水源熱泵替代蒸汽制備生活熱水可行性分析

趙穎暉 張耀東 胡國(guó)啟

摘 要：本文選擇公司所屬一個(gè)工廠，通過(guò)蒸汽和水源熱泵兩種方式制備生活熱水的數(shù)據(jù)對(duì)比，從效率、安全、能耗、運(yùn)行管理等方面論證分析水源熱泵替代蒸汽制備生活熱水的可行性，以期找到一種環(huán)保、安全、低耗的方式滿足工廠對(duì)生活熱水的需求。經(jīng)過(guò)多方面對(duì)比分析，水源熱泵可有效制備滿足要求的生活熱水，并大大降低蒸汽消耗費(fèi)用，進(jìn)而降低蒸汽生產(chǎn)企業(yè)煤炭、天然氣的消耗，從而降低CO2、CO、SO2等污染氣體的排放。

關(guān)鍵詞：節(jié)能降耗;水源熱泵;生活熱水制備;環(huán)境保護(hù)

1 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，該工廠2019年制備生活用水消耗蒸汽3600噸、費(fèi)用73.7萬(wàn)元，占全年蒸汽消耗的49.5%。隨著國(guó)家環(huán)境保護(hù)管控力度的加強(qiáng)以及企業(yè)節(jié)能降耗意識(shí)的增強(qiáng)，企業(yè)逐步尋求更為節(jié)能的方法制備生活熱水。

目前，中國(guó)大陸主要采用電熱水器、燃?xì)忮仩t、太陽(yáng)能+電輔、熱泵四種方式制備生活熱水。隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和天然氣管道的敷設(shè)，越來(lái)越多的企業(yè)和居民選擇天然氣熱水器來(lái)制備熱水，但是大部分郊區(qū)、農(nóng)村由于基礎(chǔ)設(shè)施的欠缺，仍在使用電熱水器或太陽(yáng)能+熱輔的方式。

本文從從效率、安全、能耗、運(yùn)行管理等方面論證分析水源熱泵替代蒸汽制備生活熱水的可行性，以期找到一種環(huán)保、安全、低耗的方式滿足工廠對(duì)生活熱水的需求，居民區(qū)生活熱水也可以作為參考。

2 四種方式制備生活熱水費(fèi)用分析

制備要求：制備熱水100噸/天，溫升40℃（15-55℃），熱水總熱值16*108Kcal，1噸熱水熱量4*105Kcal。電單價(jià)0.8元/kwh，天然氣單價(jià)3.6元/m3。

具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1。

從表 1中可以看出熱泵相較于其他三種方式，除具有使用壽命長(zhǎng)、恒溫供水外還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）利用空氣或水作為熱源，真正做到無(wú)污染、零排放。

（2）四種方式中噸水費(fèi)用最低，僅為110.5元/噸，節(jié)能降耗效果顯而易見(jiàn)。

（3）另外，熱泵相對(duì)于燃?xì)忮仩t，不需要辦理特種設(shè)備檢驗(yàn)、登記人員特種設(shè)備操作證，不許專(zhuān)人看管，更加安全。

3 工廠制備生活熱水現(xiàn)狀

3.1 現(xiàn)狀

目前，工廠采用蒸汽加熱自來(lái)水的方式制備生活熱水，供三個(gè)車(chē)間四個(gè)班次員工洗澡使用，取11月份數(shù)據(jù)，可作為全年平均數(shù)據(jù)。具體為：0：00-1：00用水量11噸、8：00-9：00用水量11.8噸、16：00-17：00用水量7.9噸、18：00-19：00用水量7噸，合計(jì)每天用水量37.7噸（自來(lái)水），按38噸計(jì)算。

3.2 設(shè)施

管道泵15KW，水箱有效儲(chǔ)水量3m3，水溫設(shè)置43℃，溫升28℃（15-43℃）。

3.3 能源消耗

（1）每天消耗自來(lái)水38噸，水單價(jià)5.25元/噸，計(jì)199.5元。

（2）每天消耗蒸汽10噸，汽單價(jià)224.45元/噸，計(jì)2244.5元。

（3）水泵按70%額度功率計(jì)算，每天運(yùn)行4小時(shí)，電單價(jià)0.72元/度，計(jì)15*70%*4*0.72=30.24元。

綜上，每天費(fèi)用共計(jì)2474元。

全年按330天運(yùn)行計(jì)算，一年運(yùn)行費(fèi)用81.64萬(wàn)元。

4 熱泵性能介紹

目前市場(chǎng)上有空氣源和水源兩種類(lèi)型熱泵，特點(diǎn)各異。

（1）高溫空氣源機(jī)組，是一種通過(guò)輸入一小部分電子做功，即可從周?chē)諝庵蝎@取熱量來(lái)加熱熱水的設(shè)備。其中 熱水吸收的熱量除了設(shè)備本身消耗的電熱外，主要從周?chē)諝庵写罅课盏拿赓M(fèi)熱量，因此與直接使用電、燃?xì)饣?燃油加熱的熱水設(shè)備相比較，熱泵型熱水機(jī)組具有節(jié)能、省錢(qián)、安全、環(huán)保等顯著特點(diǎn)。

（2）高溫水源熱泵系列機(jī)組，采用高溫?zé)岜脡嚎s機(jī)，最高出水溫度高達(dá)85℃，是一種從低溫水源中獲取熱量，制取高溫?zé)崴墓?jié)能加熱設(shè)備，能耗只有電加熱設(shè)備的1/5～1/2。具有能耗低，無(wú)污染，自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，是電加熱和傳統(tǒng)鍋爐理想的升級(jí)換代產(chǎn)品。

5 熱泵選型及配套設(shè)施

5.1 熱源選擇

考慮到空氣源熱泵在-10℃環(huán)境溫度下效果較差，同時(shí)工廠由冷卻塔24小時(shí)運(yùn)行，本方案采用水源熱泵、以冷卻塔循環(huán)水制備生活熱水?？梢赃_(dá)到以下效果：

（1）充分利用冷卻塔冷卻水熱量，不影響冷水機(jī)組運(yùn)行，更有助于冷水機(jī)組降低負(fù)荷，安全有效運(yùn)行。

（2）減少蒸汽使用，降低生活熱水制備費(fèi)用，更加安全、環(huán)保。

5.2 機(jī)組選型

5.2.1 計(jì)算依據(jù)

根據(jù)實(shí)際需求的熱水出水溫度，結(jié)合當(dāng)?shù)刈類(lèi)毫迎h(huán)境溫度（歷史最低氣溫-13℃），確定加熱溫差，根據(jù)Q=cmΔt計(jì)算熱量。

其中：Q-熱量（KW），c-系數(shù)取1.163，m-介質(zhì)重量（噸），Δt-溫升（℃）

5.2.2 根據(jù)熱量結(jié)合機(jī)組變工況參數(shù)確定主機(jī)

按冬季室內(nèi)環(huán)境溫度2℃，自來(lái)水溫度約10℃，那么將1噸自來(lái)水從10℃升高到45℃所需要的熱量為：

Q=1.163*1*（45-10）=40.705KW

根據(jù)該工廠需求情況，配備有效容量為20T的水箱。則加熱20T水所需的熱量為：

Q1=20*40.705=814.1KW

根據(jù)機(jī)組選型手冊(cè)，按環(huán)溫2℃、出水溫度45℃時(shí)循環(huán)式熱水機(jī)組250S-XI制熱能力為67.28KW。那么，選用2臺(tái)循環(huán)式熱水機(jī)組250S-XI，產(chǎn)生20噸熱水所需時(shí)間為：

T=Q1/Q250S/2=814.1/67.28/2=6小時(shí)

可以滿足該工廠使用。

5.2.3 改造費(fèi)用

（1）2臺(tái)循環(huán)式熱水機(jī)組250S-XI，單價(jià)7.8萬(wàn)元，合計(jì)15.6萬(wàn)元。耗電量19.3KW

（2）使用原水泵，不增加水泵費(fèi)用。

（3）1臺(tái)有效容量為20T的水箱，單價(jià)2萬(wàn)元。

（4）安裝、保溫、材料費(fèi)用按2萬(wàn)元計(jì)。

（5）設(shè)備基礎(chǔ)2萬(wàn)元。

合計(jì)改造費(fèi)用：21.6萬(wàn)元。

5.2.4 運(yùn)行費(fèi)用

（1）每天消耗自來(lái)水38噸，水單價(jià)5.25元/噸，計(jì)199.5元。

（2）水泵按70%額度功率計(jì)算，每天運(yùn)行4小時(shí)，電單價(jià)0.72元/度，計(jì)15*70%*4*0.72=30.24元。

（3）熱泵運(yùn)行成本按每噸熱水（45℃）6元計(jì)算，每天按40噸熱水制備，計(jì)240元。

（4）設(shè)備折舊：每天折舊15.6萬(wàn)元*0.95折舊系數(shù)/15年/365天=26.21元。

綜上，每天運(yùn)行成本495.95元。

全年按330天運(yùn)行計(jì)算，一年運(yùn)行費(fèi)用16.37萬(wàn)元。

6 節(jié)能分析

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，除熱泵機(jī)組按15年折舊，其他投入按照一次性費(fèi)用計(jì)算，改造當(dāng)年可節(jié)約費(fèi)用：81.64-21.6-16.37=43.67萬(wàn)元。不僅當(dāng)年收回投資，還極大節(jié)約了費(fèi)用。

7 結(jié)語(yǔ)

綜合本文所述，該方案實(shí)施，將極大降低能源消耗。但是需要指出的是：一是水箱占地面積大，需綜合考慮場(chǎng)地使用情況，二是該工廠人均消耗熱水量已超定額標(biāo)準(zhǔn)，工廠需加強(qiáng)日常管理，杜絕能源浪費(fèi)現(xiàn)象。

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