余熱回收—太陽能聯(lián)合熱水系統(tǒng)的應(yīng)用
——以某工廠生活辦公綜合樓熱水系統(tǒng)為例

戴雙林

（上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200040）

0 引言

中國于2020 年9 月提出“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”，以應(yīng)對全球氣候變化[1]。針對這一包含“碳達(dá)峰”“碳中和”時間表的目標(biāo)（簡稱“‘雙碳’目標(biāo)”），“十四五”規(guī)劃綱要明確提出，未來5 年內(nèi)，國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低13.5%，二氧化碳排放降低18%。在走向“碳達(dá)峰”的過程中，持續(xù)的“碳減排”是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的根本途徑[1]。當(dāng)前，我國能源利用仍然存在利用效率低、經(jīng)濟(jì)效益差等問題。節(jié)能減排、提高能源綜合利用率，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)主要依靠能源及工業(yè)領(lǐng)域。我國工業(yè)領(lǐng)域能源消耗量約占全國能源消耗總量的70%[2]，除生產(chǎn)工藝亟待改進(jìn)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)需升級等因素外，工業(yè)余熱利用率低，能源（能量）沒有得到充分綜合利用也是造成能耗高的重要原因，很大一部分的工業(yè)能耗以余熱的形式被直接排放廢棄。因此從另一角度看，我國工業(yè)余熱資源豐富，余熱資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，其中可回收率達(dá)60%[3]。企業(yè)在工業(yè)項(xiàng)目中，若能充分利用工業(yè)余熱，可以減少能源的使用，節(jié)約成本，減少碳排放，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會及生態(tài)效益。2020 年我國能源消費(fèi)產(chǎn)生的二氧化碳排放約為100 億噸，其中煤炭消耗的排放占75%[4]。該項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于北方某市，該城市電網(wǎng)的主要能源為火力，在“雙碳”目標(biāo)的背景下，該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)建造時選擇具有可再生或可回收的能源技術(shù)措施，如太陽能熱水系統(tǒng)、余熱回收裝置等，不僅可節(jié)約企業(yè)的設(shè)備運(yùn)營成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且為助力“雙碳”目標(biāo)以及經(jīng)濟(jì)社會的綠色低碳轉(zhuǎn)型，提供切實(shí)可行的參考和示范作用。

1 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于北方某市，占地面積約200畝，主要生產(chǎn)和加工汽車配件，新建單體包括聯(lián)合廠房一、聯(lián)合廠房二、生活及辦公綜合樓、以及聯(lián)合站房等配套建筑物。聯(lián)合站房內(nèi)建有空氣站，供應(yīng)聯(lián)合廠房一、二的壓縮空氣。該項(xiàng)目的生活及辦公樓為一棟三層建筑，占地面積1168m2，總建筑面積為3766m2，內(nèi)設(shè)有食堂及淋浴間，全廠所有職工的生活熱水基本集中在此棟建筑。因此需要設(shè)計(jì)一套供水壓力穩(wěn)定且節(jié)能的熱水系統(tǒng)，在提供舒適熱水供應(yīng)的同時，還能有效地降低運(yùn)行成本，節(jié)約能耗。

聯(lián)合站房內(nèi)設(shè)有三臺26Nm3/min 噴油風(fēng)冷螺桿式空壓機(jī)，空壓機(jī)冷卻方式為風(fēng)冷。螺桿空壓機(jī)通過電機(jī)把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能帶動螺桿機(jī)對空氣進(jìn)行壓縮，釋放大量的熱能，據(jù)統(tǒng)計(jì)，螺桿機(jī)運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱量之和大約相當(dāng)于其輸入電動率的75%[5]。這些熱量首先通過空壓機(jī)內(nèi)的潤滑油進(jìn)行吸收，隨后高溫潤滑油再將這些熱量傳遞給風(fēng)冷散熱器，最終將所有熱量釋放到環(huán)境中。該部分熱能若作為廢熱直接排放至大氣中，不僅對環(huán)境造成污染，更是對能源的一種極大浪費(fèi)。若將空壓機(jī)在運(yùn)行時所散發(fā)的廢熱能有效利用，可對企業(yè)節(jié)能減排有顯著成效。因此經(jīng)過綜合考慮，對空壓機(jī)進(jìn)行余熱回收的改造，在企業(yè)生產(chǎn)時段，該余熱回收系統(tǒng)與空壓機(jī)同步運(yùn)行，制取熱水后存儲以供其使用。

2 余熱回收—太陽能聯(lián)合熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 用水量統(tǒng)計(jì)及計(jì)算

該廠區(qū)供水水源為城市自來水，從地塊北側(cè)市政給水管網(wǎng)引入一路DN200 給水管，在廠區(qū)室外形成環(huán)狀供水管網(wǎng)，提供全廠生活、生產(chǎn)用水及消防水池的補(bǔ)水，詳細(xì)用水量詳見表1。

表1 建筑用水量計(jì)算

全廠的生活熱水均集中在生活及辦公綜合樓內(nèi)，一樓設(shè)有淋浴間，共設(shè)有淋浴器87 個，食堂的操作間主要集中在一樓，二樓為備餐及就餐區(qū)域，管理人員的辦公室設(shè)置在三樓。詳細(xì)的熱水用量詳見表2。

表2 建筑用熱水量計(jì)算

本建筑熱水是全日制集中供應(yīng)，通過表2 分析可得，最高日的淋浴熱水用量占到總熱水量的74%以上，平均日的淋浴熱水用量占比更是達(dá)到了78%，且工人淋浴時間段固定，基本不與食堂的熱水用水時段重疊，因此該熱水系統(tǒng)計(jì)算時更接近定時集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)。

2.2 余熱回收—太陽能聯(lián)合熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在聯(lián)合站房內(nèi)有3 臺功率為160kW 的空壓機(jī)，最大負(fù)荷運(yùn)行情況下，可回收的熱量約為288kW?？諌簷C(jī)經(jīng)余熱回收改造后，高溫潤滑油將首先經(jīng)過余熱回收熱水器的熱源一側(cè)，用以加熱另外一側(cè)的低溫水，低溫水吸熱之后，溫度升高，再排出余熱回收機(jī)[5]。如此往復(fù)循環(huán)，將另一側(cè)的低溫水加熱至60℃后，送至生活及辦公綜合樓屋頂?shù)挠酂峄厥账疅嵯鋬?nèi)儲存。根據(jù)實(shí)際情況估算，空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)在正常工況下運(yùn)行兩班可制取60℃熱水量約為20t，并不滿足生活辦公樓的平均日熱水量需求，每日還需制取60℃熱水量約為25t。

目前熱水系統(tǒng)常用的加熱方式為太陽能加空氣源熱泵，該地區(qū)平均氣溫12.7℃，極端最高氣溫38.4℃，極端最低氣溫-13.1℃。最冷月平均氣溫小于0℃，不宜采用空氣源熱泵作為輔助熱源。

太陽能集熱器總面積計(jì)算公式[6]：

其中：bj——集熱器面積補(bǔ)償系數(shù)取1；Jt——平均日太陽能輻照量取15900kJ/m2·d；ηj——集熱器總面積的年平均集熱效率取40%；η1——集熱器的熱損失取20%。

由于屋頂可利用面積的限制，所布置的太陽能集熱器總面積約為150m2，按照溫升45℃，根據(jù)公式計(jì)算所得，該系統(tǒng)的太陽能真空集熱器日均產(chǎn)熱水量約為4t/d，太陽能保證率僅為16%?？紤]到廠區(qū)內(nèi)有燃?xì)夤?yīng)，故在一樓設(shè)置一臺燃?xì)鉄崴疇t作為太陽能—余熱回收聯(lián)合熱水系統(tǒng)的備用熱源。該燃?xì)鉄崴疇t的設(shè)計(jì)參數(shù)Q=0.47MW，其功率滿足在沒有太陽能助推的情況下，冬季冷水溫度為4℃時，連續(xù)工作2h，可制取60℃的熱水量約15t。

余熱回收—太陽能聯(lián)合熱水系統(tǒng)流程圖具體詳見圖1。本建筑為混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)可承載負(fù)荷較大，一至三層的建筑面積緊張，沒有多余的房間放置冷、熱水箱。故在屋頂設(shè)置冷、熱水箱間，采用水泵—水箱聯(lián)合供水方式，不僅供水壓力穩(wěn)定，而且能耗較低。余熱回收熱水箱和太陽能熱水箱的出水管上都裝有電動閥，通過熱水箱內(nèi)電子液位計(jì)上的遠(yuǎn)傳信號，控制水箱出水。使用過程中，通過余熱回收熱水箱中的電子液位計(jì)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，優(yōu)先使用余熱回收熱水箱內(nèi)的熱水。當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定液位后，關(guān)閉余熱回收熱水箱出水管上的電動閥，聯(lián)動打開太陽能熱水箱出水管上的電動閥，保證最大限度地利用余熱回收熱水。

圖1 熱水系統(tǒng)流程

太陽能作為補(bǔ)充熱源，由于太陽能保證率嚴(yán)重不足，故將太陽能集熱器作為預(yù)熱。當(dāng)太陽能熱水箱中的熱水溫度不滿足使用要求時，啟動燃?xì)鉄崴疇t作為輔助熱源。兩座熱水箱之間不設(shè)置聯(lián)通管，只有在余熱回收熱水箱中熱水使用完畢后，才啟動打開太陽能熱水箱的出水管上的電動閥。通過水量計(jì)算和熱水控制系統(tǒng)的優(yōu)化，保證在淋浴時間段內(nèi)集中使用余熱回收熱水，減少了余熱回收熱水箱內(nèi)熱水的保溫時間，有效保障了余熱回收熱水箱中的水溫。熱水系統(tǒng)回水管中的熱水基本回流至太陽能熱水箱中，而太陽能熱水系統(tǒng)中有燃?xì)鉄崴疇t作為輔助熱源，可有效地保證水溫恒定。該余熱回收—太陽能聯(lián)合熱水系統(tǒng)，在節(jié)能的同時，還能有效保證水溫的恒定，滿足熱水使用的舒適性。

3 經(jīng)濟(jì)效益與社會效益評價

本廠房按照兩班制，一年工作時間按照251d 計(jì)，將對比分析熱水系統(tǒng)是否設(shè)置余熱回收裝置的天然氣耗量及碳排放量，分析結(jié)果如表3 所示。

表3 建筑用熱水量計(jì)算

兩臺余熱回收裝置每年可以節(jié)約天然氣約7×104Nm3，按照 3.5 元/Nm3價格估算，考慮廠區(qū)管道投資等，兩臺余熱回收裝置的靜態(tài)回收期約為0.8 年，經(jīng)濟(jì)效益顯著。該系統(tǒng)每年可以減少碳排放量約42t，為助力“雙碳”目標(biāo)以及經(jīng)濟(jì)社會的綠色低碳轉(zhuǎn)型，提供切實(shí)可行的參考和示范。

4 余熱回收—太陽能聯(lián)合熱水系統(tǒng)的特點(diǎn)

4.1 系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著

通過熱水量分析可得，最高日74%的熱水量為淋浴使用，23%的熱水量為食堂使用，淋浴與食堂的使用時段幾乎不重疊。淋浴熱水為定時集中熱水供應(yīng)，按照工業(yè)企業(yè)生活間的淋浴器同時給水百分?jǐn)?shù)為100%計(jì)算，熱水設(shè)計(jì)秒流量可高達(dá)8.7L/s。熱水水量變化大，若采用恒壓變頻供水裝置，會導(dǎo)致變頻水泵嚴(yán)重偏離其高效區(qū)，水泵運(yùn)行效率極低，造成電能的浪費(fèi)。屋頂分別設(shè)置冷、熱水箱，冷熱水系統(tǒng)均采用水箱—水泵聯(lián)合供水方式，冷熱水同源，供水壓力穩(wěn)定，可以有效保證用水的舒適性。水泵—水箱聯(lián)合供水，水泵長期在高效段運(yùn)行，能耗比恒壓變頻供水方式低。

該套余熱回收—太陽能聯(lián)合熱水系統(tǒng)，不將余熱回收裝置所制得的熱水用于預(yù)熱，整個余熱回收系統(tǒng)為全自動運(yùn)行，管道系統(tǒng)為單管直供。余熱回收裝置的熱水出水水溫可達(dá)60℃以上，滿足使用要求，設(shè)置專門的余熱回收熱水箱，防止熱水二次加熱造成的熱能損耗，可更高效地利用工業(yè)余熱。

4.2 自動化程度高，便于管理操作

余熱回收—太陽能聯(lián)合熱水系統(tǒng)，設(shè)置有獨(dú)立的余熱回收熱水箱和太陽能熱水箱，熱水箱內(nèi)均設(shè)置遠(yuǎn)傳液位計(jì)，液位信號遠(yuǎn)傳至中央控制面板，通過液位控制熱水供水管道上的電動閥，實(shí)現(xiàn)自動控制兩個熱水箱的交替運(yùn)行。本設(shè)計(jì)中，整個熱水系統(tǒng)控制基本采用自動化控制，節(jié)省人力又便于操作和控制。

4.3 可改進(jìn)的方向

該系統(tǒng)也存在一定的弊端，例如太陽能熱水箱一直處于保溫狀態(tài)，如何根據(jù)熱水箱的水溫和水位進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測后，更加合理的將太陽能與余熱回收兩套裝置結(jié)合使用，以達(dá)到對余熱回收和太陽能的充分利用，尋求技術(shù)方案的最優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)效益的最大化。