欠流量污水源熱泵系統(tǒng)的工程解決方案
張承虎、孫德興、劉京
（哈爾濱工業(yè)大學 哈爾濱 150090）
張承虎、孫德興、劉京
（哈爾濱工業(yè)大學 哈爾濱 150090）
摘要：污水源的水量充足是污水源熱泵工程成功實施的前提條件。對于污水源水量小于正常設計所需水量的情況，本文介紹了幾種解決方案，并通過技術經(jīng)濟性分析，給出了各方案的優(yōu)選條件。
關鍵詞：欠流量、污水源熱泵、解決方案、優(yōu)選、余額費用年值
在污水源熱泵系統(tǒng)的推廣過程中，經(jīng)常遇到需供熱的建筑物附近的污水干渠的污水流量不充足的問題。目前，對污水量充足的情況，建造污水源熱泵系統(tǒng)已有了成熟的技術手段，但當污水量不夠充足時，為了把這部分可再生能源利用起來，就必須采取新的措施和解決方案。相比正常設計，水量不足帶來的直接后果是換熱量不足，這需要通過增大污水溫降來解決，但是對于間接式污水源熱泵系統(tǒng)來說，污水溫降加大就會導致中介水溫度下降，甚至降至系統(tǒng)的冰點保護溫度以下，將嚴重影響整個系統(tǒng)的運行，甚至導致整個系統(tǒng)的癱瘓。
本文提出的解決方案有四個，分別是：（1）直接式污水源熱泵系統(tǒng)方案；（2）增大污水-中介水換熱器面積的設計方案；（3）增大中介水流量的設計方案；（4）添加防凍液的設計方案。方案（1）取消了中間換熱循環(huán)，這樣就去掉了中介水所需溫差，污水可利用溫差增大。一般而言，水源流量在正常設計流量的50%以上，都可以采用直接式污水源熱泵系統(tǒng)來解決。但是目前而言，直接式污水源熱泵系統(tǒng)的技術尚不成熟，應用該方案具有一定的風險性。
本文主要針對后三種方案予以論述論證。后三種設計方案在一定程度上都能滿足設計需求，但同時都存在一個相同的問題，就是增加了系統(tǒng)的投資和運行費用。本文采用系統(tǒng)的余額費用年值來對上述三種解決方案進行比較。比較研究表明當污水流量不充足時，這三種解決方案都具有一定的可行性，但污水的水溫水量條件不同時，這三種方案的費用年值是不同的，為了便于設計者進行方案選擇，本文提出了分界流量比的概念。該概念清晰的表明了方案選擇與水溫水量條件的關系，為欠流量情況下污水源熱泵系統(tǒng)的方案設計提供了參考。
1、三種解決方案的原理
增加污水換熱器的換熱面積方案：當用戶所需的熱量不變時，污水流量減少則污水的溫降將增大，而且平均溫度降低。但是增加換熱器面積，可以減小平均傳熱溫差，從而實現(xiàn)中介水平均溫度提升，遠離冰點達到蒸發(fā)器所需的入口溫度，見圖1，其中實線為正常設計時溫度的變化，虛線為采用本方案對應的溫度變化。圖中tb為熱泵機組的冰點保護溫度。
圖1 增大換熱面積方案的溫度變化圖
增大中介水流量方案：當換熱器面積不發(fā)生改變時，要求平均傳熱溫差不變。但是污水流量減少導致其平均溫度降低，這也必然要求中介水的平均溫度也同幅度降低。增加中介水流量，可以減小中介水的進出口溫差，在中介水的蒸發(fā)器出口（換熱器進口）溫度不變的情況下，實現(xiàn)中介水平均溫度降低。見圖2，虛線為增大中介水流量方案對應的溫度變化。
圖2增大中介水流量方案的溫度變化圖
在中介水中加入防凍液方案：污水流量減小導致污水溫降加大、平均溫度降低，中介水平均溫度降低，中介水進出口溫度降低，可能達到正常冰點保護溫度以下，但是添加防凍液之后，中介水的冰點保護溫度也跟隨降低，將不存在冰凍風險。見圖3，虛線為添加防凍液方案對應的溫度變化。
圖3 添加防凍液方案的溫度變化圖
當這三種設計方案都能有效的在污水流量不足的情況下滿足用戶所需的熱量時，就要通過它們的經(jīng)濟性來甄選出最佳的設計方案。
2、三種方案的經(jīng)濟性分析
當污水的流量并不充足時，雖然不能按照傳統(tǒng)的設計方案進行設計，但可對其進行一些改變使其能成為解決方案。哪種方案更好則需要進行經(jīng)濟性對比分析。一般較常用的技術經(jīng)濟分析方法包括：補償年限法、年計算費用法、費用年值法等。本文采用費用年值法對系統(tǒng)進行分析研究。費用年值是年固定費用與年運行費用之和。年固定費用指系統(tǒng)各項總投資在其使用年限內(nèi)每年消耗的費用，包括系統(tǒng)各設備的總投資；年運行費用是指水費、能源費（電費、天然氣費）、維修費、人員工資及空間占用費等。費用年值的計算式如下：
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