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    China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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    热泵空调系统在工业余热的综合应用

    • 作者:
    • 中国暖通空调网
    • 发布时间:
    • 2021-07-07

    山东齐鲁高阳建筑设计院有限公司 张海燕
    山东中润集团淄博置业有限公司  衣明

           【摘  要】本文通过山东齐银集团特种水泥厂利用其生产线400m3冷却循环水池最高25℃的低品位热源,采用余热水源热泵机组进一步提取循环水热量用于办公、宿舍、餐厅、俱乐部等一万㎡的建筑供暖;节省了大部分供暖初投资,大大降低了冬季供暖费用。同时采用冷却水池替代冷却塔,也解决了夏季制冷需要,取得了事半功倍的双重效益。

           【关键词】循环冷却水  低品位余热  水源热泵  双重节能效益

    引  言

           华银集团旗下的山东齐银集团公司特种水泥生产线是目前为止亚洲规模最大、技术水平最先进、水泥产品标号最高的特种水泥生产线。生产线建厂于2007年,位于齐鲁工业园东南部约5公里的丘陵荒山地带。由于地理偏僻且远离市区和成熟的工业区,如何解决办公、宿舍、餐厅、俱乐部等一万㎡建筑冬季供暖成为厂区配套建设的重中之重。摆在工程技术人员面前的现实是配套实施只有电力到位,市政热力远在荒山野岭5公里之外,热力公司开出了高额的管线工程费用和更高额的开户费,以及远大于1万㎡建筑供暖所需的最小用热量;自建锅炉房手续、工期、费用等也超出了建厂规划和预算。

           上世纪水源热泵中央空调用于建筑供暖在淄博既有成熟业绩,而在淄博地区普通的水源热泵热源井水一般取自地下50~100米深水井的浅层地下水,水温一般在16~18℃。齐银集团生产厂区建厂前曾经打井用于施工用水,水质已经严重污染、水量很小,不能利用,更不能满足水源热泵机组的需要。

           特种水泥厂建有400m3冷却循环水池,池内水温最高时达25℃,春节、元旦等生产淡季也在13℃以上,结合当前流行的工业余热回收,工程技术人员与空调厂家经过核算、分析认为以冷却循环水为低品位热源,用水源热泵机组解决冬季供暖效果可靠、投资最省、运行费用最经济、可行性最佳;冷却循环水的水温条件优于夏季空调冷却塔循环水,可进一步用于夏季制冷系统冷却水。经过近4个供暖季的实践也验证该技术的应用取得很高的经济性和可靠性。

    一、特种水泥生产余热水源热泵机组供暖与其它几种供暖方式的投资比较

           利用水泥生产循环冷却水的余热水源热泵系统,直接在冷却水池内安装潜水泵供给水源热泵机组,然后直接返回循环水池,同样采用风机盘管末端系统与其它几种冷热系统比较节省了大笔投资。

           以该工程供暖面积1万㎡实际投资差额估算见下(表一):

    表一  几种冷热系统的投资差额比较表

           以上比较参考了国内知名品牌、按中档配置在其它工程中的投标报价;通过比较几种系统初投资差额很大,分别高出余热水源热泵系统达340%、80%和200%。

    二、特种水泥生产余热水源热泵机组供暖系统原理及设备设计选型

           2.1 余热水源热泵机组系统原理

           利用水泥生产循环冷却水的余热水源热泵系统,冷却水池直接利用,也省去了冷却塔系统,系统设备原理相对简化了许多,参见(图1)一目了然。



    图1 余热水源热泵空调系统原理图

           冬季供暖和夏季制冷的工况转换通过图中连接蒸发器、冷凝器的A、B、C、D、E、F、G、H四个阀门通过设定程序的控制自动切换实现,末端由于冷暖采用风机盘管一套系统不必调节。

           冬季,冷却循环水池内的潜水泵抽水供给水源热泵机组,经由机组提取热量后返回循环水池,冷却循环水池的有效容积为400m³,循环冷却水池与特种水泥生产线之间的循环周期为每小时一次,远远不断的低品位热量即来自生产线。余热水源热泵机组提取的热量通过管网和风机盘管释放到房间内实现供暖。

           夏季,房间内的热量经由风机盘管和管网,输送给水源热泵机组,然后通过机组和潜水泵转移到循环水池,再经由循环水池冷却释放。

           2.2 主要设备的设计选型:

           齐银集团特种水泥生产厂的建余热水源热泵机组机房设备通过社会公开招标后确定以“交钥匙工程”形式,由中标单位设计、施工总承包。

           厂区宿舍建筑为240厚外墙、俱乐部采用了大型钢架玻璃穹顶自然采光、食堂则直接采用板房结构,均为不节能建筑;设备厂家经过估算,结合了厂区远期建设规划考虑了足够负荷富余量:

           主机设备选型“清华同方”SGHP350M(压缩机耗电功率80Kw)两台单机头机组,根据生产可靠性要求一用一备;

           循环水泵选型规格为:流量Q=50m3/h,扬程H=18米,电机功率N=9Kw,三台,两用一备;

           余热热源泵(潜水泵)选型规格为:流量Q=27m3/h,扬程H=50米,电机功率N=11Kw,三台,两用一备;

           热源侧机组进水处设80型旋流除砂器一台。

           2.3 末端系统及其节能措施

           冷暖系统末端均采用了风机盘管系统。

           每套风机盘管设带液晶显示的可温控三速调节开关,温控开关预设冬季供暖22℃、夏季制冷26℃下限控制,有效的实现自动节能。

           风机盘管用电与其供暖、供冷区域的日常用电合并一套计量,通过核算确定稍宽裕的合理用电量限制,并建立奖惩制度落到实处,通过措施做到人走灯灭、空调停,约束实现自觉的行为节能。

           水源热泵机组则通过传感器检测到的系统回水温度,控制压缩机的启停实现节能。

           2.4 室外管网的无补偿直埋的施工

           室外管网分热源侧和接末端侧两部分内容且均为低温水范畴,故均采用无补偿直埋敷设施工工艺:

           热源侧即潜水泵管网,采用DN100的PE80级塑料给水管,外包20厚橡塑板保温后直埋辐射。管网循环为通过循环冷却水池的开式循环系统,管线敷设结合跟进地形的起伏自然地坪下埋深1.0米。

           水源热泵机组接建筑冷暖埋地主管线,选用无缝钢管采用氰聚无补偿直埋敷设工艺:无缝钢管经过机械除锈后外刷高效防水防腐涂料氰凝树脂漆一道,外包40厚的聚氨酯发泡保温,外做1.5厚的环氧玻璃钢保护层;管沟回填细沙柔性垫层厚再宿土夯填。

           氰聚无补偿直埋技术可确保钢管较长的使用寿命和系统可靠、节能的运行,这一技术的优势在瑞典、德国等城市供暖管网应用中已实践检验证实,在近几年也被列入国内建筑工程技术目录中加以推广技术支持。无缝钢管的氰聚直埋管道保温大样图,详见图2:


    图2

    三、特种水泥生产余热水源热泵机组供暖运营实践的可靠效果与经济性

           3.1 系统运行效果可靠、舒适度良好

           系统运行以来,实现了冬季供暖室内20℃、夏季制冷室内26℃的运行效果;房间内冬季升温、夏季降温快,热舒适度高;在换季期间根据气候温度自由实行供暖不受热力公司垄断控制,反馈良好。

           3.2 余热水源热泵空调系统运行经济性显著

           根据资料统计,鲁中地区采用水源热泵进行建筑供暖与制冷,采用地下水水源热泵,按电价0.58元/度计,按一年8个月冷暖运行运行总费用均在26元/m2以下,仅采暖运行费用也在17元/m2之内,按工业用电0.70元/度计为21元/m2

           齐银集团特种水泥厂区余热水源热泵空调由于采取了一系列自动节能技术措施及行之有效的行为节能管理措施,运行三个采暖季以来费用在7~8元/m2之间;节能效果相当显著。

           物价局核定的工商业冬季供暖为36元/m2(如果考虑最小用热量限制费用会更高),如果采用集中供暖加冷却塔、螺杆机制冷,1万m2的建筑每个冷暖季运行费用约45万元;而齐银集团采用的低品位余热水源热泵空调系统实际费用只有8万元不到,扣除设备折旧每年可节约30万元左右,节省的费用为综合运行费用的近四倍。

    四、系统存在的问题与改造建议

           4.1 系统存在的问题分析

           4.1.1 余热水源热泵机组采用单压缩机机组,机组选型根据满负荷运行需要选定,选型同时也考虑了厂区远期规划需要,造成压缩机功率过大;特别是在用餐时间只有食堂使用冷暖,压缩机经常在25%负荷工况下(即通常说的“大马拉小车”)运行且启停频繁。压缩机运行工况远超出经济工况范围,且频繁的启停非常影响机组正常运行,将大大缩短机组的使用寿命。

           4.1.2 同样,循环泵流量估算确定,选型与实际需要比较过大;运行观测记录供回水温差一般在4~5℃之内,即使在连续一个月最低气温16℃以下的2010年冬季,供回水温差也不超过5℃。循环泵选型过大也是造成机组频繁启停的原因之一。

           4.1.3 通过更粗略的估算选型的余热水源泵(潜水泵)也严重过大,机组设计进出水温差为10℃,很多情况下即使开启一台温差也只有5℃左右。潜水泵的扬程经过计算只需要25米,而实际选型整整高出了一倍。

           4.1.4 末端风机盘管只是通过风机的启停实现节能,管路系统内的总流量并未实现变流量转换。循环水泵只能通过人工进行启停和控制开启台数。潜水泵只能通过人工控制,未与机组实现联动。

           4.2 建议通过以下改进进一步节能提高经济性

           4.2.1 通过精确地计算和精密的工况分析确定数据、规范设计。避免数据依据估算产生,杜绝经验型、粗犷型设计。

           4.2.2 结合近远期规划建设,绘出近远期负荷工况曲线对比设备运行工况参数,两者兼顾,确定主机、水泵设备选型;既满足负荷需要又要避免长期“大马拉小车”的运行状态。

           4.2.3 针对齐银集团特种水泥余热水源热泵空调系统建议通过以下措施改造进一步提高节能效果和运行的经济性:

          (1)将其中的一台余热水源热泵机组改造为双压缩机头,通过人工粗略控制分别按25%、50%、75%、100%投入运行,再结合机组自控实现的压缩机25%、50%、、75%、100%四级工况调节,使得每台压缩机尽量处在经济运行工况范围内。

           (2)循环水泵采用大小结合搭配,将其中的一台循环泵换成一台流量只有一半的小泵,小泵设变频控制;循环水泵工况根据负荷从小到大一次为Q小的变频控制、Q大的60~100%工频控制、Q大100%加Q小变频控制、Q大100%加Q大工频控制调节运行。

           末端系统本着相对集中和节省改造成本的原则,分别对宿舍、俱乐部、办公、食堂设时间控制开关,根据使用与否随时开关。

           (3)将其中的一台潜水泵换成一台流量、扬程均只有一半的小泵,其余换成扬程只有原来一半的小泵,根据运行观察记录人工控制水泵启停台数。

           (1)-(3)项系统改造,既花费相对很少的成本,又可以进一步大大降低运行费用。仅就目前投入使用的一万平方建筑供暖计算,压缩机耗电功率可平均降低10Kw、循环水泵电功率可平均降低8Kw、潜水泵耗电功率可平均降低10Kw;全部系统科平均降低耗电功率28Kw左右,综合能效比(COP)提高25%左右。改造费用在之前的节能的基础上两个采暖季(甚至一年的供暖、制冷)就可以节省出来。

    五 结论 

           1、利用生产余热甚至是低品位的生产余热,采用余热水源热泵机组空调系统解决工业厂区配套宿舍、办公冬季供暖,可大大节省初期建厂投资,更可大幅度降低冬季供暖运行费用,取得节能经济双重效益。在工业厂区尤其是化学、建材工业密集、生产低品位余热丰富的鲁中化工地区宜大力推广。

           2、余热水源热泵空调系统,甚至是普通地下水水源热泵机组,普遍有空调厂家设计施工,设备设计选型普遍保守过大,通过缜密设计、施工,可以进一步大幅提高系统系统节能效益。

    参考文献

           [1] 中国有色工程设计研究总院.GB50019—2003  采暖通风与空气调节设计规范[S].北京:中国计划出版社,2004
           [2] 徐伟,路宾,邹瑜等译.  地源热泵工程设计指南[M].北京: 中国建筑出版社,2001. 
           [3] 徐伟,邹瑜,刁乃仁等.  地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005.北京: 中华人民共和国建设部,2005
           [4] 汪训昌.关于发展地源热泵系统的若干思考. 暖通空调,2007,37(3)
           [5] 徐伟.可再生能源建筑应用技术指南.北京:建筑工业出版社,2008
           [6] 赵军,戴传山.地源热泵技术与建筑节能应用.北京:建筑工业出版社,2007
           [7] 马最良,姚洋,杨自强.水环热泵与空调系统设计.北京化学工业出版社,2006
           [8] 赵溪保。山东齐银集团余热水源热泵空调工程设计与运行报告.淄博:淄博鲁盛物资有限公司,2008~2011

           备注:本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊总第37期(第22届全国暖通空调制冷学术年会文集)。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。

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