摘  要：以污水源熱泵系統(tǒng)冬季工況為例，分別分析了污水調(diào)節(jié)池體積大小的設(shè)計(jì)方法，污水調(diào)節(jié)池設(shè)置與否對(duì)系統(tǒng)供暖建筑面積的影響，為污水熱能利用工程的設(shè)計(jì)及施工提供參考。

　　關(guān)鍵詞：污水調(diào)節(jié)池；熱泵系統(tǒng)；污水熱能利用

　　中圖分類號(hào)：  TK11  　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：  A      文章編號(hào)：2095-0802-(2012)07-00  -00

　　Research on the Influence of Sewage Adjusting Pool to the Utilization of Sewage Heat Energy

　　WU De-zhu   ZHANG Cheng-hu

　　（The Architectural Design & Research Institute of Guangdong Province, Guangzhou 510010, Guangdong, China

　　Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, Heilongjiang, China）

　　Abstract: Take the winter conditions of the sewage source heat pump systems for example, the method of designing the volume of sewage adjusting pool is analyzed in this paper, the influence of the volume of sewage adjusting pool to the heat pump system of the supply capacity of heat is also given in this paper. It is providing reference for the projects of using sewage as cool and heat source.

　　Key words: sewage adjusting pool; heat pump system; utilization of sewage heat energy

　　0引言

　　環(huán)保，是一個(gè)永恒的話題，無(wú)論是在國(guó)際上還是在國(guó)內(nèi)，日益惡化的環(huán)境迫使們對(duì)它的重視程度與日俱增。污水的排放和處理，也是影響環(huán)境的一個(gè)重要因素，近年來(lái)，隨著我國(guó)環(huán)保和節(jié)能政策的有力實(shí)施，污水源熱泵系統(tǒng)供熱空調(diào)技術(shù)得到了普遍的重視和迅速的發(fā)展。由于污水流量及污水溫度是連續(xù)變化的，同時(shí)建筑負(fù)荷也是逐時(shí)變化的，而且往往兩者之間的變化趨勢(shì)是相反的，要擴(kuò)大污水源熱泵系統(tǒng)供熱空調(diào)面積或?qū)崿F(xiàn)工程全面的污水源熱泵供熱空調(diào)，需要設(shè)置污水調(diào)節(jié)池，對(duì)污水供應(yīng)量進(jìn)行移峰填谷[1]。

　　1概念

　　確定污水能提供的熱量，就可由此確定污水的最大可供建筑面積，即污水的最大熱供應(yīng)能力。由式（1）可以看出，當(dāng)污水進(jìn)口溫度確定時(shí)，忽略各項(xiàng)因素對(duì)COP的影響，把COP看作定值，污水的熱供應(yīng)能力由參與換熱的污水流量大小來(lái)決定。

　　一天中(一個(gè)周期T內(nèi))，污水溫度變化幅度不大，忽略污水進(jìn)入污水調(diào)節(jié)池時(shí)溫度的變化，同時(shí)假設(shè)污水調(diào)節(jié)池?zé)o熱量損失，忽略污水由于不同溫度混合產(chǎn)生的熵產(chǎn)，用表示污水調(diào)節(jié)池在蓄滿污水的情況下能提供的最大熱量，它是一個(gè)定值。

　　由于室外空氣溫度是不斷變化的，因此，是一個(gè)與室外空氣溫度有關(guān)的瞬時(shí)變化量，引入COP的概念，忽略溫度變化等對(duì)COP的影響，

　　假設(shè)一個(gè)冬季工況的污水源熱泵系統(tǒng)中，存在一個(gè)體積為V＊的污水調(diào)節(jié)池，且已經(jīng)蓄滿了污水

　　V*是污水調(diào)節(jié)池體積，表示污水調(diào)節(jié)池在蓄滿污水的情況下能提供的最大熱量，表示進(jìn)入污水調(diào)節(jié)池的瞬時(shí)熱量，表示從污水調(diào)節(jié)池瞬時(shí)取走的熱量，表示污水調(diào)節(jié)池體積不夠大時(shí)，可能從污水調(diào)節(jié)池中瞬時(shí)溢出的熱量。

　　2污水流量與污水的冷熱供應(yīng)能力

　　污水調(diào)節(jié)池用來(lái)存儲(chǔ)時(shí)間段內(nèi)富余的污水熱量，在實(shí)際工程中，如果污水調(diào)節(jié)池的大小不合適，可能會(huì)出現(xiàn)污水調(diào)節(jié)池能存儲(chǔ)的最大熱量與富余的污水量的熱量不相等的情況，這也就直接影響著熱泵系統(tǒng)的供暖能力大小。

　　2.1污水調(diào)節(jié)池體積過(guò)大

　　這意味著在時(shí)間段內(nèi)，富余的污水并未裝滿整個(gè)污水調(diào)節(jié)池，即﹤。此時(shí)，由污水調(diào)節(jié)池里存有的熱量來(lái)補(bǔ)充系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的供熱量的不足部分。

　　在已知污水流量和溫度的變化曲線，以及當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)的氣象參數(shù)等條件下，通過(guò)試算或者數(shù)值方法，解方程（9）得出該污水源在調(diào)節(jié)池足夠大時(shí)能供熱的建筑面積Amax。

　　2.2污水調(diào)節(jié)池體積過(guò)小

　　這意味著在時(shí)間段內(nèi)，有一部分污水的熱量被浪費(fèi)了，此時(shí)﹥。污水調(diào)節(jié)池能提供的最大熱量將完全用于補(bǔ)充系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的供熱量的不足部分。

　　在已知污水流量和溫度的變化曲線，以及當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)的氣象參數(shù)等條件下，通過(guò)試算或者數(shù)值方法，解方程（16），即可得出該污水源在調(diào)節(jié)池體積小于臨界體積時(shí)能供熱的建筑面積。

　　2.3污水調(diào)節(jié)池臨界體積

　　污水調(diào)節(jié)池蓄熱量恰好等于富余熱量，也恰好等于欠缺熱量時(shí)調(diào)節(jié)池具有的體積叫做污水調(diào)節(jié)池臨界體積。

　　2.4不設(shè)置污水調(diào)節(jié)池

　　如果污水調(diào)節(jié)池足夠小，極限情況就是＝0，也就是說(shuō)在系統(tǒng)中不設(shè)置污水調(diào)節(jié)池，系統(tǒng)取熱量只能根據(jù)來(lái)流實(shí)時(shí)提供。

　　從數(shù)學(xué)角度分析，一個(gè)積分函數(shù)值為零，可能存在兩種情形，一種情形是被積分函數(shù)恒為零，另一種情形是積分上下限相同。如果建筑的瞬時(shí)熱負(fù)荷總是大于污水能提供的瞬時(shí)熱量，這是不現(xiàn)實(shí)的，這樣的系統(tǒng)是不合理的。所以本文討論的前提是，在一個(gè)周期T內(nèi)，≥。

　　a) 被積函數(shù)恒為零，則有，即兩條函數(shù)曲線完全重合，這意味著任何時(shí)刻，建筑的熱負(fù)荷與污水提供的熱量完全相等，這種情況是不太可能發(fā)生的。如果建筑的瞬時(shí)熱負(fù)荷與污水提供的瞬時(shí)熱量完全相等，那么設(shè)置污水調(diào)節(jié)池是完全沒(méi)有必要的；

　　b) 積分上下限相同，可以理解成函數(shù)與函數(shù)有且僅有一個(gè)交點(diǎn)，或者有多個(gè)相同函數(shù)值的交點(diǎn)，如圖3所示。

　　（a）只有一個(gè)交點(diǎn)（Qi＞Qo）             （b）只有一個(gè)交點(diǎn)（Qi＜Qo）

　　（c）多個(gè)交點(diǎn)（Qi＞Qo）                 （d）多個(gè)交點(diǎn)（Qi＜Qo）

　　根據(jù)函數(shù)最小值的定義，是函數(shù)的最小值，是求得函數(shù)最小值A(chǔ)時(shí)對(duì)應(yīng)的污水溫度（或者污水流量、建筑瞬時(shí)負(fù)荷）所出現(xiàn)的時(shí)刻。

　　函數(shù)與函數(shù)有多個(gè)相同函數(shù)值，是說(shuō)在T周期內(nèi)，存在多個(gè)時(shí)刻τ1、τ2……τn，建筑的熱負(fù)荷與污水能提供的熱量相等，仍然可以得到類似的結(jié)論。

　　其實(shí)這個(gè)面積A即為污水源熱泵系統(tǒng)能供熱的最大建筑面積，因?yàn)樵谙到y(tǒng)沒(méi)有設(shè)置污水調(diào)節(jié)池時(shí)，系統(tǒng)能供熱的最大建筑面積應(yīng)該是某個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的污水能提供的熱量與建筑熱負(fù)荷的比值的最小值，這正好從數(shù)學(xué)分析和專業(yè)角度兩個(gè)方面證明了系統(tǒng)能供熱的最大建筑面積A的正確性。

　　建筑的瞬時(shí)熱負(fù)荷與污水能提供的熱量完全相等時(shí)，系統(tǒng)沒(méi)有必要設(shè)置污水調(diào)節(jié)池。在一般情況下，可以利用污水調(diào)節(jié)池對(duì)污水熱量進(jìn)行移峰填谷，從而使污水逐時(shí)提供的熱量得到最充分的利用。系統(tǒng)設(shè)置污水調(diào)節(jié)池時(shí)，可以為更大的建筑面積進(jìn)行供熱[2]。

　　污水調(diào)節(jié)池不是越大越好，池建得越大，建造費(fèi)用就越高，但利用率相對(duì)來(lái)說(shuō)就會(huì)越低。最優(yōu)的污水調(diào)節(jié)池的體積是滿足關(guān)系時(shí)對(duì)應(yīng)的污水調(diào)節(jié)池臨界體積。在實(shí)際工程中，污水調(diào)節(jié)池的體積可以在計(jì)算理論最優(yōu)體積基礎(chǔ)上考慮1.1~1.2倍的安全系數(shù)。

　　3結(jié)論

　　綜合上面的分析，可以得出以下結(jié)論：

　　a) 如果因?yàn)榭臻g和其它原因的限制，污水調(diào)節(jié)池體積小于最優(yōu)體積，則污水將損失熱量，熱量損失率為；

　　b) 本文討論的僅僅是污水源熱泵系統(tǒng)的冬季工況，對(duì)系統(tǒng)夏季工況，對(duì)其它冷熱媒熱泵系統(tǒng)，有類似的結(jié)論。當(dāng)熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)，為了確保用戶全年的冷熱需求，系統(tǒng)能供熱空調(diào)的面積應(yīng)該是按上述方法算出的冬、夏兩季工況供應(yīng)面積中的較小值，。

　　c) 建筑的瞬時(shí)熱負(fù)荷與污水提供的瞬時(shí)熱量完全相等時(shí)，系統(tǒng)無(wú)須設(shè)置污水調(diào)節(jié)池。在沒(méi)有污水調(diào)節(jié)池的系統(tǒng)中，污水能供熱的最大建筑面積為。一般情況下，設(shè)置污水調(diào)節(jié)池的系統(tǒng)能供熱的建筑面積會(huì)大于未設(shè)置污水調(diào)節(jié)池的系統(tǒng)能供熱的面積，所以在有足夠空間和初投資充裕的條件下，系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置污水調(diào)節(jié)池；

　　d) 污水調(diào)節(jié)池的最優(yōu)體積是滿足關(guān)系時(shí)對(duì)應(yīng)的污水調(diào)節(jié)池的臨界體積，此時(shí)系統(tǒng)可以提供最大的供暖建筑面積。污水調(diào)節(jié)池體積大于最優(yōu)體積時(shí)，將會(huì)增加造價(jià)，同時(shí)無(wú)益于系統(tǒng)的運(yùn)行；

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 馬最良,姚  楊,趙麗瑩.污水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用前景[J].中國(guó)給水排水,2003,19(7):41-43.

　　[2] 吳德珠.污水源熱泵利用對(duì)環(huán)境影響綜合評(píng)價(jià)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.