利用廠區(qū)余熱改造水源熱泵的實例分析

楊晶歆，李重華，舒 俊，高 成，孫同帥

（江蘇泓潤生物質(zhì)能科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

隨著社會的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量不斷提高，空調(diào)已然成為生活和工作中必不可少的電器，起著調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、濕度，促進空氣流通，凈化室內(nèi)空氣的重要作用。碳達峰碳中和是二氧化碳排放軌跡由快到慢不斷攀升、到達年增長率為零的拐點后持續(xù)下降的過程，直到碳排放量與碳清除量相抵（碳中和）。從碳達峰到碳中和的過程就是經(jīng)濟增長與二氧化碳排放從相對脫鉤走向絕對脫鉤的過程。碳達峰碳中和目標愿景的提出將中國的綠色發(fā)展之路提升到新高度，成為中國未來數(shù)十年內(nèi)社會經(jīng)濟發(fā)展的主基調(diào)之一。同時，我國發(fā)展規(guī)劃明確提出要建設(shè)節(jié)約型社會，呼吁全民共同投身建設(shè)節(jié)約型社會，回歸儉以養(yǎng)德、儉以強國的傳統(tǒng)文化精神。企業(yè)與人民節(jié)電節(jié)能任務(wù)壓力劇增，在保障人們生活舒適的情況下，如何更加合理地使用資源，對于節(jié)約能源、減少碳排放都有著重要的意義。

1 水源熱泵工藝簡介

熱泵是一種以冷凝器放出熱量來工作的制冷機，熱泵循環(huán)也是以消耗機械能或熱能作為補償，完成熱量自低溫熱源向高溫熱源轉(zhuǎn)移的逆卡諾循環(huán)。按熱源種類，熱泵可分為空氣源熱泵、水源熱泵、土壤源熱泵、太陽能熱泵等形式。其中，水源熱泵通常以管殼式換熱器或水箱式換熱器作為冷凝器和蒸發(fā)器，在制冷模式下，管殼式蒸發(fā)器向室內(nèi)風機盤管提供冷水；在制熱模式下，冷凝器換作蒸發(fā)器，蒸發(fā)器換作冷凝器，由管殼式冷凝器向室內(nèi)風機盤管提供熱水。

水源熱泵機組可利用的水體溫度冬季為12 ～22 ℃，比冬季室外空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高，供熱系數(shù)保持在3.2 ～3.5，系統(tǒng)的蓄熱能力比較大，且由于水具有熱容量大、傳熱性能好、溫度變化范圍小等優(yōu)點，因而水源熱泵換熱設(shè)備緊湊，運行工況穩(wěn)定。同時，機組運行沒有任何污染，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。在企業(yè)實際運用過程中，水源熱泵還可供應生活熱水，一機多用。對于同時有供暖和供冷需求的建筑物，水源熱泵有明顯的優(yōu)點，不僅節(jié)省了大量能源，而且減少了設(shè)備的初投資。

2 實例問題分析

鎮(zhèn)江市一企業(yè)利用協(xié)同處理技術(shù)處理餐廚廢棄物與生活污泥。利用餐廚廢棄物源頭預處理、污泥高溫熱水解、污泥與餐廚廢棄物協(xié)同厭氧消化、沼氣提純制取天然氣、沼渣深度脫水、沼渣太陽能干化等工藝，制取天然氣、毛油等資源化產(chǎn)品，沼渣干化至含水率小于40%后外運，作為生物炭土用于園林綠化。

在生產(chǎn)過程中，該企業(yè)采用污水源熱泵為辦公區(qū)域制冷供熱，設(shè)備運行一段時間后，故障頻繁，開始時工作不穩(wěn)定，中期排水泵經(jīng)常損壞，后期在冬季制熱模式時會出現(xiàn)無法供暖的情況。

經(jīng)仔細排查故障原因，維修人員發(fā)現(xiàn)，熱泵機組使用的管殼式換熱器及管道已腐蝕嚴重。廠區(qū)使用的水源為污水處理廠處理后的中水，污水處理廠處理污水時使用次氯酸鈉消毒，而次氯酸鈉是一種強堿弱酸鹽，也是一種腐蝕品。在水源熱泵機組換熱過程中，夏季中水走殼程，冬季切換模式后中水走管程，加上中水水源含有具有腐蝕性的次氯酸鈉，最終導致管道及換熱器的腐蝕，水源熱泵無法運行，故障頻繁。

3 改造方案

為改善工作環(huán)境，針對以上問題，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，辦公區(qū)的制冷與供暖采用210 kW 水源熱泵與230 kW 余熱蒸汽熱回收裝置組合的系統(tǒng)為廠區(qū)供熱。高溫蒸汽在污泥熱水解、沼氣脫碳、餐廚提油等系統(tǒng)釋放高品質(zhì)熱量后，通過板式換熱器加熱循環(huán)水代替原水源熱泵工質(zhì)，換熱完成后，熱水回到鍋爐軟水箱，重新進入鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)蒸汽給廠區(qū)供熱，循環(huán)利用。同時，板式換熱器進出水處設(shè)有自動溫控調(diào)節(jié)裝置。當板式換熱器出水溫度低于設(shè)定值時，系統(tǒng)自動增加余熱蒸汽流量；當板式換熱器回水溫度高于設(shè)定值時，系統(tǒng)自動暫停工作。改造項目系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程

運行方式如下：在夏季制冷時，手動打開閥1、閥2，同時關(guān)閉閥3、閥4，啟動水源熱泵機組為風管機提供冷水；在冬季制熱時，手動打開閥3、閥4，同時關(guān)閉閥1、閥2，回收蒸汽余熱為風管機提供熱水。室內(nèi)空氣設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 室內(nèi)空氣設(shè)計參數(shù)

4 節(jié)能方案評估

該企業(yè)于2019年春季確定改造方案，該項目在夏季開始實施，于冬季正式運行。改造前后，廠區(qū)12月至次年2月（2018—2021年）的用電量對比如圖2所示。

觀察圖2 可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)總體浮動呈一定規(guī)律性，大致為工作日用電量高，周末用電量少；1月平均氣溫低，用電量高，12月、2月平均氣溫較高，用電量少；最低點為2 840 kW·h，出現(xiàn)于2020年1月24日，該日是除夕節(jié)假日，后續(xù)一段時間連續(xù)走低，原因是新型冠狀病毒肺炎疫情暴發(fā)，廠內(nèi)辦公室部分工作人員居家辦公。

圖2 廠區(qū)用電量對比

數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，2018年12月至2019年2月平均每天用電量為8 457 kW·h，2019年12月至2020年2月平均每天用電量為6 748 kW·h，2020年12月至2021年2月平均每天用電量為6 286 kW·h。

與水源熱泵改造前相比，改造后兩年內(nèi)平均每天節(jié)電1 709 kW·h（第一年）和2 171 kW·h（第二年），節(jié)約總量達到349 200 kW·h，折算成標準煤約43 t，折算成CO減排量129 t，節(jié)能減排成效顯著。

5 結(jié)語

水源熱泵作為一個完整系統(tǒng)，必須從多個方面考慮。水源熱泵機組可以從固定水源獲取能量，但水源質(zhì)量把控不到位會降低水源熱泵系統(tǒng)的運行效果。所以，水源熱泵的應用需要更多專業(yè)和領(lǐng)域的人來共同努力、共同配合，從機組設(shè)計制造、系統(tǒng)設(shè)計、資源優(yōu)化和運行管理等方面來綜合考慮。在資源日益緊缺、碳達峰碳中和的大環(huán)境下，如何更加合理地利用資源，改善生活質(zhì)量顯得尤為重要。針對水源熱泵水源有污染，導致水源熱泵無法正常運行的問題，本文給出了一種利用廠區(qū)余熱蒸汽供熱的方法。改造后，設(shè)備運行正常，制熱效果良好，近兩年節(jié)約總電量349 200 kW·h，折算成標準煤約43 t，折算成CO減排量129 t，環(huán)境效益顯著，值得業(yè)界推廣和參考。