熱泵冷熱水聯(lián)產(chǎn)在某工廠的應(yīng)用

歐陽(yáng)生春

升寶節(jié)能技術(shù)（上海）有限公司

熱泵冷熱水聯(lián)產(chǎn)在某工廠的應(yīng)用

歐陽(yáng)生春

升寶節(jié)能技術(shù)（上海）有限公司

以某熱泵冷熱水聯(lián)產(chǎn)空調(diào)系統(tǒng)一改造工程為例，介紹了改造工程概況、改造所選用的設(shè)備和儀器儀表，并給出了改造后的節(jié)能效果和環(huán)境效益分析。

高溫?zé)岜?；冷熱水?lián)產(chǎn)；熱回收；節(jié)能效果

Abstract: Based on some heat pump cooling heating water co-generation system renovation,the author introduces sketch of renovation project and facilities and instruments and apparatuses for renovation. Finally the author puts forward energy saving effect and environment benefit analysis after renovation.

Key words: High Temperature Heat Pump, Cooling Heating Water Co-Generation, Heat Recovery,Energy Saving Effect

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)扮演著十分重要的角色。空調(diào)系統(tǒng)在公共建筑及工業(yè)建筑中越來(lái)越普及，由此所產(chǎn)生的巨大的廢熱排放對(duì)大氣環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重的污染，加劇了城市的“熱島效應(yīng)”。冷水機(jī)組在制冷工況下向大氣環(huán)境排放的冷凝熱，其值可達(dá)制冷量的1.15 ～ 1.3 倍[1]。

冷水機(jī)組經(jīng)冷凝器放出的熱量通常由冷卻塔帶走，排向周?chē)h(huán)境中，而同時(shí)需要用熱的場(chǎng)所（如酒店、工廠、醫(yī)院等）所需的熱源卻要再通過(guò)鍋爐設(shè)備制取。對(duì)于上述同時(shí)有用冷、用熱需求的場(chǎng)合，上述做法導(dǎo)致能源的巨大浪費(fèi)，同時(shí)，也給周邊環(huán)境帶來(lái)了環(huán)境熱污染。而高溫?zé)岜脵C(jī)組的制熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)各種鍋爐，是優(yōu)秀的鍋爐替代品，適用于同時(shí)需要冷量和熱量，且有足夠冷負(fù)荷的系統(tǒng)中[2]。高溫?zé)岜脵C(jī)組采用冷熱聯(lián)產(chǎn)，不但實(shí)現(xiàn)了廢熱利用，減少了對(duì)環(huán)境的熱污染，又可減少冷卻塔的運(yùn)行費(fèi)用和噪聲，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

1 工程概況

某工廠空調(diào)系統(tǒng)的熱水在夏季主要用于空調(diào)箱處理空氣的再熱，冬季主要用于空調(diào)箱熱水盤(pán)管的加熱。這些熱源來(lái)自于天然氣蒸汽鍋爐，蒸汽鍋爐產(chǎn)生的高溫蒸汽通過(guò)板式換熱器換熱后，將熱水加熱并供應(yīng)給空調(diào)末端設(shè)備。工廠一年均需要供應(yīng)熱水和冷凍水，且冷量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱量。

該工廠共設(shè)有5臺(tái)蒸汽板換，每臺(tái)板換對(duì)應(yīng)一個(gè)蒸汽閥。一般使用兩臺(tái)蒸汽板換。蒸汽閥在不同開(kāi)度下對(duì)應(yīng)的蒸氣流量表1所示。

對(duì)板換蒸汽閥在不同開(kāi)度下的流量進(jìn)行回歸，得到如下計(jì)算式。該項(xiàng)目改造前沒(méi)有能量計(jì)和流量計(jì)，僅有溫度傳感器。參照本項(xiàng)目BA數(shù)據(jù)庫(kù)提供的板換蒸汽閥的開(kāi)度數(shù)據(jù)，計(jì)算在不同開(kāi)度下逐月的蒸汽使用量，進(jìn)而推算逐月的天然氣使用量。其中，140℃飽和蒸汽的熱值取273 4 kJ/kg，天然氣的熱值取8 500 kcal/m3，天然氣鍋爐的效率取90%。表2為天然氣月用量。

2013年1月～2013年1月熱水供回水溫度分別如圖1所示。

從圖1可知，該廠空調(diào)用熱水供回水溫度呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化特點(diǎn)，夏季的供回水溫度略低于冬季，全年熱水供水溫度在61℃～67℃之間，回水溫度在42℃～45℃之間。圖2為逐月熱水熱負(fù)荷以及相應(yīng)的熱水流量。

表1 蒸汽閥流量與開(kāi)度對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 天然氣逐月用量

2 改造方案

本項(xiàng)目擬選用3臺(tái)特靈高溫?zé)岜脵C(jī)組與原有冷凍水回水進(jìn)行串聯(lián)，這樣可讓熱泵機(jī)組優(yōu)先滿載，最大程度回收熱水，具體設(shè)備配置表如圖3所示。熱泵機(jī)組冷凍側(cè)的進(jìn)出水溫度為12/7℃，熱水側(cè)的進(jìn)出水溫度為45/60℃。熱泵機(jī)組冷凍側(cè)與原有冷凍水系統(tǒng)回水管進(jìn)行串聯(lián)，熱水側(cè)與原有熱水系統(tǒng)回水管進(jìn)行串聯(lián)（如圖4所示）。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，不僅可向冷凍水系統(tǒng)提供一定冷量的冷凍水，而且熱泵機(jī)組也可提供末端空調(diào)設(shè)備所需的熱水。當(dāng)熱泵機(jī)組提供的熱量不能滿足末端空調(diào)設(shè)備所需的熱量時(shí)，由原有蒸汽鍋爐進(jìn)行補(bǔ)充。

表3為選用設(shè)備參數(shù)表。

熱泵機(jī)組冷凍側(cè)與現(xiàn)有冷凍水系統(tǒng)串聯(lián)連接，讓熱泵機(jī)組運(yùn)行在制熱優(yōu)先模式，熱泵根據(jù)末端熱水負(fù)荷需要自動(dòng)調(diào)節(jié)，可使熱泵機(jī)組所有熱量全部用于熱水，無(wú)多余熱量排放，運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)。

圖1 熱水供回水溫度

圖2 逐月熱負(fù)荷及流量

高溫?zé)岜脵C(jī)組所有熱量用于加熱熱水，在系統(tǒng)獲得同樣冷量的條件下減少了冷卻塔熱負(fù)荷，這樣可在冷卻塔全開(kāi)的條件下降低冷卻水出塔水溫，從而提高各冷水機(jī)組能效。

表3 設(shè)備參數(shù)表

表4 熱泵機(jī)組提供熱量及熱水所需熱量

3 控制邏輯

（1）新增熱泵機(jī)組的熱水泵在滿足熱泵機(jī)組最小流量的基礎(chǔ)上，根據(jù)流量進(jìn)行變頻。

（2）新增熱泵機(jī)組的冷凍水泵在滿足熱泵機(jī)組最小流量的基礎(chǔ)上，根據(jù)溫差進(jìn)行變頻。

（3）原有熱水泵仍按照熱水供回水壓差進(jìn)行變頻運(yùn)行，通過(guò)新增熱水泵與原有熱水泵的運(yùn)行，調(diào)節(jié)旁通管旁通流量。

（4）一般情況下，原熱水回水管路上的蝶閥關(guān)閉，熱泵機(jī)組根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷情況進(jìn)行開(kāi)啟。

（5）當(dāng)熱泵機(jī)組需要檢修時(shí)，關(guān)閉熱泵機(jī)組兩側(cè)的手動(dòng)閥，開(kāi)啟原熱水回水管路上的蝶閥，由原有的蒸汽鍋爐供應(yīng)全部熱水。

4 改造后節(jié)能效果

本項(xiàng)目原熱源為天然氣蒸汽鍋爐，蒸汽鍋爐大部分熱量用于熱水，另外在過(guò)渡季節(jié)和冬季部分用于加濕。蒸汽鍋爐產(chǎn)生高溫高熱蒸汽并通過(guò)板式換熱器換熱后，向空調(diào)末端供應(yīng)60℃左右的熱水。計(jì)算時(shí)，天然氣的熱值取8 500 kcal/m3，鍋爐的效率取90%，換熱器的效率取98%。

系統(tǒng)安裝完成并實(shí)際運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將首先開(kāi)啟熱泵機(jī)組，并根據(jù)熱負(fù)荷側(cè)對(duì)熱泵機(jī)組進(jìn)行控制，熱泵提供熱量與熱負(fù)荷如表4所示。

系統(tǒng)增加熱泵機(jī)組后，在現(xiàn)有鍋爐效率0.9與板式換熱器效率0.98的條件下，可以計(jì)算得到一個(gè)天然氣的用量。由于本項(xiàng)目鍋爐帶有煙氣熱回收，且煙氣熱回收的熱量約占天然氣用量的5%。本項(xiàng)目實(shí)際節(jié)省的天然氣用量如表5所示。

圖3 新增熱泵機(jī)組冷凍側(cè)連接方式

圖4 新增熱泵機(jī)組冷卻側(cè)連接方法

按上所述，可節(jié)省的鍋爐用天然氣費(fèi)用為7 646 226元/a。

原冷水機(jī)房全年的整體效率在0.85 kW/RT進(jìn)行計(jì)算，增加熱泵機(jī)組后，考慮到新增熱泵機(jī)組、冷凍水泵、熱水泵的功率，其整套配置下的效率約為1.58 kW/RT，增加熱泵機(jī)組后增加的系統(tǒng)耗電量計(jì)算如表6所示。

冷熱水聯(lián)產(chǎn)改造完成后，可節(jié)省天然氣運(yùn)行費(fèi)用7 646 226元/a，同時(shí)熱泵機(jī)組多耗電2 581 064 kWh/a，電費(fèi)單價(jià)按0.75元/kWh計(jì)算，新增冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)多耗電1 935 798元/a，兩者綜合作用產(chǎn)生的節(jié)能費(fèi)用共計(jì)5 710 428元。

5 環(huán)境效益分析

根據(jù)高溫?zé)岜妹磕甑漠a(chǎn)冷量，對(duì)應(yīng)原有系統(tǒng)的冷機(jī)效率為0.63 kW/RT，則全年減少散熱5.3×1 010 kJ。每年節(jié)省天然氣耗量1 950 568 m3，相當(dāng)于節(jié)省標(biāo)煤2 368 t標(biāo)煤，每年增加耗電量2 581 064 kWh，相當(dāng)于增加標(biāo)煤1 043 t標(biāo)煤，全年節(jié)省標(biāo)煤1 325 t標(biāo)煤。

表5 每年節(jié)省天然氣費(fèi)用計(jì)算

表6 高溫?zé)岜孟到y(tǒng)增加耗電量

6 總結(jié)

將高溫?zé)岜糜糜诰哂欣湄?fù)荷和熱負(fù)荷需求的場(chǎng)所是可行的，不僅減少了散熱量，而且回收了熱量，同時(shí)又提供了冷量，降低了運(yùn)行費(fèi)用，該技術(shù)在同時(shí)具有冷熱負(fù)荷需求的場(chǎng)所具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 吳照，趙新紅等. 上海某工廠空調(diào)系統(tǒng)熱回收綜合節(jié)能改造.建筑節(jié)能[J] 2014.42（4）:91-94

[2] 李敬一，郭懿遠(yuǎn)等. 冷水機(jī)組熱回收評(píng)價(jià)系統(tǒng)的應(yīng)用分析.制冷與空調(diào)[J] 2013.27（5）:455-457

Application of Heat Pump Cooling Heating Water Co-Generation at Some Factory

Ouyang Shengchun
R&B Energy Conservation Technology (Shanghai) Co,,Ltd

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.09.014