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      1. China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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        熱泵空調系統在工業余熱的綜合應用

        • 作者:
        • 中國暖通空調網
        • 發布時間:
        • 2021-07-07

        山東齊魯高陽建筑設計院有限公司 張海燕
        山東中潤集團淄博置業有限公司  衣明

               【摘  要】本文通過山東齊銀集團特種水泥廠利用其生產線400m3冷卻循環水池最高25℃的低品位熱源,采用余熱水源熱泵機組進一步提取循環水熱量用于辦公、宿舍、餐廳、俱樂部等一萬㎡的建筑供暖;節省了大部分供暖初投資,大大降低了冬季供暖費用。同時采用冷卻水池替代冷卻塔,也解決了夏季制冷需要,取得了事半功倍的雙重效益。

               【關鍵詞】循環冷卻水  低品位余熱  水源熱泵  雙重節能效益

        引  言

               華銀集團旗下的山東齊銀集團公司特種水泥生產線是目前為止亞洲規模最大、技術水平最先進、水泥產品標號最高的特種水泥生產線。生產線建廠于2007年,位于齊魯工業園東南部約5公里的丘陵荒山地帶。由于地理偏僻且遠離市區和成熟的工業區,如何解決辦公、宿舍、餐廳、俱樂部等一萬㎡建筑冬季供暖成為廠區配套建設的重中之重。擺在工程技術人員面前的現實是配套實施只有電力到位,市政熱力遠在荒山野嶺5公里之外,熱力公司開出了高額的管線工程費用和更高額的開戶費,以及遠大于1萬㎡建筑供暖所需的最小用熱量;自建鍋爐房手續、工期、費用等也超出了建廠規劃和預算。

               上世紀水源熱泵中央空調用于建筑供暖在淄博既有成熟業績,而在淄博地區普通的水源熱泵熱源井水一般取自地下50~100米深水井的淺層地下水,水溫一般在16~18℃。齊銀集團生產廠區建廠前曾經打井用于施工用水,水質已經嚴重污染、水量很小,不能利用,更不能滿足水源熱泵機組的需要。

               特種水泥廠建有400m3冷卻循環水池,池內水溫最高時達25℃,春節、元旦等生產淡季也在13℃以上,結合當前流行的工業余熱回收,工程技術人員與空調廠家經過核算、分析認為以冷卻循環水為低品位熱源,用水源熱泵機組解決冬季供暖效果可靠、投資最省、運行費用最經濟、可行性最佳;冷卻循環水的水溫條件優于夏季空調冷卻塔循環水,可進一步用于夏季制冷系統冷卻水。經過近4個供暖季的實踐也驗證該技術的應用取得很高的經濟性和可靠性。

        一、特種水泥生產余熱水源熱泵機組供暖與其它幾種供暖方式的投資比較

               利用水泥生產循環冷卻水的余熱水源熱泵系統,直接在冷卻水池內安裝潛水泵供給水源熱泵機組,然后直接返回循環水池,同樣采用風機盤管末端系統與其它幾種冷熱系統比較節省了大筆投資。

               以該工程供暖面積1萬㎡實際投資差額估算見下(表一):

        表一  幾種冷熱系統的投資差額比較表

               以上比較參考了國內知名品牌、按中檔配置在其它工程中的投標報價;通過比較幾種系統初投資差額很大,分別高出余熱水源熱泵系統達340%、80%和200%。

        二、特種水泥生產余熱水源熱泵機組供暖系統原理及設備設計選型

               2.1 余熱水源熱泵機組系統原理

               利用水泥生產循環冷卻水的余熱水源熱泵系統,冷卻水池直接利用,也省去了冷卻塔系統,系統設備原理相對簡化了許多,參見(圖1)一目了然。



        圖1 余熱水源熱泵空調系統原理圖

               冬季供暖和夏季制冷的工況轉換通過圖中連接蒸發器、冷凝器的A、B、C、D、E、F、G、H四個閥門通過設定程序的控制自動切換實現,末端由于冷暖采用風機盤管一套系統不必調節。

               冬季,冷卻循環水池內的潛水泵抽水供給水源熱泵機組,經由機組提取熱量后返回循環水池,冷卻循環水池的有效容積為400m³,循環冷卻水池與特種水泥生產線之間的循環周期為每小時一次,遠遠不斷的低品位熱量即來自生產線。余熱水源熱泵機組提取的熱量通過管網和風機盤管釋放到房間內實現供暖。

               夏季,房間內的熱量經由風機盤管和管網,輸送給水源熱泵機組,然后通過機組和潛水泵轉移到循環水池,再經由循環水池冷卻釋放。

               2.2 主要設備的設計選型:

               齊銀集團特種水泥生產廠的建余熱水源熱泵機組機房設備通過社會公開招標后確定以“交鑰匙工程”形式,由中標單位設計、施工總承包。

               廠區宿舍建筑為240厚外墻、俱樂部采用了大型鋼架玻璃穹頂自然采光、食堂則直接采用板房結構,均為不節能建筑;設備廠家經過估算,結合了廠區遠期建設規劃考慮了足夠負荷富余量:

               主機設備選型“清華同方”SGHP350M(壓縮機耗電功率80Kw)兩臺單機頭機組,根據生產可靠性要求一用一備;

               循環水泵選型規格為:流量Q=50m3/h,揚程H=18米,電機功率N=9Kw,三臺,兩用一備;

               余熱熱源泵(潛水泵)選型規格為:流量Q=27m3/h,揚程H=50米,電機功率N=11Kw,三臺,兩用一備;

               熱源側機組進水處設80型旋流除砂器一臺。

               2.3 末端系統及其節能措施

               冷暖系統末端均采用了風機盤管系統。

               每套風機盤管設帶液晶顯示的可溫控三速調節開關,溫控開關預設冬季供暖22℃、夏季制冷26℃下限控制,有效的實現自動節能。

               風機盤管用電與其供暖、供冷區域的日常用電合并一套計量,通過核算確定稍寬裕的合理用電量限制,并建立獎懲制度落到實處,通過措施做到人走燈滅、空調停,約束實現自覺的行為節能。

               水源熱泵機組則通過傳感器檢測到的系統回水溫度,控制壓縮機的啟停實現節能。

               2.4 室外管網的無補償直埋的施工

               室外管網分熱源側和接末端側兩部分內容且均為低溫水范疇,故均采用無補償直埋敷設施工工藝:

               熱源側即潛水泵管網,采用DN100的PE80級塑料給水管,外包20厚橡塑板保溫后直埋輻射。管網循環為通過循環冷卻水池的開式循環系統,管線敷設結合跟進地形的起伏自然地坪下埋深1.0米。

               水源熱泵機組接建筑冷暖埋地主管線,選用無縫鋼管采用氰聚無補償直埋敷設工藝:無縫鋼管經過機械除銹后外刷高效防水防腐涂料氰凝樹脂漆一道,外包40厚的聚氨酯發泡保溫,外做1.5厚的環氧玻璃鋼保護層;管溝回填細沙柔性墊層厚再宿土夯填。

               氰聚無補償直埋技術可確保鋼管較長的使用壽命和系統可靠、節能的運行,這一技術的優勢在瑞典、德國等城市供暖管網應用中已實踐檢驗證實,在近幾年也被列入國內建筑工程技術目錄中加以推廣技術支持。無縫鋼管的氰聚直埋管道保溫大樣圖,詳見圖2:


        圖2

        三、特種水泥生產余熱水源熱泵機組供暖運營實踐的可靠效果與經濟性

               3.1 系統運行效果可靠、舒適度良好

               系統運行以來,實現了冬季供暖室內20℃、夏季制冷室內26℃的運行效果;房間內冬季升溫、夏季降溫快,熱舒適度高;在換季期間根據氣候溫度自由實行供暖不受熱力公司壟斷控制,反饋良好。

               3.2 余熱水源熱泵空調系統運行經濟性顯著

               根據資料統計,魯中地區采用水源熱泵進行建筑供暖與制冷,采用地下水水源熱泵,按電價0.58元/度計,按一年8個月冷暖運行運行總費用均在26元/m2以下,僅采暖運行費用也在17元/m2之內,按工業用電0.70元/度計為21元/m2。

               齊銀集團特種水泥廠區余熱水源熱泵空調由于采取了一系列自動節能技術措施及行之有效的行為節能管理措施,運行三個采暖季以來費用在7~8元/m2之間;節能效果相當顯著。

               物價局核定的工商業冬季供暖為36元/m2(如果考慮最小用熱量限制費用會更高),如果采用集中供暖加冷卻塔、螺桿機制冷,1萬m2的建筑每個冷暖季運行費用約45萬元;而齊銀集團采用的低品位余熱水源熱泵空調系統實際費用只有8萬元不到,扣除設備折舊每年可節約30萬元左右,節省的費用為綜合運行費用的近四倍。

        四、系統存在的問題與改造建議

               4.1 系統存在的問題分析

               4.1.1 余熱水源熱泵機組采用單壓縮機機組,機組選型根據滿負荷運行需要選定,選型同時也考慮了廠區遠期規劃需要,造成壓縮機功率過大;特別是在用餐時間只有食堂使用冷暖,壓縮機經常在25%負荷工況下(即通常說的“大馬拉小車”)運行且啟停頻繁。壓縮機運行工況遠超出經濟工況范圍,且頻繁的啟停非常影響機組正常運行,將大大縮短機組的使用壽命。

               4.1.2 同樣,循環泵流量估算確定,選型與實際需要比較過大;運行觀測記錄供回水溫差一般在4~5℃之內,即使在連續一個月最低氣溫16℃以下的2010年冬季,供回水溫差也不超過5℃。循環泵選型過大也是造成機組頻繁啟停的原因之一。

               4.1.3 通過更粗略的估算選型的余熱水源泵(潛水泵)也嚴重過大,機組設計進出水溫差為10℃,很多情況下即使開啟一臺溫差也只有5℃左右。潛水泵的揚程經過計算只需要25米,而實際選型整整高出了一倍。

               4.1.4 末端風機盤管只是通過風機的啟停實現節能,管路系統內的總流量并未實現變流量轉換。循環水泵只能通過人工進行啟停和控制開啟臺數。潛水泵只能通過人工控制,未與機組實現聯動。

               4.2 建議通過以下改進進一步節能提高經濟性

               4.2.1 通過精確地計算和精密的工況分析確定數據、規范設計。避免數據依據估算產生,杜絕經驗型、粗獷型設計。

               4.2.2 結合近遠期規劃建設,繪出近遠期負荷工況曲線對比設備運行工況參數,兩者兼顧,確定主機、水泵設備選型;既滿足負荷需要又要避免長期“大馬拉小車”的運行狀態。

               4.2.3 針對齊銀集團特種水泥余熱水源熱泵空調系統建議通過以下措施改造進一步提高節能效果和運行的經濟性:

              (1)將其中的一臺余熱水源熱泵機組改造為雙壓縮機頭,通過人工粗略控制分別按25%、50%、75%、100%投入運行,再結合機組自控實現的壓縮機25%、50%、、75%、100%四級工況調節,使得每臺壓縮機盡量處在經濟運行工況范圍內。

               (2)循環水泵采用大小結合搭配,將其中的一臺循環泵換成一臺流量只有一半的小泵,小泵設變頻控制;循環水泵工況根據負荷從小到大一次為Q小的變頻控制、Q大的60~100%工頻控制、Q大100%加Q小變頻控制、Q大100%加Q大工頻控制調節運行。

               末端系統本著相對集中和節省改造成本的原則,分別對宿舍、俱樂部、辦公、食堂設時間控制開關,根據使用與否隨時開關。

               (3)將其中的一臺潛水泵換成一臺流量、揚程均只有一半的小泵,其余換成揚程只有原來一半的小泵,根據運行觀察記錄人工控制水泵啟停臺數。

               (1)-(3)項系統改造,既花費相對很少的成本,又可以進一步大大降低運行費用。僅就目前投入使用的一萬平方建筑供暖計算,壓縮機耗電功率可平均降低10Kw、循環水泵電功率可平均降低8Kw、潛水泵耗電功率可平均降低10Kw;全部系統科平均降低耗電功率28Kw左右,綜合能效比(COP)提高25%左右。改造費用在之前的節能的基礎上兩個采暖季(甚至一年的供暖、制冷)就可以節省出來。

        五 結論 

               1、利用生產余熱甚至是低品位的生產余熱,采用余熱水源熱泵機組空調系統解決工業廠區配套宿舍、辦公冬季供暖,可大大節省初期建廠投資,更可大幅度降低冬季供暖運行費用,取得節能經濟雙重效益。在工業廠區尤其是化學、建材工業密集、生產低品位余熱豐富的魯中化工地區宜大力推廣。

               2、余熱水源熱泵空調系統,甚至是普通地下水水源熱泵機組,普遍有空調廠家設計施工,設備設計選型普遍保守過大,通過縝密設計、施工,可以進一步大幅提高系統系統節能效益。

        參考文獻

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               備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊總第37期(第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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