某工廠凈化車間高溫?zé)岜糜酂峄厥諔?yīng)用分析

覃京翎，柯杰坤，謝宗翱，盧 葦*

（1.柳州城市職業(yè)學(xué)院 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，廣西 柳州 545036；2.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

2020 年9 月22 日，我國在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上提出了中國“雙碳”目標(biāo)的時(shí)間表，明確了我國能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)。國家對(duì)碳排放的監(jiān)管力度日趨嚴(yán)格，減排成為企業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的重要舉措。為助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，推動(dòng)以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，發(fā)展合理可行的節(jié)能減排技術(shù)勢(shì)在必行。目前各國的能源利用中，有43%～70%的能源主要以余熱的形式散失。其中，空調(diào)的制冷機(jī)組在運(yùn)行時(shí)向外界排放的冷凝熱是制冷量的1.15～1.30倍。合理的冷凝熱回收可以有效降低企業(yè)生產(chǎn)能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

在工商業(yè)的用冷、用熱加工環(huán)節(jié)中，制冷系統(tǒng)的冷凝熱通過冷卻塔直接排放到環(huán)境中，同時(shí)又需要燃燒煤、氣等燃料來滿足生產(chǎn)用熱需求，既有熱量排放，又需燃燒大量燃料，能源利用率低。冷凝熱回收是在制冷的同時(shí)將制冷系統(tǒng)的冷凝熱回收再利用的一種技術(shù)，是一種提高能源利用率的有效方式。從節(jié)能設(shè)備方面看，熱泵具有節(jié)能效率較高、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程。在未來碳中和的道路上，化石燃料燃燒的供熱方式將會(huì)逐漸淡化，取而代之的是太陽能供熱以及各種熱泵供熱等供熱系統(tǒng)。隨著高溫?zé)岜眉夹g(shù)的發(fā)展，回收冷凝熱制取的熱水溫度可達(dá)80 ℃以上，極大地推動(dòng)了工業(yè)領(lǐng)域冷凝熱回收技術(shù)的發(fā)展。中高溫?zé)岜眉夹g(shù)替代供熱鍋爐的使用，可減少排放有害氣體和充分利用工業(yè)余熱，解決了普通熱泵出水溫度低的問題，提高能源的利用率，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。李慧君等采用熱泵回收電廠循環(huán)水余熱預(yù)熱凝結(jié)水，提高了系統(tǒng)整體能效。舒建國等分析了基于冷凝熱回收的氨高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，有效優(yōu)化加工過程的能量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。Yang 等利用溴化鋰吸收式熱泵回收循環(huán)冷卻水余熱，并通過模擬分析得出：蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度對(duì)熱泵供熱系數(shù)（heat pump coefficient of heating performance，COP）有較大影響，可適當(dāng)提高蒸發(fā)壓力，減小蒸發(fā)冷凝溫差，以提高系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性。

集中空調(diào)系統(tǒng)在全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，冷水泵、冷卻水泵及冷卻塔的耗電量約占集中空調(diào)總耗電量的12%～15%。根據(jù)美國空調(diào)制冷學(xué)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，一般空調(diào)設(shè)備有90%的時(shí)間運(yùn)行在70%負(fù)荷以下，所以集中空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，冷水泵、冷卻水泵及冷卻塔耗電量所占比例將會(huì)變大。冷卻塔所占能耗約為5%～6%，故常在節(jié)能優(yōu)化方案中被忽略，但為了提高中央空調(diào)系統(tǒng)的整體能量利用效率，對(duì)于冷卻塔的節(jié)能分析也同樣重要。王日英等通過分析冷卻塔開機(jī)臺(tái)數(shù)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率對(duì)冷水機(jī)組性能和整個(gè)集中空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響，得出通過對(duì)冷卻塔的優(yōu)化控制可使集中空調(diào)節(jié)電率提高5%。文先太等通過建立冷卻塔數(shù)學(xué)模型和進(jìn)行系統(tǒng)仿真，提出了對(duì)冷卻塔風(fēng)量和水流量同時(shí)調(diào)節(jié)的方法，分析了冷卻塔變流量系統(tǒng)的節(jié)能性。陳厚江等通過fluent 建立空冷塔模型進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度對(duì)空冷塔與大氣環(huán)境間的換熱有著顯著影響。故在高溫濕熱天氣條件下，冷卻塔出水溫度達(dá)不到額定工況。當(dāng)冷卻水出水溫度偏高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致制冷劑蒸氣冷凝效果降低，同時(shí)減少了制冷機(jī)額定的制冷量和增大了壓縮機(jī)功耗。因此，冷卻塔作為冷卻水循環(huán)的關(guān)鍵設(shè)備和循環(huán)水耗能的重要部件，其節(jié)能優(yōu)化不容忽視。

本文以某工廠凈化車間中央空調(diào)余熱回收利用為例，為滿足該中央空調(diào)恒溫恒濕的工藝需求，提出了一種高溫?zé)岜孟到y(tǒng)來回收余熱，以制取65 ℃的熱水作為除濕再熱的熱源，供組合式空調(diào)器使用，實(shí)現(xiàn)能量從低品位向高品位轉(zhuǎn)換，體現(xiàn)了熱泵系統(tǒng)獨(dú)特的優(yōu)越性及發(fā)展前景，為類似的余熱回收節(jié)能改造提供借鑒。

1 車間工藝空調(diào)分析

某工廠凈化車間因生產(chǎn)工藝需要，車間環(huán)境要求恒溫恒濕，溫度要保持在24 ℃±1 ℃，濕度保持在65%±5%。中央空調(diào)恒溫恒濕工藝中，除濕再熱的熱負(fù)荷為2 000 kW，熱源采用燃油鍋爐提供的65 ℃熱水。同時(shí)，冷水機(jī)組運(yùn)行中的冷卻水需通過冷卻塔將大量的中央空調(diào)余熱排放到大氣中，該循環(huán)冷卻機(jī)組的進(jìn)、出水溫度分別為37 ℃、32 ℃。

以車間工藝空調(diào)為研究對(duì)象，由于其大量的空調(diào)余熱經(jīng)冷卻塔排放至大氣，為避免造成能源浪費(fèi)，計(jì)劃應(yīng)用高溫?zé)岜没厥詹糠种醒肟照{(diào)余熱來制取65 ℃熱水，替代燃油鍋爐作為除濕再熱的熱源，供組合式空調(diào)器使用。主要設(shè)備包括熱泵機(jī)組、冷水機(jī)組、循環(huán)水泵等，如圖1所示。圖中，冷水機(jī)組中的37 ℃冷卻水經(jīng)循環(huán)水泵送至蒸發(fā)器，與低壓低溫液態(tài)冷媒交換熱量；蒸發(fā)器內(nèi)部的冷媒吸熱汽化后進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮機(jī)加壓后產(chǎn)生高壓高溫的蒸汽；在冷凝器中釋放熱量，生產(chǎn)的熱水供組合式空調(diào)使用。其中冷凝側(cè)（放熱）熱交換器可考慮置于水箱中，使得冷凝溫度相對(duì)穩(wěn)定，受環(huán)境大氣溫度影響較小。當(dāng)維持蒸發(fā)溫度不變時(shí)，熱泵系數(shù)會(huì)隨著冷凝溫度的升高而減小，降低了熱效率，故該系統(tǒng)比空氣源熱泵系統(tǒng)更為穩(wěn)定。冷凝器內(nèi)部冷媒被冷卻為液體，該液體經(jīng)膨脹閥降溫節(jié)流后轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪旱蜏匾后w，再次流入蒸發(fā)器，如此反復(fù)循環(huán)工作。原工程中冷卻水經(jīng)冷卻塔后所排放的熱量，根據(jù)式（1）按照5 ℃溫差計(jì)算得到可回收的熱量為2 625 kW。

圖1 高溫?zé)岜糜酂峄厥障到y(tǒng)

式中：為水定壓比熱容，kJ（/kg·℃），取4.2 kJ/（kg·℃）；為冷卻塔中水的質(zhì)量流量，kg/s，根據(jù)廠方提供數(shù)據(jù)取125 kg/s；Δ為冷卻水的回收傳熱溫差，℃，取5 ℃。

2 熱泵系統(tǒng)?分析

在穩(wěn)流工質(zhì)無相變的情況下，一定壓力下由熱不平衡引起的熱量?，即理論上該系統(tǒng)冷卻水所提供的熱量中可轉(zhuǎn)化為有用功的最大值為：

式中：為冷卻水換熱前的溫度，℃；為冷卻水換熱后的溫度，℃；為水的平均定壓比熱，取4.18 kJ（/kg·℃）。

熱泵可放出的熱量?：

式中：為理論上的熱泵產(chǎn)熱量，kJ/kg；為熱泵供熱系數(shù)（COP），取=4.5；為熱泵冷凝端平均冷凝溫度，℃，取=70 ℃；為熱泵蒸發(fā)器端理論上可回收的熱量，kJ/kg，即=(-)。

熱泵供給電能?：

該過程中?效率（耗費(fèi)?的利用份額）：

根據(jù)以上公式計(jì)算得出，該系統(tǒng)=169.38 kJ/kg，=2 975.71 kJ/kg，=5 971.43 kJ/kg，?效率為49%。

分析冷卻水換熱后的溫度（）、熱泵供熱系數(shù)對(duì)熱泵供給電能?（）的影響，得到熱泵供給電能?隨、的變化曲線，見圖2、圖3。

圖2 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）T不同，ex,pay隨T0的變化曲線（ε′為4.5）

圖3 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）ε′不同，ex,pay隨T0的變化曲線（T=37 ℃）

圖2示出熱泵供熱系數(shù)為4.5，冷卻水換熱前溫度為34 ℃、37 ℃、40 ℃時(shí)，熱泵供給電能?隨冷卻水換熱后溫度的變化曲線。圖3 示出=37 ℃，熱泵供熱系數(shù)為3.5、4.0、4.5時(shí)，熱泵供給電能?隨冷卻水換熱后溫度的變化曲線。

由圖2可知，當(dāng)熱泵供熱系數(shù)和冷卻水換熱前的溫度一定時(shí)，熱泵供給電能?隨冷卻水換熱后溫度的增大而減?。划?dāng)熱泵供熱系數(shù)和一定時(shí)，隨的增大而增大。由圖3 可知，當(dāng)冷卻水換熱前的溫度和冷卻水換熱后的溫度一定時(shí)，熱泵供給電能?隨熱泵供熱系數(shù)的增大而減?。划?dāng)和熱泵供熱系數(shù)一定時(shí)，隨的增大而變小。

對(duì)比圖2、圖3不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)為34 ℃、37 ℃、40 ℃時(shí)，隨變化的下降速度相同；而熱泵供熱系數(shù)為3.5、4.0、4.5時(shí)，隨變化的下降速度隨熱泵供熱系數(shù)的增大而減小。由式（4）可知，的下降速度與熱泵供熱系數(shù)和冷卻水換熱溫差相關(guān)，與熱泵供熱系數(shù)成反比、與成正比、與成反比；因此，熱泵供熱系數(shù)和冷卻水換熱前后溫度是影響熱泵供給電能?的主要因素?？赏ㄟ^增大熱泵供熱系數(shù)來提高節(jié)能水平，熱泵供熱系數(shù)提高的同時(shí)，降低了熱泵供給電能?，但同時(shí)也會(huì)降低熱泵可放出的熱量?，從而影響?效率；因此，熱泵供熱系數(shù)并非越高越好，而是存在某一個(gè)最適熱泵供熱系數(shù)。

3 經(jīng)濟(jì)節(jié)能分析

3.1 冷卻塔補(bǔ)水量分析

本文采取通過高溫?zé)岜弥苯踊厥绽美鋮s水余熱的方式，提高了能量利用率，不僅減輕了冷卻塔的冷負(fù)荷和用電能耗，還可減少原工程中的冷卻塔補(bǔ)水量，在節(jié)能與節(jié)水的共同目標(biāo)上起到良好的效果。

根據(jù)《民用建筑節(jié)水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50555—2010）第5.1.11 條，冷卻塔補(bǔ)水的日均補(bǔ)水量和補(bǔ)水年用水量可按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：為冷卻塔日均補(bǔ)水量，m/d；為補(bǔ)水定額，可按冷卻循環(huán)水量的1%～2%計(jì)算，m/h，取=1.5%；為冷卻塔每天運(yùn)行時(shí)間，h，取=16 h；為冷卻塔每年運(yùn)行天數(shù)，d/a；為冷卻塔補(bǔ)水年用水量，m/a。

該項(xiàng)目冷卻水循環(huán)水量為：125 kg/s，即450 m/h，補(bǔ)水量按冷卻循環(huán)水量的1.5%計(jì)算，根據(jù)式（6）得到冷卻塔日均補(bǔ)水量為64.8 m/d。

全年冷卻塔使用天數(shù)為200 d，根據(jù)式（7）得到全年空調(diào)冷卻水補(bǔ)水量為12 960 m/a。

按照現(xiàn)時(shí)工業(yè)用水價(jià)格（4 元/m），每年可節(jié)省補(bǔ)水費(fèi)用約5.2 萬元。雖補(bǔ)水費(fèi)用相對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗占比低，但不能僅以價(jià)格體現(xiàn)其價(jià)值，對(duì)于水資源匱乏的地區(qū)，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能與節(jié)水都應(yīng)重視。

3.2 熱源方式費(fèi)用分析

根據(jù)不同熱源方式提供同等熱量進(jìn)行分析，計(jì)算比較熱泵與燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t、電加熱鍋爐提供相同熱量時(shí)的差異，體現(xiàn)熱泵技術(shù)回收余熱的優(yōu)勢(shì)。為方便比較，假設(shè)生產(chǎn)65 ℃的熱水1 000 kg，計(jì)算將1 000 kg 溫度為55 ℃的熱水平均升高10 ℃，所需的熱量（）為42 000 kJ。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，天然氣鍋爐和電加熱鍋爐熱效率一般取90%，而燃油鍋爐熱效率較低，取70%。由式（2）可知，每生產(chǎn)1 000 kg 溫度為65 ℃的熱水所耗能源量為：

式中：為某種熱源的熱值，單位：kJ/kg（柴油）或kJ/m（天燃?xì)猓?；為鍋爐熱效率。

由上述公式計(jì)算得出不同熱源方式提供同等熱量所需的能耗如表1所示，熱泵供熱系數(shù)為4.5。

表1 不同熱源方式的費(fèi)用比較

由表1 可見，利用不同熱源方式將1 000 kg 的水從55 ℃加熱到65 ℃時(shí)，經(jīng)計(jì)算可得采用熱泵加熱方式所耗費(fèi)用最低（1.81元），燃?xì)忮仩t所耗費(fèi)用較低，燃油鍋爐所耗費(fèi)用最高（11.63 元）。同時(shí)，相比于燃?xì)忮仩t、電加熱鍋爐和燃油鍋爐，熱泵的熱效率最高，原熱源燃油鍋爐的熱效率最低，為70%。故較其他形式的加熱方式，熱泵供熱系統(tǒng)更節(jié)省費(fèi)用，更有利于節(jié)能。

通過計(jì)算分析可知，采用熱泵技術(shù)更為經(jīng)濟(jì)。假設(shè)除濕再熱的熱負(fù)荷全部由熱泵機(jī)組提供，有關(guān)計(jì)算公式如下：

式中：為全年理論耗熱量，kW·h；為單位小時(shí)耗熱量，kW·h；為運(yùn)行天數(shù)，取=200 d。

式中：為全年理論耗電量，kW·h；取4.5。

式中：為全年熱泵機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用，萬元；為電價(jià)，元（/kW·h），取0.7。

式中：為全年高溫?zé)岜孟到y(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，萬元；為全年輔助系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，萬元。

采用高溫?zé)岜孟到y(tǒng)所需能耗及費(fèi)用見表2。按全年200d計(jì)算，全年理論耗熱量為9.60×10kW·h，全年理論耗電量為2.13×10kW·h，全年熱泵機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用為149.33 萬元?？紤]水泵等輔助系統(tǒng)耗電量為熱泵機(jī)組的15%，則全年輔助系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用為22.4 萬元，合計(jì)全年高溫?zé)岜孟到y(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用約為172萬元。

表2 高溫?zé)岜孟到y(tǒng)全年經(jīng)濟(jì)分析

式中：為原系統(tǒng)使用燃油鍋爐年運(yùn)行費(fèi)用，萬元；為某種熱源的熱值，kJ（/kW·h）；為鍋爐熱效率；為燃料單價(jià)，元/kg。

由式（13）得原系統(tǒng)使用燃油鍋爐年運(yùn)行費(fèi)用約為950 萬元，故高溫?zé)岜孟到y(tǒng)與燃油鍋爐系統(tǒng)相比，理論上可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)為778萬元。該項(xiàng)目節(jié)能改造投資約為700萬元，則投資回收期約為1 a?？梢姡鋮s水的余熱回收利用具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，該項(xiàng)目具有非常好的投資收益比。

3.3 環(huán)境效益分析

環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展二者之間呈現(xiàn)倒U 型的曲線關(guān)系，一直是環(huán)境資源和經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的熱點(diǎn)。通過環(huán)境效益分析，采用高溫?zé)岜孟到y(tǒng)回收中央空調(diào)余熱可明顯減輕工業(yè)發(fā)展對(duì)環(huán)境造成的壓力。該工廠凈化車間冷卻水可回收的余熱約為9.45 MJ/h，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒值29 360 kJ/kg，相當(dāng)于約321.8 kg標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量，每年可節(jié)煤1 545 t。每燃燒1 t 煤將排放CO440 kg、SO20 kg、煙塵15 kg、灰渣260 kg，故每年可減少的廢氣廢渣排放量見表3。

表3 每年可減少的廢氣廢渣排放量

由此可見，回收冷卻水的低品位熱能在提高能源利用率的同時(shí)，減少了廢氣廢渣的排放量，為環(huán)境帶來效益，有助于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

4 結(jié)論

1）對(duì)該項(xiàng)目不同熱源方式提供同等熱量進(jìn)行分析可知，熱泵的加熱方式最為經(jīng)濟(jì)。采用高溫?zé)岜没厥绽鋮s水余熱，不僅降低了原燃油鍋爐加熱系統(tǒng)有害氣體的排放，也充分利用了余熱，進(jìn)而提高了能源利用率。采用高溫?zé)岜孟到y(tǒng)回收利用中央空調(diào)余熱可節(jié)省冷卻塔補(bǔ)水量12 960 m/a，節(jié)省補(bǔ)水量費(fèi)用5.2 萬元和運(yùn)行費(fèi)用約778 萬元，投資回收期約為1 a。該方案減少了能源的損耗，可回收熱量2 625 kW，帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2）熱泵供熱系數(shù)和冷卻水換熱后溫度是影響熱泵供給電能?的主要因素，?效率為49%。在熱泵供熱系數(shù)提高的同時(shí)，也會(huì)降低熱泵供給電能?；因此，熱泵供熱系數(shù)并非越高越好，而是存在某個(gè)最適值。

3）采用熱泵代替燃油鍋爐可取得良好的節(jié)能、環(huán)境效益，每年可減少排放CO679.8 t、SO30.9 t、煙塵23.175 kg、灰渣401.7 kg，每年可節(jié)省冷卻塔補(bǔ)水費(fèi)用約5.2 萬元，同時(shí)減輕了工業(yè)余熱對(duì)環(huán)境的污染。