医院应用污水源热泵的可行性分析
慧聪水工业网 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（2013年6月至2014年5月）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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