佛山市某化工廠污水源熱泵的節能分析

吳藝博

中鐵建設集團有限公司

0 引言

污水源熱泵技術，主要是以城市生活及工業污水作為提取和儲存能量的冷熱源，借助熱泵機組系統內部制冷劑的物態循環變化，消耗少量的電能，從而達到制冷制暖效果的一種創新技術。與其他熱源相比，污水源熱泵的技術關鍵和難點在于防堵塞、防污染與防腐蝕。但對于節能環保來說，污水源熱泵由于采暖沒有燃燒過程，避免了排煙污染，且有效利用了污水作為能量來源，節能減排效益明顯，不產生任何廢渣，廢水，廢氣和煙塵。

本文中，佛山市某化工廠污水排放量大，主要來源于化學原料加工廢水，是一種巨大的低溫余熱源，是水-水源熱泵的理想低溫熱源。本文以污水源熱泵系統在佛山市某化工廠空調系統中的應用為例[1]，著重對應用污水源熱泵與傳統水冷機組系統進行經濟性與環保性分析比較，以期為廣東佛山東莞等地眾多化工廠類似的工程項目，提供參考。

1 項目概況

該項目一共由 6 層大樓組成，建筑面積為 177355 m2，其中地上5 層需要冬季供暖，夏季制冷，面積為42574 m2，通過計算得冷負荷 4106 kW，熱負荷2844 kW。工廠性質為化工廠，每日污水排量較大，且水量穩定，為污水源熱泵的使用提供了穩定的流量基礎，但由于排水特征為間歇性排放，為了保證污水源熱泵系統的穩定可靠使用，需設置蓄水池以保證系統穩定運行。經測量，污水全年日平均溫度在12.2～31.7℃ 之間變化。最高為 8 月份，平均溫度30.8 ℃。最低為2 月份，平均溫度為14.1 ℃。污水濁度及游離氯含量偏高，需對污水進行適當處理，本項目采用反滲透技術，將高濃度含氯廢水的進行脫鹽處理后，作為污水源熱泵的冷熱源。

2 污水源熱泵系統設計

2.1 污水源熱泵換熱器設計

在本項目中，由于此化工廠排出的污水中含有大量油性污物，對于普通的換熱器，換熱管內溫度高的情況下，污水流經換熱管時會產生掛膜現象，從而導致管壁粘結黏泥，不僅增大了換熱熱阻，而且影響了污水流速，影響換熱效果。因此在本項目中，采用管殼式換熱器。

污水換熱器的主要換熱熱阻集中在污水側，由于換熱管內高溫產生的掛膜現象不能忽略，因此，查文獻可知，當換熱管管壁污泥為 0.5 mm 厚時，換熱效率將下降35%左右。為提高換熱系數，本項目在換熱管中加入攪拌棒，通過不停的震動攪拌使得污水流動處于紊流狀態，從而減少換熱管管壁的結垢，提高換熱效率。

2.2 污水源熱泵系統設計

本項目擬采用經反滲透脫鹽處理后的污水源熱泵作為6 層樓的冬夏兩季輔助冷熱源，污水源熱泵設計流量為50 m3/h，采用直接換熱方式。

機組冬季設計要求，用戶端提供 45/40 ℃的熱水，夏季設計要求，用戶端提供 7/12 ℃的冷水。在過渡季節，通過管路中閥門的開閉來控制制冷劑流路的冷熱切換，熱泵機組為生活熱水進行預熱。熱泵用單向閥開閉進行工況轉換，原理如圖1 所示。

根據本項目工程設計要求，夏季供冷運行時間為150 天，每天運行 24 小時，冬季供熱運行時間為90天，每天運行 24 小時，過渡季節生活熱水預熱時間為120 天，每天運行 10 小時。

通過相關負荷計算可知，機組夏季制冷量274.8 kW，冬季制熱量 468.5 kW，再根據上述參數參照熱泵廠家提供的主機參數選型可知，機組夏季壓縮機輸入功率為73.79 kW。冬季壓縮機輸入功率119.5 kW。

圖1 污水源熱泵系統圖

3 經濟性、節能減排性分析

3.1 初投資成本對比

由于本化工廠污水源熱泵項目地點位于佛山，本文選取佛山地區常用的空調冷熱源方案冷水機組+燃氣鍋爐系統與污水源熱泵系統進行對比。

對常規冷水機組+燃氣鍋爐系統進行計算選型，冷水機組和污水源熱泵夏季工況設定為一樣，制冷量274.8 kW，壓縮機輸入功率73.79 kW。燃氣鍋爐冬季制熱量468.5 kW，鍋爐效率η取90%。

根據廠家選型目錄以及報價，常規冷水機組+燃氣鍋爐系統與污水源熱泵系統初投資如表1：

表1 兩種方案初投資對比

由表1 可以看出，污水源熱泵系統總的初投資為31.2 萬元，而采用傳統的冷水機組+燃氣鍋爐系統總的初投資為29.4 萬元，污水源熱泵初投資成本相對傳統冷水機組+燃氣鍋爐僅高出1.8 萬元，而污水可以得到更有效的利用，環保價值遠遠高于經濟價值。

3.2 運行成本比較

本項目所在地為廣東省佛山市，電力價格按佛山市當地的商業用電計算，按 1.2 元/kWh 選取。天然氣價格按正常的工業用氣來計算，當前佛山市工業用天然氣價格為3.79 元/m3。污水源熱泵機組按全年滿負荷工況運行計算。

本文計算時，冷水機組和污水源熱泵夏季工況設定為一樣，制冷量 274.8 kW，壓縮機輸入功率73.79 kW。燃氣鍋爐冬季制熱量468.5 kW，鍋爐效率η取90%。

在水費方面，由于此項目所在化工廠本身用水量較大，常規冷水機組+燃氣鍋爐方式夏季冷卻塔的補水量相對來說微乎其微，且水費相對主機運行費用而言也較小，為簡化計算，本文運行成本對比中忽略水費計算。經計算，兩種方案各自的運行費用結果具體如表2。

表2 兩種方案運行成本比較

從計算結果可知，與常規制冷機組+燃氣鍋爐系統相比，污水源熱泵系統在電費上每年可以節省 30%左右的運行費用，但是由于污水源熱泵的特殊性以及采用的反滲透脫鹽處理，無水源熱泵系統在年維護管理費用、年投資費用分別比常規制冷機組+燃氣鍋爐系統多花費10%和6.7%。但是總體成本上，污水源熱泵年運行費比25.4 萬元，15 個月時間就可以省下全部的污水源熱泵初投資。

3.3 節能性評價

3.3.1 制冷一次能源利用率

制冷一次能源利用率是單位制冷量所消耗的一次能源量，用PER R表示，單位為 kW/kW，則熱泵空調系統制冷工況的一次能源利用率為[2-3]：

式中：COPR為制冷性能系數；Df為一次能源發電效率，在本項目計算時，取 33%；Ds為電網輸送損耗效率，在本項目計算時，取 5%；fR為制冷輔助設備耗能系數，在本項目計算時，取 10%。

3.3.2 制熱一次能源利用率

制熱一次能源利用率是指單位制熱量所消耗的一次能源量，用PERHP表示，單位為kW/kW，則熱泵空調系統制熱工況的一次能源利用率[2，3]為：

式中：COPHP為供熱性能系數；Df為一次能源發電效率，在本項目計算時，跟制冷一樣取33%；Ds為電網輸送損耗效率，在本項目計算時，跟制冷一樣取 5%；fHP為制熱輔助設備耗能系數，在本項目計算時，跟制冷一樣取，取 10%。

對于鍋爐系統而言，一次能源利用率[2]公式：

式中：η為燃氣鍋爐的熱效率，在本項目中，綜合廠家給出的參數，取 90%；f為其他輔助設備的能耗，在本項目中，綜合廠家給出的參數，以總能耗的 5%計。

3.3.3 全年一次能源利用率

冷熱源系統全年制冷量為QR'，制熱量為QHP'，則系統的全年一次能源利用率為[2-3]：

3.3.4 計算結果

污水流量為50 m3/h，計算結果見表3：

表3 污水源熱泵系統與常規系統的一次能源利用率與一次能耗

由計算結果可知：

1）在本項目中，污水源熱泵系統全年一次能源利用率為 1.084，常規制冷機組+燃氣鍋爐系統僅為0.921，污水源熱泵全年一次能源利用率比常規系統高0.163。

2）通過計算可知，污水源熱泵系統全年一次能耗量為2365285 kWh，常規制冷機組+燃氣鍋爐系統一次能耗量為2783197 kWh，相比于常規制冷機組+燃氣鍋爐系統，污水源熱泵系統全年一次能源消耗節省量417912 kWh，相當于節省38673m3天然氣。污水源熱泵系統與常規系統相比節能效果顯著。

通過對該化工廠的生產運營情況調研可知，該化工廠夏季為旺季，因此用電高峰主要集中在 5-10 月份，而對于整個佛山地區來說，由于 5-10 月份氣溫較高，用電量也增大，采用污水源熱泵系統不僅可以為化工廠節省耗電量，還可以緩解佛山地區當地電網用電高峰的壓力，減少用電高峰時限電對其他工廠或企業影響。

4 結論

本文以佛山市某化工廠污水源熱泵應用為例，從經濟性與環保性角度，分析佛山東莞等地此類工程采用污水源熱泵的可行性。結果表明：

1）與常規冷水機組+燃氣鍋爐系統相比，采用污水源熱泵后，年投資費用、年維護管理費用分別增加10%和 6.7%，但是年運行費用節省 30%左右，節省了25.4 萬元，僅用 15 個月的時間，就可以收回整個污水源熱泵系統的全部初投資成本。

2）與常規冷水機組+燃氣鍋爐系統相比，采用污水源熱泵后，不僅可以減少能耗，還能有效地利用污水中蘊藏的低位熱能，污水源熱泵系統全年一次能源利用率為 1.084，常規制冷機組+燃氣鍋爐系統僅為0.921，污水源熱泵全年一次能源利用率比常規系統高0.163。

3）通過對該化工廠的生產運營情況調研，采用污水源熱泵系統不僅可以為化工廠節省耗電量，還可以緩解佛山地區當地電網用電高峰的壓力，減少用電高峰時限電對其他工廠或企業影響。

綜上所述，對于化工廠類冷熱源工程，采用污水源熱泵代替常規冷水機組+燃氣鍋爐系統，具有明顯的經濟效益及環保優勢，符合國家的節能環保政策。在佛山東莞等化工廠企業眾多的地方，值得大力推廣。