佛山市某化工廠污水源熱泵的節(jié)能分析

吳藝博

中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司

0 引言

污水源熱泵技術(shù)，主要是以城市生活及工業(yè)污水作為提取和儲(chǔ)存能量的冷熱源，借助熱泵機(jī)組系統(tǒng)內(nèi)部制冷劑的物態(tài)循環(huán)變化，消耗少量的電能，從而達(dá)到制冷制暖效果的一種創(chuàng)新技術(shù)。與其他熱源相比，污水源熱泵的技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn)在于防堵塞、防污染與防腐蝕。但對(duì)于節(jié)能環(huán)保來(lái)說(shuō)，污水源熱泵由于采暖沒(méi)有燃燒過(guò)程，避免了排煙污染，且有效利用了污水作為能量來(lái)源，節(jié)能減排效益明顯，不產(chǎn)生任何廢渣，廢水，廢氣和煙塵。

本文中，佛山市某化工廠污水排放量大，主要來(lái)源于化學(xué)原料加工廢水，是一種巨大的低溫余熱源，是水-水源熱泵的理想低溫?zé)嵩础１疚囊晕鬯礋岜孟到y(tǒng)在佛山市某化工廠空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用為例[1]，著重對(duì)應(yīng)用污水源熱泵與傳統(tǒng)水冷機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析比較，以期為廣東佛山東莞等地眾多化工廠類(lèi)似的工程項(xiàng)目，提供參考。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目一共由 6 層大樓組成，建筑面積為 177355 m2，其中地上5 層需要冬季供暖，夏季制冷，面積為42574 m2，通過(guò)計(jì)算得冷負(fù)荷 4106 kW，熱負(fù)荷2844 kW。工廠性質(zhì)為化工廠，每日污水排量較大，且水量穩(wěn)定，為污水源熱泵的使用提供了穩(wěn)定的流量基礎(chǔ)，但由于排水特征為間歇性排放，為了保證污水源熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠使用，需設(shè)置蓄水池以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)測(cè)量，污水全年日平均溫度在12.2～31.7℃ 之間變化。最高為 8 月份，平均溫度30.8 ℃。最低為2 月份，平均溫度為14.1 ℃。污水濁度及游離氯含量偏高，需對(duì)污水進(jìn)行適當(dāng)處理，本項(xiàng)目采用反滲透技術(shù)，將高濃度含氯廢水的進(jìn)行脫鹽處理后，作為污水源熱泵的冷熱源。

2 污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 污水源熱泵換熱器設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目中，由于此化工廠排出的污水中含有大量油性污物，對(duì)于普通的換熱器，換熱管內(nèi)溫度高的情況下，污水流經(jīng)換熱管時(shí)會(huì)產(chǎn)生掛膜現(xiàn)象，從而導(dǎo)致管壁粘結(jié)黏泥，不僅增大了換熱熱阻，而且影響了污水流速，影響換熱效果。因此在本項(xiàng)目中，采用管殼式換熱器。

污水換熱器的主要換熱熱阻集中在污水側(cè)，由于換熱管內(nèi)高溫產(chǎn)生的掛膜現(xiàn)象不能忽略，因此，查文獻(xiàn)可知，當(dāng)換熱管管壁污泥為 0.5 mm 厚時(shí)，換熱效率將下降35%左右。為提高換熱系數(shù)，本項(xiàng)目在換熱管中加入攪拌棒，通過(guò)不停的震動(dòng)攪拌使得污水流動(dòng)處于紊流狀態(tài)，從而減少換熱管管壁的結(jié)垢，提高換熱效率。

2.2 污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目擬采用經(jīng)反滲透脫鹽處理后的污水源熱泵作為6 層樓的冬夏兩季輔助冷熱源，污水源熱泵設(shè)計(jì)流量為50 m3/h，采用直接換熱方式。

機(jī)組冬季設(shè)計(jì)要求，用戶(hù)端提供 45/40 ℃的熱水，夏季設(shè)計(jì)要求，用戶(hù)端提供 7/12 ℃的冷水。在過(guò)渡季節(jié)，通過(guò)管路中閥門(mén)的開(kāi)閉來(lái)控制制冷劑流路的冷熱切換，熱泵機(jī)組為生活熱水進(jìn)行預(yù)熱。熱泵用單向閥開(kāi)閉進(jìn)行工況轉(zhuǎn)換，原理如圖1 所示。

根據(jù)本項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)要求，夏季供冷運(yùn)行時(shí)間為150 天，每天運(yùn)行 24 小時(shí)，冬季供熱運(yùn)行時(shí)間為90天，每天運(yùn)行 24 小時(shí)，過(guò)渡季節(jié)生活熱水預(yù)熱時(shí)間為120 天，每天運(yùn)行 10 小時(shí)。

通過(guò)相關(guān)負(fù)荷計(jì)算可知，機(jī)組夏季制冷量274.8 kW，冬季制熱量 468.5 kW，再根據(jù)上述參數(shù)參照熱泵廠家提供的主機(jī)參數(shù)選型可知，機(jī)組夏季壓縮機(jī)輸入功率為73.79 kW。冬季壓縮機(jī)輸入功率119.5 kW。

圖1 污水源熱泵系統(tǒng)圖

3 經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能減排性分析

3.1 初投資成本對(duì)比

由于本化工廠污水源熱泵項(xiàng)目地點(diǎn)位于佛山，本文選取佛山地區(qū)常用的空調(diào)冷熱源方案冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)與污水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。

對(duì)常規(guī)冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算選型，冷水機(jī)組和污水源熱泵夏季工況設(shè)定為一樣，制冷量274.8 kW，壓縮機(jī)輸入功率73.79 kW。燃?xì)忮仩t冬季制熱量468.5 kW，鍋爐效率η取90%。

根據(jù)廠家選型目錄以及報(bào)價(jià)，常規(guī)冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)與污水源熱泵系統(tǒng)初投資如表1：

表1 兩種方案初投資對(duì)比

由表1 可以看出，污水源熱泵系統(tǒng)總的初投資為31.2 萬(wàn)元，而采用傳統(tǒng)的冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)總的初投資為29.4 萬(wàn)元，污水源熱泵初投資成本相對(duì)傳統(tǒng)冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t僅高出1.8 萬(wàn)元，而污水可以得到更有效的利用，環(huán)保價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3.2 運(yùn)行成本比較

本項(xiàng)目所在地為廣東省佛山市，電力價(jià)格按佛山市當(dāng)?shù)氐纳虡I(yè)用電計(jì)算，按 1.2 元/kWh 選取。天然氣價(jià)格按正常的工業(yè)用氣來(lái)計(jì)算，當(dāng)前佛山市工業(yè)用天然氣價(jià)格為3.79 元/m3。污水源熱泵機(jī)組按全年滿(mǎn)負(fù)荷工況運(yùn)行計(jì)算。

本文計(jì)算時(shí)，冷水機(jī)組和污水源熱泵夏季工況設(shè)定為一樣，制冷量 274.8 kW，壓縮機(jī)輸入功率73.79 kW。燃?xì)忮仩t冬季制熱量468.5 kW，鍋爐效率η取90%。

在水費(fèi)方面，由于此項(xiàng)目所在化工廠本身用水量較大，常規(guī)冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t方式夏季冷卻塔的補(bǔ)水量相對(duì)來(lái)說(shuō)微乎其微，且水費(fèi)相對(duì)主機(jī)運(yùn)行費(fèi)用而言也較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文運(yùn)行成本對(duì)比中忽略水費(fèi)計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，兩種方案各自的運(yùn)行費(fèi)用結(jié)果具體如表2。

表2 兩種方案運(yùn)行成本比較

從計(jì)算結(jié)果可知，與常規(guī)制冷機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)相比，污水源熱泵系統(tǒng)在電費(fèi)上每年可以節(jié)省 30%左右的運(yùn)行費(fèi)用，但是由于污水源熱泵的特殊性以及采用的反滲透脫鹽處理，無(wú)水源熱泵系統(tǒng)在年維護(hù)管理費(fèi)用、年投資費(fèi)用分別比常規(guī)制冷機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)多花費(fèi)10%和6.7%。但是總體成本上，污水源熱泵年運(yùn)行費(fèi)比25.4 萬(wàn)元，15 個(gè)月時(shí)間就可以省下全部的污水源熱泵初投資。

3.3 節(jié)能性評(píng)價(jià)

3.3.1 制冷一次能源利用率

制冷一次能源利用率是單位制冷量所消耗的一次能源量，用PER R表示，單位為 kW/kW，則熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷工況的一次能源利用率為[2-3]：

式中：COPR為制冷性能系數(shù)；Df為一次能源發(fā)電效率，在本項(xiàng)目計(jì)算時(shí)，取 33%；Ds為電網(wǎng)輸送損耗效率，在本項(xiàng)目計(jì)算時(shí)，取 5%；fR為制冷輔助設(shè)備耗能系數(shù)，在本項(xiàng)目計(jì)算時(shí)，取 10%。

3.3.2 制熱一次能源利用率

制熱一次能源利用率是指單位制熱量所消耗的一次能源量，用PERHP表示，單位為kW/kW，則熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱工況的一次能源利用率[2，3]為：

式中：COPHP為供熱性能系數(shù)；Df為一次能源發(fā)電效率，在本項(xiàng)目計(jì)算時(shí)，跟制冷一樣取33%；Ds為電網(wǎng)輸送損耗效率，在本項(xiàng)目計(jì)算時(shí)，跟制冷一樣取 5%；fHP為制熱輔助設(shè)備耗能系數(shù)，在本項(xiàng)目計(jì)算時(shí)，跟制冷一樣取，取 10%。

對(duì)于鍋爐系統(tǒng)而言，一次能源利用率[2]公式：

式中：η為燃?xì)忮仩t的熱效率，在本項(xiàng)目中，綜合廠家給出的參數(shù)，取 90%；f為其他輔助設(shè)備的能耗，在本項(xiàng)目中，綜合廠家給出的參數(shù)，以總能耗的 5%計(jì)。

3.3.3 全年一次能源利用率

冷熱源系統(tǒng)全年制冷量為QR'，制熱量為QHP'，則系統(tǒng)的全年一次能源利用率為[2-3]：

3.3.4 計(jì)算結(jié)果

污水流量為50 m3/h，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3：

表3 污水源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的一次能源利用率與一次能耗

由計(jì)算結(jié)果可知：

1）在本項(xiàng)目中，污水源熱泵系統(tǒng)全年一次能源利用率為 1.084，常規(guī)制冷機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)僅為0.921，污水源熱泵全年一次能源利用率比常規(guī)系統(tǒng)高0.163。

2）通過(guò)計(jì)算可知，污水源熱泵系統(tǒng)全年一次能耗量為2365285 kWh，常規(guī)制冷機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)一次能耗量為2783197 kWh，相比于常規(guī)制冷機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)，污水源熱泵系統(tǒng)全年一次能源消耗節(jié)省量417912 kWh，相當(dāng)于節(jié)省38673m3天然氣。污水源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比節(jié)能效果顯著。

通過(guò)對(duì)該化工廠的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)情況調(diào)研可知，該化工廠夏季為旺季，因此用電高峰主要集中在 5-10 月份，而對(duì)于整個(gè)佛山地區(qū)來(lái)說(shuō)，由于 5-10 月份氣溫較高，用電量也增大，采用污水源熱泵系統(tǒng)不僅可以為化工廠節(jié)省耗電量，還可以緩解佛山地區(qū)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)用電高峰的壓力，減少用電高峰時(shí)限電對(duì)其他工廠或企業(yè)影響。

4 結(jié)論

本文以佛山市某化工廠污水源熱泵應(yīng)用為例，從經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性角度，分析佛山東莞等地此類(lèi)工程采用污水源熱泵的可行性。結(jié)果表明：

1）與常規(guī)冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)相比，采用污水源熱泵后，年投資費(fèi)用、年維護(hù)管理費(fèi)用分別增加10%和 6.7%，但是年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省 30%左右，節(jié)省了25.4 萬(wàn)元，僅用 15 個(gè)月的時(shí)間，就可以收回整個(gè)污水源熱泵系統(tǒng)的全部初投資成本。

2）與常規(guī)冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)相比，采用污水源熱泵后，不僅可以減少能耗，還能有效地利用污水中蘊(yùn)藏的低位熱能，污水源熱泵系統(tǒng)全年一次能源利用率為 1.084，常規(guī)制冷機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)僅為0.921，污水源熱泵全年一次能源利用率比常規(guī)系統(tǒng)高0.163。

3）通過(guò)對(duì)該化工廠的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)情況調(diào)研，采用污水源熱泵系統(tǒng)不僅可以為化工廠節(jié)省耗電量，還可以緩解佛山地區(qū)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)用電高峰的壓力，減少用電高峰時(shí)限電對(duì)其他工廠或企業(yè)影響。

綜上所述，對(duì)于化工廠類(lèi)冷熱源工程，采用污水源熱泵代替常規(guī)冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保優(yōu)勢(shì)，符合國(guó)家的節(jié)能環(huán)保政策。在佛山東莞等化工廠企業(yè)眾多的地方，值得大力推廣。