燃氣鍋爐排煙余熱調節地源熱泵系統冷熱平衡的應用研究

林玉森

摘要：通過利用燃氣鍋爐使用時的排煙廢熱為地源熱泵系統的室外換熱系統提供補充熱源，兩個系統形成良好的互補，既解決了我國北方地區應用地源熱泵長期運行的地下冷熱量平衡的難題，又降低了燃氣鍋爐的排煙溫度，減少了污染物排放。文章介紹了利用燃氣鍋爐排煙余熱解決地源熱泵系統地下冷熱量平衡的方法及控制方式，并對實際應用效果進行了分析。

關鍵詞：地源熱泵；燃氣鍋爐；排煙余熱；冷熱平衡

中圖分類號：Q938 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）32-0085-02

地源熱泵技術是目前成熟的供暖制冷技術，已經在很多實際應用中得到了驗證，可以冬天供熱、夏天制冷，一機兩用，并具有高效節能、對環境污染小、運行穩定可靠、維護費用低、運行費用低等諸多優點，是理想的建筑冷熱源，特別是在我國北方地區，冬季寒冷漫長建筑能耗高，使用地源熱泵作為建筑的冷熱源會明顯降低能耗、減少污染物排放。但是因為北方冬季的熱負荷遠大于夏季的冷負荷，單一應用地埋管系統而沒有調節地下冷熱平衡的措施，冬季取熱、夏季排熱，由于其負荷差很大、冷熱不平衡，長期運行將會造成地溫持續下降，在地埋管區域形成“冷島”，最終將導致地源熱泵系統效率降低甚至不能運行。使用太陽能集熱板、余廢熱等為冬冷夏涼地區地源熱泵系統提供補充熱能是調節室外換熱系統冷熱平衡的有效辦法。

本工程位于吉林省長春市，地源熱泵系統總建筑面積26000m2，共有兩棟建筑，一棟為工廠綜合辦公樓，一棟為工廠生產輔助用房。經業主與設計院反復論證和實際項目考察，建筑的冷熱源采用土壤源熱泵系統，利用為工廠生產提供蒸汽的燃氣鍋爐的排煙廢熱作為地源熱泵室外換熱系統的補充熱源。

1 主要設計參數及熱參數換算

1.1 夏季室外設計計算參數

表1

干球溫度 日平均溫度 濕球溫度 極端溫度 大氣壓力

30.4℃ 26.1℃ 24℃ 36.7℃ 96780Pa

1.2 冬季室外設計計算參數

表2

采暖溫度 室外相對濕度 干球溫度 極端溫度 大氣壓力

-20.9℃ 77% -24.3℃ -33.7℃ 99650Pa

1.3 夏季室內設計計算參數

詳見表3。

1.4 冬季室內設計計算參數

詳見表4。

1.5 冷熱負荷

詳見表5。

1.6 燃氣鍋爐系統參數

表6

額定蒸發量 額定蒸發量 節能器進出口煙溫 循環水泵

16t/h 22t/h 110℃/50℃ 揚程32m、流量35t/h

1臺 2臺 3臺

1.7 地源熱泵系統冬季取熱量的計算

實際運行平均熱負荷按計算熱負荷40%，采暖天數170天，熱泵機組COP值3.8。

冬季取熱量=（1860×40%）×（1-1/3.8）×

170×24×3600=8052116210kJ

1.8 地源熱泵系統夏季放熱量的計算

實際運行平均冷負荷按計算冷負荷70%，制冷天數70天，每天制冷時間10h，熱泵機組COP值5.5。

夏季放熱量=（1650×70%）×（1+1/5.5）×

70×10×3600=3439800000kJ

1.9 地源熱泵系統冷熱不平衡量的計算

冷熱不平衡量=8052116210-3439800000=4612316210kJ

1.10 燃氣鍋爐系統余熱量計算

鍋爐系統年均補水按23000t，平均進水溫度15℃，平均出水溫度45℃，鍋爐年均消耗天然氣3700000Nm3，天然氣低位發熱值32650kJ/Nm3，鍋爐平均效率按92%，節能器熱回收率80%。

鍋爐系統出加熱補水外可提供給熱泵系統的余熱量=32650×（1-92%）3700000×80%-23000×1000×（45-15）×4.186=4843180000kJ。

1.11 板式換熱器換熱面積計算

按逆流換熱進行計算，計算公式：F=Wq/（K·△T）。

換熱量：Wq按鍋爐鍋爐節能器可提供的余熱量取值，即熱水箱水位處于高位，電動給水閥關閉且軟水箱溫度達到設定值，全部水流都流經地源熱泵系統補熱板式換熱器，鍋爐最大天然氣流量1500Nm3/h。Wq=1500×32650×（1-92%）×80%×1000/3600=870666W。

進出口溫度：熱媒進出口溫度50/20℃，冷媒進出口溫度9/19℃進行計算，傳熱系數K值取4000W/m2℃；平均溫差△T：△T=〔（50-19）+（20-9）〕/2=21℃。

換熱器的有效換熱面積：F=Wq/（K·△T）=870666/4000·21=10.4m2。

1.12 過渡季節循環水泵選型計算

流量Q=W/（T2-T1）

其中：W為總熱量（單位：kcal）、T2為換熱器出口溫度（單位：℃）、T1換熱器進口溫度（單位：℃）

W=870666×3600/1000/4.186=748781kcal

Q=W/（T2-T1）=748781/（19-9）/1000=75m3/h

揚程：板式換熱器壓降取0.05MPa，管道不超100m且管件等較少阻力取0.1MPa，壓頭余量按0.1MPa，則水泵揚程=0.05+0.1+0.1=0.25MPa。

1.13 余熱補充系統的流程

詳見圖1所示。

2 系統的控制和監測

2.1 控制

2.1.1 鍋爐余熱端的控制。軟化水經鍋爐節能器加熱后分別可以送至鍋爐熱水箱和地源熱泵補充熱能的板式換熱器，利用管路上的電動閥調節送至板式換熱器的流量，優先保證鍋爐用水加熱的需要，合理調節進入節能器的水溫，保持節能器運行在高效率狀態。

當閥1開度增大時，熱水直接進入軟化水箱的流量增大，進入地源熱泵換熱器的流量減小，軟化水箱內水溫升高，節能器出口水溫升高，鍋爐除氧器加熱用蒸汽量減少；反之則節能器出口水溫降低，鍋爐除氧器加熱用蒸汽量增加。

圖1

電動調節閥檢測節能器的水出口溫度和煙氣出口溫度進行恒定調節，保持水出口溫度不低于50℃，排煙溫度不高于50℃。

2.1.2 地源熱泵端的控制。冬季采暖和夏季制冷地源熱泵系統開動時，地埋側循環水直接進入板式換熱器汲取熱量；過渡季節或地源熱泵系統停機時系統自動將循環動力切換到使用小循環泵，同時開閉對應電動閥門；小循環泵根據裝在換熱器熱媒進口的溫度傳感器采集的溫度數據判斷啟動和停止（溫度高啟動、溫度低停止），以避免不必要的電能消耗；通過小循環泵的循環將熱量帶到地下系統中。

2.2 監測

檢測地源熱泵室外換熱側水泵進口的溫度變化情況，用以監測地溫變化情況，分析冬夏季的冷熱平衡情況。

3 經驗結果總結

2009年11月投入運行至2012年共經歷了4個寒冷冬季，鍋爐的最終排煙溫度40℃～50℃，地源熱泵系統地溫11℃～15℃，完全可以做到室外系統的冷熱平衡，運行狀況十分理想。

（1）鍋爐節能器至熱泵系統的管道使用的是無縫鋼管，軟化水經節能器加熱升溫后原水中的溶解氧析出，造成管道的氧腐蝕，導致管道流通面積減小，流動阻力增大，局部出現漏水現象。應在系統中再加裝一組換熱器，使余熱回收利用的循環水封閉循環，消除氧腐蝕，鍋爐補充軟水管路在換熱器后采用不銹鋼管道。

（2）利用鍋爐排出的廢熱對地源熱泵系統進行地下冷熱平衡調節，使地溫不會因為地源熱泵系統的取熱和放熱的不平衡而降低，保障了該系統可以長期穩定、高效地運行。

（3）鍋爐排煙溫度降低到50℃以下，天然氣燃燒后產生的水蒸氣大部分冷凝下來，二氧化硫、氮氧化物排放量大大減少，減少了熱排放和污染物排放。