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污水源热泵在医院应用的可行性分析

时间:2017-02-23  来源:中国节能在线  作者:本站  浏览次数:308

  现阶段,医院类建筑采用污水源热泵技术在我国并不多见,缺乏相应的基础设计及运行参考数据。为此,笔者针对上海某医院污水进行了为期1年的现场测试,侧重分析污水的温度变化规律,分析其节能潜力,为污水源热泵在医院类建筑中的应用提供基础数据及设计参考。

  测试概况

  上海市杨浦区某三甲专科医院占地面积约7000m2。污水来源为医院生活污水及部分医疗污水,不含医疗实验用的酸碱水及含放射性物质的医疗污水。污水经二级处理后于出水池段进行污水流量、温度监测,流量测试采用超声波流量计,温度测试采用SWEMA多通道测试系统,测试时间间隔为1min,该测试系统能保证污水温度测试的精准。使用多功能数据采集仪Y-BOAT-32采集信号。

  对自来水温度进行取样测试,测试仪器为电子温度计,测试时间间隔前半段为3d,后半段为1d。室外空气参数(干球温度及相对湿度)来源于中国气象科学数据共享服务网。

  测试结果及分析

  1.污水流量

  污水流量常年比较稳定,在(600±50)m3/d范围波动。该医院污水排量较大,且水量稳定,余热利用潜力较大,为污水源热泵的使用提供了稳定的流量基础。该项目拟采用污水源热泵作为辅助冷热源为病房楼服务,过渡季节对生活热水进行预热。

  2.污水水质

  该医院对污水进行二级处理,对处理后的污水取样测试,与GB/T29044—2012《采暖空调系统水质》规定的集中空调间接供冷开式循环冷却水系统水质对比发现,污水浊度及游离氯含量偏高,需进行适当处理,方可用于污水源热泵。

  污水温度逐时、日、月变化对于医院类建筑,空调系统运行时间因医院各楼功能不同而异,如病房楼空调系统运行时间为全天,故污水日平均温度及月平均温度取24h实测值计算。对于水源热泵系统,系统设计时需参考水源的日平均温度及月平均温度,系统运行工况分析时则需考虑水源的逐时温度。

  前者指的是当日最高污水温度与最低污水温度之差,后者指的是当日最高气温与最低气温之差。结果表明:污水温度的日较差较小,大部分时间段在2℃内;气温的日较差则波动较大。

  全年污水温度的日平均值在12.2~31.7℃之间波动;最高温度出现在8月,其平均水温为30.8℃,最低温度出现在2月,月平均值为14.1℃。

  根据美国制冷学会ARI标准,开式水源热泵系统对水源温度的要求为5~38℃。测试结果表明,该医院污水温度为12.2~31.7℃,满足水源热泵对水温的要求。

  3.污水温度与自来水温度、气温的关系分析

  1)污水温度与自来水温度变化趋势接近同步;夏季供冷期间(6月1日—9月30日),污水温度基本接近于自来水温度;冬季供热期间(11月15日—3月15日),污水温度与自来水温度相差略大,约5℃。夏季室外气温较高,生活热水使用量较小,污水主要来源为自来水排放,污水温度接近自来水温度;冬季由于室外气温较低,生活热水使用量较大,污水中自来水所占比例较小,污水温度高于自来水温度。

  2)污水温度随着室外气温的升高而升高,但污水及自来水温度的变化稍晚于气温变化,可能原因为水的比热容大于空气的比热容。

  污水温度与自来水温度相关性较强,呈线性;其中月平均温度的相关性高于日平均温度的相关性。

  污水日平均温度与气温相关性较弱;污水月平均温度与气温相关性较强。

  总体而言,污水温度与自来水温度的相关性较强,污水温度与室外气温的相关性较弱。

  污水源热泵的节能潜力分析

  1.与传统冷水机组的性能比较

  在常规冷水机组中,冷却塔出水温度可由式(1)计算。

  式中t2为冷却塔出水温度,℃;ts为湿球温度,可由室外日平均干球温度及当日平均相对湿度查焓湿图求得,℃;t1为冷却塔进水温度,上海地区按37℃计算。

  该项目拟采用涡旋式污水源热泵机组,污水侧按开式系统设计,进出口温差5~6℃,基本稳定。夏季供冷期污水温度普遍低于冷却塔出水温度,平均低2.33℃。其中,6月—7月中旬,污水温度平均低3.7℃;7月下旬至9月初,污水温度平均低1.1℃;9月中下旬,污水温度平均低2.4℃。研究表明,对于同一类型机组,当冷却水量或污水量一定时,冷却水温度对机组性能影响较大,冷却水温度每降低1℃,可以提高机组制冷性能系数2%~3%左右。因此,采用污水源热泵机组后,有利于提高机组的运行性能。

  同时,污水源热泵采用的是医院废弃污水,需注意的是,污水经过消毒及过滤处理后仍富含腐蚀离子和悬浮物,因而通过换热器换热时,必须处理好腐蚀、结垢和阻塞等问题。

  2.与空气源热泵机组的性能比较

  空气源热泵机组的制冷、制热性能随室外环境温度变化明显。夏季,环境温度每升高1℃,机组制冷量约减少1.0%,压缩机耗功约增加1.3%~1.5%,制冷性能系数减小约2.4%~2.6%。冬季,环境温度每降低1℃,机组制热量约减少2.8%~3.0%,压缩机耗功约增加0.2%~0.6%,供热性能系数约减小2.1%~2.9%。当环境温度降低到0℃左右(-5~5℃)时,空气侧换热器表面结霜加速,蒸发温度下降速率增大,机组制热量下降加剧,同时,必须周期性地进行除霜,机组才能正常工作。

  夏季制冷期间,污水温度平均值与空气干球温度相差不大,但污水温度波动较小,空气干球温度波动较大,因此污水源热泵机组的性能更加稳定。

  冬季供热期间,使用空气源热泵时,空气干球温度变化较大,最低0.2℃,最高18℃,平均温度7.1℃,约30%时间空气干球温度在0~5℃之间,容易导致蒸发器表面结霜,机组性能下降。若使用污水源热泵,则污水温度在12.2~21.0℃之间变化,变化幅度较小,平均温度较高,约16.2℃,约67%时间温度维持在(15±2)℃之间,这些都有助于热泵机组的稳定、高效运行。

  结论

  1)医院污水排放量较大,且水量稳定,为污水源热泵的使用提供了稳定的流量基础。但是,污水浊度及游离氯含量偏高,需对污水进行适当处理。

  2)污水全年日平均温度在12.2~31.7℃之间。最高温度出现在8月,平均温度为30.8℃;最低温度出现在2月,平均温度为14.1℃。污水温度与自来水温度的相关性较强,与室外气温的相关性较弱;月平均温度的相关性比日平均温度的相关性强。

  3)与传统冷水机组相比,夏季制冷期间,污水温度比冷却塔出水温度低约1.1~3.7℃,采用污水源热泵机组有利于改善系统性能,还可以减少自来水用量,省去冷却塔等设备,但需处理腐蚀、结垢和阻塞等问题。

  4)与空气源热泵相比,夏季制冷期间,污水温度平均值与空气干球温度相差不大,污水温度较稳定,因此污水源热泵机组的性能更加稳定。冬季供热期间,污水日平均温度相比空气干球温度高约9.1℃,具有温度高、变化幅度小的特点,有助于热泵机组的稳定、高效运行。

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