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(xué) 哈爾濱 150090）
張承虎、孫德興、劉京
（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 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(shí)施的前提條件。對(duì)于污水源水量小于正常設(shè)計(jì)所需水量的情況，本文介紹了幾種解決方案，并通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，給出了各方案的優(yōu)選條件。
關(guān)鍵詞：欠流量、污水源熱泵、解決方案、優(yōu)選、余額費(fèi)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(duì)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(shù)手段，但當(dāng)污水量不夠充足時(shí)，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(shè)計(jì)，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(duì)于間接式污水源熱泵系統(tǒng)來說，污水溫降加大就會(huì)導(dǎo)致中介水溫度下降，甚至降至系統(tǒng)的冰點(diǎn)保護(hù)溫度以下，將嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。
本文提出的解決方案有四個(gè)，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(shè)計(jì)方案；（3）增大中介水流量的設(shè)計(jì)方案；（4）添加防凍液的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shù)尚不成熟，應(yīng)用該方案具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。
本文主要針對(duì)后三種方案予以論述論證。后三種設(shè)計(jì)方案在一定程度上都能滿足設(shè)計(jì)需求，但同時(shí)都存在一個(gè)相同的問題，就是增加了系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用。本文采用系統(tǒng)的余額費(fèi)用年值來對(duì)上述三種解決方案進(jìn)行比較。比較研究表明當(dāng)污水流量不充足時(shí)，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(shí)，這三種方案的費(fèi)用年值是不同的，為了便于設(shè)計(jì)者進(jìn)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(guān)系，為欠流量情況下污水源熱泵系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)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(dāng)用戶所需的熱量不變時(shí)，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(shí)現(xiàn)中介水平均溫度提升，遠(yuǎn)離冰點(diǎn)達(dá)到蒸發(fā)器所需的入口溫度，見圖1，其中實(shí)線為正常設(shè)計(jì)時(shí)溫度的變化，虛線為采用本方案對(duì)應(yīng)的溫度變化。圖中tb為熱泵機(jī)組的冰點(diǎn)保護(hù)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(dāng)換熱器面積不發(fā)生改變時(shí)，要求平均傳熱溫差不變。但是污水流量減少導(dǎo)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(jìn)出口溫差，在中介水的蒸發(fā)器出口（換熱器進(jìn)口）溫度不變的情況下，實(shí)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(duì)應(yīng)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(dǎo)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(jìn)出口溫度降低，可能達(dá)到正常冰點(diǎn)保護(hù)溫度以下，但是添加防凍液之后，中介水的冰點(diǎn)保護(hù)溫度也跟隨降低，將不存在冰凍風(fēng)險(xiǎn)。見圖3，虛線為添加防凍液方案對(duì)應(yīng)的溫度變化。
圖3 添加防凍液方案的溫度變化圖
當(dāng)這三種設(shè)計(jì)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(shí)，就要通過它們的經(jīng)濟(jì)性來甄選出最佳的設(shè)計(jì)方案。
2、三種方案的經(jīng)濟(jì)性分析
當(dāng)污水的流量并不充足時(shí)，雖然不能按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，但可對(duì)其進(jìn)行一些改變使其能成為解決方案。哪種方案更好則需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析。一般較常用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法包括：補(bǔ)償年限法、年計(jì)算費(fèi)用法、費(fèi)用年值法等。本文采用費(fèi)用年值法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。費(fèi)用年值是年固定費(fèi)用與年運(yùn)行費(fèi)用之和。年固定費(fèi)用指系統(tǒng)各項(xiàng)總投資在其使用年限內(nèi)每年消耗的費(fèi)用，包括系統(tǒng)各設(shè)備的總投資；年運(yùn)行費(fèi)用是指水費(fèi)、能源費(fèi)（電費(fèi)、天然氣費(fèi)）、維修費(fèi)、人員工資及空間占用費(fèi)等。費(fèi)用年值的計(jì)算式如下：
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