酒店建筑污水源熱泵供熱的技術(shù)經(jīng)濟性分析

李凈凈， 徐 文

(青島開源熱力設(shè)計研究院有限公司，山東 青島 266071)

1 工程概況

臨沂某酒店供熱面積約10.1×104m2，酒店有5幢樓，最高樓層為5層。采用市政熱網(wǎng)集中供熱，制冷機組供冷。冷熱源設(shè)備機房設(shè)在地下1層，房間末端裝置為風(fēng)機盤管。由于供熱效果不是很理想，且在距酒店僅1.5 km處有污水處理廠，考慮將污水廠排水作為低溫?zé)嵩醇右岳茫捎梦鬯礋岜脵C組替代市政熱源。

根據(jù)該酒店提供的歷年用熱資料及CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，酒店供暖熱指標(biāo)取70 W/m2，即設(shè)計熱負(fù)荷為7.07 MW。確定選擇3臺水源熱泵機組，單臺熱泵機組的額定制熱量為2 357 kW，額定輸入電功率為497 kW。

2 熱負(fù)荷及運行調(diào)節(jié)方式

臨沂市供暖室外計算溫度為－4.7℃，供暖室內(nèi)設(shè)計溫度為18℃，設(shè)計供、回水溫度為55、45℃。運行調(diào)節(jié)方式采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)。供暖期溫度延續(xù)時間及熱負(fù)荷見表1，最大負(fù)荷利用時間為2 294 h。不同室外溫度下的熱負(fù)荷比、供水溫度、相對流量見表2。經(jīng)處理后的污水排放溫度約10℃，排放量可達(dá)到1 400 t/h。

表1 供暖期溫度延續(xù)時間及熱負(fù)荷

表2 不同室外溫度下的熱負(fù)荷比、供水溫度、相對流量

3 污水源熱泵系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)流程

污水源熱泵供熱系統(tǒng)流程見圖1。污水經(jīng)污水廠污水泵(圖1中沒有表達(dá))輸送至機房，經(jīng)站內(nèi)污水泵加壓后，與中介水在換熱器中換熱后排放。中介水與污水換熱后升溫，進(jìn)入水源熱泵機組的蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中放熱后回到換熱器繼續(xù)與污水換熱。供熱介質(zhì)回水吸收水源熱泵機組冷凝器放熱后溫度升高，作為供水供給用戶。

3.2 設(shè)備選型

① 供熱介質(zhì)循環(huán)泵

供熱介質(zhì)加壓泵:由于3～5號樓距機房距離比較遠(yuǎn)，為滿足供熱需要，原市政集中供熱系統(tǒng)在3～5號樓支路(設(shè)計質(zhì)量流量為313 t/h)上設(shè)置供熱介質(zhì)加壓泵。由于原供熱介質(zhì)加壓泵使用時間比較長，泵體銹蝕嚴(yán)重，因此考慮進(jìn)行更換。供熱介質(zhì)加壓泵2臺(1用1備)，單臺質(zhì)量流量為350 t/h，揚程為21 m，電動機輸入電功率為30 kW。

圖1 污水源熱泵供熱系統(tǒng)工藝流程

供熱介質(zhì)總泵:根據(jù)設(shè)計熱負(fù)荷及設(shè)計供回水溫差，可計算得到供熱介質(zhì)設(shè)計質(zhì)量流量為608.1 t/h，仍考慮更換原供熱介質(zhì)總泵。供熱介質(zhì)總泵3臺(2用1備)，單臺質(zhì)量流量為350 t/h，揚程為35 m，電動機輸入電功率為55 kW。

② 中介水循環(huán)泵

式中 qm，m——中介水設(shè)計質(zhì)量流量，t/h

Φd——設(shè)計熱負(fù)荷，kW

η1——電動機效率，取 0.9

η2——壓縮機效率，取 0.84

Pb——水源熱泵機組額定輸入電功率，kW中介水設(shè)計質(zhì)量流量qm，m的計算式為:

cp——水的比定壓熱容，kJ/(kg·K)，取4.186 kJ/(kg·K)

θeva，in——水源熱泵機組蒸發(fā)器中介水進(jìn)水溫度，℃，為7℃

θeva，o——水源熱泵機組蒸發(fā)器中介水出水溫度，℃，為3℃

Φd取設(shè)計熱負(fù)荷7 070 kW，Pb取水源熱泵機組額定輸入電功率1 491 kW，由式(1)可計算得到中介水設(shè)計質(zhì)量流量為1 277.7 t/h。根據(jù)中介水管路沿程、局部阻力，選取中介水循環(huán)泵4臺(3用1備)，單臺質(zhì)量流量為450 t/h，揚程為27 m，電動機輸入電功率為45 kW。

③ 站內(nèi)污水泵

污水與中介水換熱器的換熱效率取1.0，換熱器污水進(jìn)出水溫差(進(jìn)、出水溫度為10、6℃)與中介水進(jìn)出水溫差一致。由此可計算得到，污水設(shè)計質(zhì)量流量為1 277.7 t/h。

根據(jù)站內(nèi)污水管路沿程、局部阻力，選取站內(nèi)污水泵3臺(2用1備)，單臺質(zhì)量流量為750 t/h，揚程為22.4 m，電動機輸入電功率為75 kW。

④ 污水廠污水泵

污水處理廠設(shè)3臺(2用1備)污水廠污水泵，單臺設(shè)計質(zhì)量流量為750 t/h，揚程為30 m，電動機輸入功率為80 kW。

⑤ 換熱器

根據(jù)污水設(shè)計質(zhì)量流量、污水進(jìn)出水溫度，可計算得到換熱器的換熱能力為5 579 kW。選取換熱器6臺，單臺換熱能力為930 kW。

3.3 設(shè)備材料造價

污水源熱泵供熱系統(tǒng)的設(shè)備材料造價見表3。由表3可知，污水源熱泵供熱系統(tǒng)的總設(shè)備材料造價為607×104元。

表3 污水源熱泵供熱系統(tǒng)的設(shè)備造價

續(xù)表3

4 供暖期運行費用

供暖期運行費用主要考慮水源熱泵機組、供熱介質(zhì)循環(huán)泵、站內(nèi)污水泵、中介水循環(huán)泵、污水廠污水泵等用電設(shè)備的電費?？紤]酒店入住率，在計算時考慮0.7的同時使用系數(shù)。

① 水源熱泵機組

水源熱泵機組供暖期平均制熱能效比為4.5，某一室外溫度下水源熱泵機組耗電量Ep，θ的計算式為:

式中 Ep，θ——某一室外溫度下水源熱泵機組耗電量，kW·h

Φθ——該室外溫度下的熱負(fù)荷(基于表2計算)，kW

tθ——該室外溫度的延續(xù)時間(見表1)，h

IEER——水源熱泵機組供暖期平均制熱能效比，取 4.5

根據(jù)表1、2數(shù)據(jù)，可由式(2)計算得到供暖期水源熱泵機組總耗電量為252.11×104kW·h。

② 供熱介質(zhì)循環(huán)泵

某一室外溫度下，供熱介質(zhì)循環(huán)泵耗電量Eh，θ的計算式為:

式中 Eh，θ——某一室外溫度下供熱介質(zhì)循環(huán)泵耗電量，kW·h

qm，h，d——供熱介質(zhì)設(shè)計質(zhì)量流量，t/h

qθ——該室外溫度下供熱介質(zhì)的相對流量(見表2)

H——水泵揚程，m

η——水泵效率綜合電動機效率，本文取0.85

根據(jù)表1、2數(shù)據(jù)，可由式(3)計算得到供暖期供熱介質(zhì)加壓泵、總泵的總耗電量為16.60×104kW·h。

③ 中介水循環(huán)泵、污水泵

任意室外溫度條件下中介水循環(huán)泵、站內(nèi)污水泵、污水廠污水泵的質(zhì)量流量相等。以中介水循環(huán)泵為例，說明3種水泵耗電量的計算式。某一室外溫度下，中介水循環(huán)泵耗電量Em，θ的計算式為:

式中 Em，θ——某一室外溫度下站內(nèi)中介水循環(huán)泵耗電量，kW·h

qm，m，θ——該室外溫度下中介水的質(zhì)量流量，t/h

根據(jù)表1、2數(shù)據(jù)，可由式(4)、(5)計算得到供暖期中介水循環(huán)泵、污水廠污水泵、站內(nèi)污水泵總耗電量為48.64×104kW·h。

④ 供暖期運行費用

由以上計算結(jié)果，可計算得到污水源熱泵供熱系統(tǒng)供暖期耗電量為314.18×104kW·h。按照每天運行20 h進(jìn)行計算，電價取0.76元/(kW·h)，污水源熱泵供熱系統(tǒng)供暖期電費為198.18×104元/a。運行人員按3人考慮，每名運行人員的年工資按6×104元/(人·a)計算。年維護(hù)費按設(shè)備材料造價的1%計算?？捎嬎愕玫剑鬯礋岜霉嵯到y(tǒng)供暖期運行費用為222.25×104元/a。

5 經(jīng)濟性分析

將市政集中供熱系統(tǒng)作為比較對象，采用差額靜態(tài)投資回收期作為評價指標(biāo)，評價污水源熱泵供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟性。熱價取34元/m2，則采用市政集中供熱系統(tǒng)的年熱費為343.4×104元/a，供熱介質(zhì)循環(huán)泵年電費與污水源熱泵供熱系統(tǒng)相同(10.47×104元/a)?？捎嬎愕玫轿鬯礋岜霉嵯到y(tǒng)的差額靜態(tài)投資回收期為4.61 a。

6 結(jié)論

污水源熱泵供熱系統(tǒng)的設(shè)備材料造價為607×104元，供暖期運行費用為222.25×104元/a。熱價取34元/m2時，市政集中供熱系統(tǒng)的年熱費為343.4×104元/a，供熱介質(zhì)循環(huán)泵年電費為10.47×104元/a?？捎嬎愕玫轿鬯礋岜霉嵯到y(tǒng)的差額靜態(tài)投資回收期為4.61 a，經(jīng)濟性比較理想。