污水源热泵供热系统运行优化控制策略研究

污水源热泵供热系统运行优化控制策略研究

薛涵心  刘新雅

天津市热电设计院有限公司    天津市河西区   300204

摘要：随着科学技术的发展，我国的热泵技术有了很大进展，随着热泵技术的发展及污水处理厂提标升级改造项目的落实，污水处理厂出水水质有所提高，为污水源热泵机组在北方冬季供暖中的应用提供更加有利的水质条件，换热后的低温污水排放对水体的热污染明显减小，污水处理厂冬季供暖安全可靠、经济环保。本文对污水源热泵供暖系统运行优化控制策略应用进行分析，以供参考。

关键词：污水源热泵;优化控制策略;能耗费用

引言

集中供热是一个全球性的问题，由于其会用到化石燃料，从而产生大量的温室气体、废水并导致空气污染，故而其可持续性受到了广泛关注。使用可再生能源（如太阳能和风能）来替代化石燃料虽然可以有效解决环境污染问题，但该方法需要投入巨大的成本和非常复杂的基础设施，实施难度较大。污水源热泵系统是城市可再生能源利用形式中的重要一类，市政污水含有大量的热能，在建筑供热与供冷方面具有很大的应用价值。对于一个已经投入运行的供热系统而言，设计方案和设备性能参数已不可改变，但合理的运行控制策略，能够挖掘系统节能潜力，显著提升能源利用效率。

1污水源热泵机组的工作原理

污水源热泵机组和普通水源热泵相同，主要由压缩机、冷凝器、膨胀（节流）阀、蒸发器及连接管路组成。其工作原理是通过蒸发器从污水中提取热量Q，在冷凝器中放出热量Q(Q=Q+W)供给供热系统。这种供热系统只要消耗少量的电能W，便可得到满足供热系统所需要的热量Q。污水源热泵，主要是以城市污水做为提取和储存能量的冷热源，利用生活废水、工业废水、矿井水、工业设备冷却水、生产工艺排放的废水，通过设置于污水端的换热设备与中介水进行换热。由换热后的中介水进入热泵机组，主机消耗少量的电能，在冬季及过渡季提取污废水中低品质热量后，经管网供给室内采暖系统、生活热水系统；在夏季将室内的热量带走并释放到污废水中，供室内制冷并制取生活热水。

2污水源热泵供热系统运行优化控制策略

2.1城市供热

热泵技术在城市供热系统中应用广泛，并且具有诸多优势，能够实现高效供热、多能源利用、能耗优化和环保可持续等方面的目标。城市供热系统通常需要应对不同原料和能源的供应情况，热泵技术具有适应不同能源的优势。根据具体情况，该技术可以选择地热能、空气能、污水源热泵等作为热源，实现多源能源的综合利用。这在城市供热能源供应多元化的背景下，为供热系统提供了更高的灵活性和可持续性。另外，热泵技术在城市供热系统中实现了能耗的优化和节约。热泵系统具有较高的能量转换效率，在可获得较高热效率的同时，能够有效降低能源消耗。这一优势对于长期运行的城市供热系统来说，显得尤为重要。通过热泵技术的应用，可以降低能源消耗，提高供热的经济性和可持续性。随着技术的不断发展和创新，热泵技术在城市供热领域有着巨大的发挥潜力，将为城市提供更清洁、高效、可持续的供热解决方案。

2.2热泵机组控制逻辑

污水侧和用户侧流量与蒸发器和冷凝器出水温度的关系是热泵机组优化控制的基础。通过水泵变频改变流量，产生冷凝器出水温度的变化，从而改变COP，最终间接对热泵机组的运行进行优化控制。经过实测，蒸发器进出水温度为10℃/5℃、水流量在400m3/h时，不同冷凝器水流量、出水温度和机组负荷率下的机组COP。冷凝器水流量、冷凝器出水温度和机组负荷率对COP的影响，其中负荷率100%、85%、70%分别对应蒸发器流量400m3/h、340m3/h、280m3/h。热泵机组在冷凝器出水温度不变的情况下，冷凝器水流量变化导致的COP变化不超过1%，因此可以忽略不计，可视为无影响。蒸发器变流量虽然造成了热泵机组COP下降，能耗升高，但是其增量远小于污水泵产生的节能量，这是因为蒸发器的供回水温差较小，流量较大，导致污水泵输入功率较大，导致输配能耗在整个供热系统能耗中占有较大比例。因此，热泵机组的优化控制策略并未以效率最高为目标，而是以系统总能耗费用最低为目标。

2.3室外热泵机组布置时的注意要点

①当系统有2台以上机组时,需保证2台机组的进出水管为同程配置,以保证每台热泵都能均匀进水。②机组应布置在室外通风的地方,但需要考虑机组运行时的噪音、气流对周边环境的影响,不应设置于卧室、客房、病房及宿舍等房间的上下层或与之毗邻,应避开主要通道、室外活动场所等人流密集区域。③机组应确保进风与排风通畅,且避免短路。机组进风面距墙面宜大于等于1.5m;两排机组的进风面相对布置时,间距宜大于等于3.0m;顶部出风的机组上部不应有遮挡,受条件限制时机组上部净空应大于等于3.0m。④机组的基础高度不宜小于0.3m且应高出当地积雪厚度,当设置于室外时应高出当地的洪水位,设置于屋面时应高出屋面雨水溢流口标高。⑤此外,还应满足国家强制性标准《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB55015-2021)中的相关要求,如:应避免受污浊气流对室外机组的影响;应便于对室外机的换热器进行清扫和维修;应设置安装、维护及防止坠落伤人的安全防护设施等。

2.4水源热泵机组可实现“一机三用”

替代原有的冬季锅炉供暖系统和夏季空调机组制冷系统，仅设置一套水源热泵机组即可实现冬季制热供暖、夏季空调制冷、全年供应生活热水。冬季城市污水高于环境空气温度，水源热泵机组提取这部分废热进行供暖；夏季城市污水低于环境空气温度，水源热泵机组向污水中放热来实现制冷；机组全年提取污水中废热供应生活热水。

3展望热泵技术在未来的发展潜力和前景

随着全球对能源可持续性和环境保护的关注度不断提高，热泵技术将发挥重要的作用，并在未来发展中展示出不一样的潜力和前景。热泵技术将会发挥以下几方面作用，第一，改善能源效率。热泵技术以其高效的能量转换特性而闻名。随着技术的不断创新和进步，热泵系统的效率将会得到进一步提升。例如，热泵系统与其他可再生能源技术相结合，如光伏发电系统或风力发电系统，将进一步提高能源利用效率，实现能源的最大化利用。第二，多领域应用拓展。热泵技术不仅适用于集中供热，还可以广泛应用于其他领域。例如，热泵技术可以用于工业过程中的废热回收，将废热转化为有用的热能，从而提高能源利用效率。此外，热泵技术还可以应用于热水供应、游泳池加热、地下室降温等多个领域，为各种应用提供更加清洁、高效的解决方案。第三，智能化与数字化应用。随着人工智能和物联网技术的快速发展，热泵系统的智能化与数字化应用也得到了提升。智能化控制系统可以对热泵运行状态进行实时监测和调节，以最大限度地优化能源利用和供热效果。

结语

通过确定不同室外气温下的最优运行模式，最终得到了以年运行能耗费用最低为目标的供暖季最优运行控制策略。在具有补充热源的污水源热泵供暖系统中，分别以节能性和经济性为目标的两类运行策略存在差异，系统运营管理方往往更加注重成本控制。因此，污水源热泵机组在北方城镇污水厂冬季供暖系统运行平稳、安全可靠、操作简单、运行费用低、维修维护量小、节能环保，值得大力推广。

参考文献

［1］陈龙．关于绿色建筑中可再生能源利用的思考［J］．绿色环保建材，2020，(12):23－24．

［2］周海珠，朱能，杨彩霞，等．基于火用理论的多种可再生能源互补供能系统综合性能评价方法［J］．建筑节能，2018，46(8):47－52．

［3］孙鸣，齐振宇，桂旭．基于风电、气、储综合能源利用的居民园区供暖系统［J］．建筑节能，2019，47(8):44－49．