水源熱泵替代蒸汽制備生活熱水可行性分析

趙穎暉 張耀東 胡國啟

摘 要：本文選擇公司所屬一個工廠，通過蒸汽和水源熱泵兩種方式制備生活熱水的數據對比，從效率、安全、能耗、運行管理等方面論證分析水源熱泵替代蒸汽制備生活熱水的可行性，以期找到一種環保、安全、低耗的方式滿足工廠對生活熱水的需求。經過多方面對比分析，水源熱泵可有效制備滿足要求的生活熱水，并大大降低蒸汽消耗費用，進而降低蒸汽生產企業煤炭、天然氣的消耗，從而降低CO2、CO、SO2等污染氣體的排放。

關鍵詞：節能降耗;水源熱泵;生活熱水制備;環境保護

1 引言

據統計，該工廠2019年制備生活用水消耗蒸汽3600噸、費用73.7萬元，占全年蒸汽消耗的49.5%。隨著國家環境保護管控力度的加強以及企業節能降耗意識的增強，企業逐步尋求更為節能的方法制備生活熱水。

目前，中國大陸主要采用電熱水器、燃氣鍋爐、太陽能+電輔、熱泵四種方式制備生活熱水。隨著國家基礎設施的建設和天然氣管道的敷設，越來越多的企業和居民選擇天然氣熱水器來制備熱水，但是大部分郊區、農村由于基礎設施的欠缺，仍在使用電熱水器或太陽能+熱輔的方式。

本文從從效率、安全、能耗、運行管理等方面論證分析水源熱泵替代蒸汽制備生活熱水的可行性，以期找到一種環保、安全、低耗的方式滿足工廠對生活熱水的需求，居民區生活熱水也可以作為參考。

2 四種方式制備生活熱水費用分析

制備要求：制備熱水100噸/天，溫升40℃（15-55℃），熱水總熱值16*108Kcal，1噸熱水熱量4*105Kcal。電單價0.8元/kwh，天然氣單價3.6元/m3。

具體數據見表 1。

從表 1中可以看出熱泵相較于其他三種方式，除具有使用壽命長、恒溫供水外還具有以下優點：

（1）利用空氣或水作為熱源，真正做到無污染、零排放。

（2）四種方式中噸水費用最低，僅為110.5元/噸，節能降耗效果顯而易見。

（3）另外，熱泵相對于燃氣鍋爐，不需要辦理特種設備檢驗、登記人員特種設備操作證，不許專人看管，更加安全。

3 工廠制備生活熱水現狀

3.1 現狀

目前，工廠采用蒸汽加熱自來水的方式制備生活熱水，供三個車間四個班次員工洗澡使用，取11月份數據，可作為全年平均數據。具體為：0：00-1：00用水量11噸、8：00-9：00用水量11.8噸、16：00-17：00用水量7.9噸、18：00-19：00用水量7噸，合計每天用水量37.7噸（自來水），按38噸計算。

3.2 設施

管道泵15KW，水箱有效儲水量3m3，水溫設置43℃，溫升28℃（15-43℃）。

3.3 能源消耗

（1）每天消耗自來水38噸，水單價5.25元/噸，計199.5元。

（2）每天消耗蒸汽10噸，汽單價224.45元/噸，計2244.5元。

（3）水泵按70%額度功率計算，每天運行4小時，電單價0.72元/度，計15*70%*4*0.72=30.24元。

綜上，每天費用共計2474元。

全年按330天運行計算，一年運行費用81.64萬元。

4 熱泵性能介紹

目前市場上有空氣源和水源兩種類型熱泵，特點各異。

（1）高溫空氣源機組，是一種通過輸入一小部分電子做功，即可從周圍空氣中獲取熱量來加熱熱水的設備。其中 熱水吸收的熱量除了設備本身消耗的電熱外，主要從周圍空氣中大量吸收的免費熱量，因此與直接使用電、燃氣或 燃油加熱的熱水設備相比較，熱泵型熱水機組具有節能、省錢、安全、環保等顯著特點。

（2）高溫水源熱泵系列機組，采用高溫熱泵壓縮機，最高出水溫度高達85℃，是一種從低溫水源中獲取熱量，制取高溫熱水的節能加熱設備，能耗只有電加熱設備的1/5～1/2。具有能耗低，無污染，自動化程度高的特點，是電加熱和傳統鍋爐理想的升級換代產品。

5 熱泵選型及配套設施

5.1 熱源選擇

考慮到空氣源熱泵在-10℃環境溫度下效果較差，同時工廠由冷卻塔24小時運行，本方案采用水源熱泵、以冷卻塔循環水制備生活熱水。可以達到以下效果：

（1）充分利用冷卻塔冷卻水熱量，不影響冷水機組運行，更有助于冷水機組降低負荷，安全有效運行。

（2）減少蒸汽使用，降低生活熱水制備費用，更加安全、環保。

5.2 機組選型

5.2.1 計算依據

根據實際需求的熱水出水溫度，結合當地最惡劣環境溫度（歷史最低氣溫-13℃），確定加熱溫差，根據Q=cmΔt計算熱量。

其中：Q-熱量（KW），c-系數取1.163，m-介質重量（噸），Δt-溫升（℃）

5.2.2 根據熱量結合機組變工況參數確定主機

按冬季室內環境溫度2℃，自來水溫度約10℃，那么將1噸自來水從10℃升高到45℃所需要的熱量為：

Q=1.163*1*（45-10）=40.705KW

根據該工廠需求情況，配備有效容量為20T的水箱。則加熱20T水所需的熱量為：

Q1=20*40.705=814.1KW

根據機組選型手冊，按環溫2℃、出水溫度45℃時循環式熱水機組250S-XI制熱能力為67.28KW。那么，選用2臺循環式熱水機組250S-XI，產生20噸熱水所需時間為：

T=Q1/Q250S/2=814.1/67.28/2=6小時

可以滿足該工廠使用。

5.2.3 改造費用

（1）2臺循環式熱水機組250S-XI，單價7.8萬元，合計15.6萬元。耗電量19.3KW

（2）使用原水泵，不增加水泵費用。

（3）1臺有效容量為20T的水箱，單價2萬元。

（4）安裝、保溫、材料費用按2萬元計。

（5）設備基礎2萬元。

合計改造費用：21.6萬元。

5.2.4 運行費用

（1）每天消耗自來水38噸，水單價5.25元/噸，計199.5元。

（2）水泵按70%額度功率計算，每天運行4小時，電單價0.72元/度，計15*70%*4*0.72=30.24元。

（3）熱泵運行成本按每噸熱水（45℃）6元計算，每天按40噸熱水制備，計240元。

（4）設備折舊：每天折舊15.6萬元*0.95折舊系數/15年/365天=26.21元。

綜上，每天運行成本495.95元。

全年按330天運行計算，一年運行費用16.37萬元。

6 節能分析

根據以上數據分析，除熱泵機組按15年折舊，其他投入按照一次性費用計算，改造當年可節約費用：81.64-21.6-16.37=43.67萬元。不僅當年收回投資，還極大節約了費用。

7 結語

綜合本文所述，該方案實施，將極大降低能源消耗。但是需要指出的是：一是水箱占地面積大，需綜合考慮場地使用情況，二是該工廠人均消耗熱水量已超定額標準，工廠需加強日常管理，杜絕能源浪費現象。

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