备统计表
1.3 系统测试
测试参数：再生水/中介水进出换热器的水温和流量，负荷侧/中介水侧进出热泵机组的水温和流量，再生水提升泵/中介水循环泵/压缩机/负荷侧循环泵/高区水泵的耗电量，同时对住宅区某一用户的室内温度进行监测。
测试过程中所用监测仪器如表2所示，数据采集的时间间隔是5~10min。监测时，温度、流量和耗电量的监测都是仪表自动存储记录。
表2 监测仪器及精度
2 评价指标的选取
《水源热泵系统经济运行》GB/T 31512—2015[4]规定了水源热泵系统经济运行的基本要求、评价指标与方法、测试方法和管理措施，但实质上对系统是否经济运行并未给出衡量性指标。
间接式再生水源热泵系统的关键技术是中间换热器，选取其评价指标时，换热器的传热特性必不可少。此外，输配能耗以及系统的运行能效也是运维管理人员重视的问题。因此，选取换热器的传热系数、供暖系统管网水泵电耗指标、热泵系统能效比以及建筑供暖能耗指标作为再生水源热泵系统的评价指标。
2.1 换热器传热性能指标
传热系数是表征换热器传热过程强烈程度的标尺，是换热器实际运行过程中传热性能的反映参数。
传热系数K的计算公式见式（1）：
式中：Q=mmcp(tmo-tmi)，Q为中介水瞬时得热量（kW）；mm为中介水的流量（kg/s）；tmi，tmo为中介水进出换热器的水温（℃）；cp为中介水的定压比热（kJ/(kg·℃)）；F为总换热面积（m2）；Δtm为冷热流体的对数平均温差（℃）。
2.2 供暖系统管网水泵电耗
供暖系统管网水泵电耗指标[5]指供暖系统单位面积管网水泵耗电量。对于再生水源热泵系统，管网水泵耗电量包括再生水提升泵、中介水循环泵、用户侧循环泵（包括负荷侧循环泵和高区水泵）耗电量。
供暖系统管网水泵电耗指标计算公式见式（2）：
式中：edis为供暖系统管网水泵电耗指标实测值（kW·h/(m2·a)）；Edis为供暖期系统管网水泵耗电量（kW·h/a）；As为热网供暖面积（m2）。
2.3 热泵系统能效比
冬季机组COP计算公式见式（3）：
式中，Qc = mmcp(tco-tci)，Qc，Punit分别为机组制热量和耗功率（kW）；mc为负荷侧循环水的流量（kg/s）；tci，tco分别为进出冷凝器的水温（℃）；cp为水的定压比热，kJ/(kg·℃)）。
系统COPsys计算公式见式（4）：
式中：Pm，Pc，P0分别为中介水循环泵、用户侧循环泵和再生水提升泵的输配能耗（kW）。
2.4 建筑供暖能耗
建筑供暖能耗指标[5]用于评价整个供暖系统的运行能耗，为一个完整的供暖期单位建筑面积供暖系统能耗量，包括供暖系统热源所消耗的能源和水泵输配电耗。
建筑供暖能耗指标计算公式见式（5）（6）（7）：
式中：Ebh为建筑供暖能耗指标实测值（kgce/（(m2·a)）或Nm3/(m2·a)）；qs为热源能耗实测值（kgce/(m2·a)）；cQ为热源效率指标实测值（kgce/GJ）或（Nm3/GJ）；edis为供热管网水泵电耗指标实测值（kW·h/(m2·a)）；As为系统承担的总的供暖面积（m2）；Qsi为第i个热源输出的热量（GJ/a）；m为总的热源数目；ce为全国平均火力供电标准煤耗或者火电供电燃气耗值，取（0.320kgce/kW·h）或 （0.2Nm3/kW·h）；β为气象修正系数；HDD0为以18℃为标准计算的标准供暖期供暖度日数；HDD为以18℃为标准计算的当年供暖期供暖度日数。
3 测试结果与分析评价
3.1 低品位热能的有效利用
2017年3月9日对热水的供回水温度、室外温度及随机抽取的某一住户客厅温度进行监测。如图2所示，冬季在室外温度波动比较大的情况下，热水的供回水温度基本稳定在37/32.5℃，住户客厅温度也基本稳定在25℃左右，能够较好的满足供暖要求。
图2 温度变化
供暖系统的末端供热方式有散热器、地面辐射供暖以及吊顶辐射供暖等，由于散热的原理不同，供水温度存在较大差异。常见的几种末端供热方式的设计参数[6]如表3所示。
表3 不同末端供热方式设计参数对比
从表3可知，几种末端供热方式供水温度的大小关系为：散热器>吊顶辐射>地面辐射。由压缩机循环的特性分析可知，当蒸发温度不变，冷凝温度升高时，对于同一台热泵机组来说，机组COP将降低。对于再生水源热泵系统，再生水冬季的温度几乎不变，间接式换热系统虽然存在中间换热环节和2℃~3℃的换热温差，但机组的蒸发温度在供暖运行期间波动较小，故热水的温度越低对机组越有利，因此地面辐射供暖与再生水源热泵系统相结合能充分利用再生水的热能，提高热泵机组以及整个系统的能效。
3.2 宽流道污水换热器
该再生水源热泵系统采用宽流道污水换热器，其结构如图3所示。宽流道污水换热器再生水侧采用大截面、单流程，中介水侧采用小截面多层并联再串联设计，保持两种冷热流体的逆流换热。
图3 宽流道污水换热器结构图
中介水温的变化特点决定了系统的能耗效率，主要由再生水的温度、流量以及换热器的传热性能决定。两个测试时期再生水的供回水温度以及中介水进出换热器的水温变化如图4所示。
图4 再生水、中介水的供回水温度变化
两次测试再生水的供水温度稳定在17℃以上，可见再生水是热泵系统冬季供暖非常理想的热源。第一次测试，中介水进出水温度为8.6/12.9℃；第二次测试，中介水进出水温度为6/10℃；中介水进出水温度波动较大，均下降了3℃左右。考虑测试时期再生水、中介水流量变化很小，分析中介水进出水温度降低的主要原因是换热器传热性能的恶化，导致换热温差急剧增加。当再生水供水温度不变时，换热温差的增加导致中介水温度越来越低。
9台换热器传热系数的平均值如图5所示。第一次测试，传热系数平均值从620W/(m2·℃)下降到494W/(m2·℃)，降幅20.3%；第二次测试，传热系数平均值从305W/(m2·℃)下降到248W/(m2·℃)，降幅18.7%；下降幅度略有降低，但总体依然呈大幅度下降趋势。额定工况换热器连续运行4个月传热系数为1200W/(m2·℃)以上，实际运行4个月传热系数仅为设计值的20.7%。
图5 换热器传热系数平均值的变化曲线
分析造成传热系数下降的原因。首先从水质来看，该项目所使用的再生水理论上能达到国家二级或以上排放标准，但再生水排放干管沿途还会接纳一定量的原生污水，使再生水水质降低。且前置过滤装置只有格栅机，只能过滤到大尺度悬浮物。其次，从水量来看，经测量再生水流量为612m³/h，为额定流量的66%；中介水流量为700m³/h，为额定流量的75%，再生水与中介水流量均未满足额定要求。最后，由于再生水水质特点，换热器的结垢、腐蚀以及堵塞问题导致传热系数降低，图6为换热器运行3个月换热板表面结垢图。为避免污垢影响，应定期对换热板表面进行清理，或在污水泵站设置前置过滤装置，将污水的杂质充分过滤。
图6 换热板表面结垢图
3.3 供暖系统管网水泵电耗
供暖系统各水泵功率如表4所示。对表中的数据进行整理，得该供暖系统管网水泵电耗指标为5.37kW·h/(m2·a)，远大于指标约束值1.7 kW·h/(m2·a)[5]，表明该系统管网水泵耗电量较大。
表4 冬季供暖系统水泵功率
造成上述耗电量较大的原因主要为如下两个方面：一是热泵机组与锅炉分布在不同的机房，两个机房距离300m，长距离输送造成输配能耗的增加；二是该系统处于初运行时期，实际供暖面积占设计供暖面积的60%，用户入住率低且分布较分散，并且后者影响因素较大。从表4看出，负荷侧循环泵占水泵总能耗28.24%，用户侧输配能耗（负荷侧循环泵与高区水泵能耗之和）占水泵总能耗的50%以上，故冬季供暖节能的重点在于用户侧输配能耗。
3.4 热泵系统的运行能效
如图7为热泵机组COP以及系统COPsys的逐时变化。热泵机组COP稳定在4.3左右，为热泵机组额定制热工况时COP的92%，热泵系统COPsys为2.9。
图7 热泵机组COP以及系统COPsys的逐时变化
同时对国内典型污水源热泵应用案例[8-11]基本情况进行统计，结果如表5所示，热泵系统COPsys的平均值为3.3。与不同地区污水源热泵相比，该系统COPsys相对较低，造成系统COPsys较低的主要原因是输配能耗较大，故系统实际运行时应重点采取措施降低输配能耗。
表5 国内污水源热泵应用案例的基本情况
3.5 建筑供暖能耗
根据整个供暖期系统的运行记录统计数据，得该项目冬季供暖耗电量27.5kW·h/m2，典型工况瞬时热水输送系数为31.3，热源水输送系数为16.5。与北京奥运村再生水源热泵系统冬季供暖运行参数相比[2]，冬季供暖耗电量是奥运村项目的1.3倍，热水输送系数是奥运村项目的1/2，热源水输送系数一致且较小。表明用户侧能耗较高是造成系统能耗较大的主要原因，因再生水源热泵系统多了一套再生水提升泵，故热源侧输送系数较小是再生水源热泵系统的通病。
按照全国平均火力供电标准煤耗0.320kgce/kW·h[5]，全年供暖能耗指标为8.8kgce/(m2·a)，小于指标约束值11.1kgce/(m2·a)，但大于指标引导值5.6kgce/(m2·a)。由此可见该系统比一般供暖系统节能效果显著，但该节能技术的实际应用效果上欠佳，且该系统目前尚处在初运行阶段，进行试探性运行管理，运行调节比较粗放，运行能效有较大的提升空间。
4 节能潜力分析
4.1 提高中介水温度
由于污垢热阻的影响，中介水温度在整个供暖期运行过程中不断下降，平均每天下降0.05℃，理论上中介水温度每提高1℃，热泵机组COP提高3%[12]，因此，当发现热泵机组中介水出水温度较低时，考虑清洗换热器。
4.2 供暖末期减少负荷侧流量
供暖末期热负荷需求较小，应适当减小负荷侧循环泵流量。测试期间将负荷侧水泵频率从48Hz降低45Hz流量降低，满足供暖需求的同时平均日节约耗电量576kW·h。
综上所述，中介水温度由6℃提高到9℃，同时将负荷侧流量相应降低，热泵系统COPsys可提高13%左右。
5 结论
本文以西安市某住宅区再生水源热泵系统为研究对象，对系统的供热性能进行测试、分析与评价，得到了以下结论：
（1）相比其他供暖末端方式，地面辐射供暖方式与再生水源热泵系统相结合能提高热泵机组以及整个系统的能效。
（2）换热器的结垢、腐蚀和堵塞等问题仍然是制约再生水源热泵系统应用与发展的关键问题，换热表面污垢热阻的增加使中介水温度降低，机组性能下降，影响了整个系统的高效运行。
（3）供暖系统管网水泵电耗指标为5.37kW·h/(m2·a)，远大于指标的约束值1.7 kW·h/(m2·a)，冬季供暖节能的重点在于用户侧输配能耗。
（4）热泵机组COP稳定在4.3，系统COPsys为2.9，与相似系统相比，该系统COPsys相对较低；全年供暖能耗指标为8.8kgce/(m2·a)，小于指标约束值11.1kgce/(m2·a)，节能效果较为显著。
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注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年3月刊总第3期《2017全国供暖技术年会论文集》中。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。