商業綜合體供能系統余熱回收技術經濟性分析

李金彬，夏 斐，鄭瑞琪

(1.青島開源熱力設計研究院有限公司，山東 青島 266071；2.山東科技大學，山東 青島 266590)

1 概述

能源消費結構向清潔低碳加快轉變。初步核算，2019年煤炭消費量占能源消費總量比例為57.7%，比2012年降低10.8%。天然氣、水電、核電、風電等清潔能源消費量占能源消費總量比例為23.4%，比2012年提高8.9%。非化石能源消費量占能源消費總量比例達15.3%，比2012年提高5.6%，已提前完成到2020年非化石能源消費量比例達到15%的目標。

近年來，燃氣鍋爐在公共建筑供能中得到大量應用。為消除供暖期燃氣鍋爐煙氣排放溫度過高導致的白色煙羽(白煙)，行業內一般采用煙氣換熱器聯合熱泵回收余熱的方式[1-5]。煙氣換熱器分為直接接觸換熱器、間接接觸換熱器[6-8]，小型燃氣鍋爐多采用系統簡單、維護方便的直接接觸式換熱器。按照熱泵機組驅動方式的不同[9-12]，熱泵分為電驅動熱泵、燃氣機熱泵、溴化鋰吸收式熱泵。由于公共建筑內空間緊張、消防安全要求嚴格，占地小、安全性更高的電驅動熱泵得到公共建筑項目的青睞。本文結合工程實例，對某商業綜合體供能系統余熱回收的技術經濟性進行分析。

2 項目概況與改造思路

① 項目概況

某商業綜合體位于青島市，總建筑面積為14×104m2，地上最高23層，地下2層，以框架結構為主，含兩棟多層建筑(1、2號)，兩棟高層建筑(3、4號)。供熱(冷)面積為8.8×104m2，設計供暖熱負荷為4 258 kW，設計冷負荷為7 300 kW，設計生活熱水負荷為542 kW。供暖期為11月15日—次年4月5日，共141 d。供冷期為7月1日—9月30日，共91 d。生活熱水為常年需求。建筑工作時間為7:00—17:00，除建筑工作時間外，供暖期其他時間需提供值班熱負荷。

供暖熱負荷、生活熱水負荷由冷凝式燃氣鍋爐(簡稱燃氣鍋爐)提供，冷負荷由離心式冷水機組(簡稱冷水機組)提供。3號樓屋頂布置3臺額定熱功率為1.6 MW的燃氣鍋爐、冷卻塔。3臺額定制冷量為2 450 kW的冷水機組、水泵及自控系統布置在負1層。

天然氣組成見表1。天然氣高熱值為37.04 MJ/m3，低熱值為33.37 MJ/m3，價格為4.38 元/m3。燃氣鍋爐額定參數見表2。電價為0.68 元/(kW·h)。

表1 天然氣組成

表2 燃氣鍋爐額定參數

② 改造思路

供暖期，雖然燃氣鍋爐利用熱網回水降低排煙溫度，但實測排煙溫度仍達65 ℃，導致大量白色煙羽產生。供冷期，利用冷卻塔承擔冷水機組冷凝器熱負荷，不僅造成熱污染，這部分熱能也未得到充分利用。

針對上述問題，筆者提出利用螺桿式水源熱泵機組(簡稱熱泵機組)，供暖期回收排煙余熱制備生活熱水、消除白色煙羽，供冷期回收冷水機組冷卻水余熱制備生活熱水，過渡期聯合空氣換熱器制備生活熱水。

3 改造后供能系統

3.1 改造方案及設備選型

設計工況下，3臺燃氣鍋爐排煙質量流量為8 217.53 kg/h，排煙溫度為65 ℃。若煙氣換熱器將排煙溫度降至30 ℃，根據文獻[13]、[14]計算方法，可計算得到全熱余熱回收量為542 kW，凝結水質量流量為672 kg/h。

在燃氣鍋爐煙氣出口設置煙氣換熱器，回收排煙余熱。熱泵機組及配套低溫熱水循環泵均設置在負1層。單臺煙氣換熱器的額定換熱量按181 kW選取。排煙余熱回收中產生的凝結水為弱酸性，在配合加藥裝置進行中和后，可全部用于空調系統補水。

熱泵機組額定制熱量選為542 kW，額定輸入電功率110.8 kW。供暖期，由排煙余熱作為低溫熱源(煙氣換熱器與熱泵機組的中間傳熱介質為低溫熱水)制備生活熱水，由于排煙余熱品位比較高，熱泵機組制熱性能系數取6.8。供冷期，由冷水機組冷卻水作為低溫熱源，由于冷卻水品位低于排煙余熱，熱泵機組制熱性能系數取5.8。過渡期，燃氣鍋爐、冷水機組均不工作，熱泵機組與空氣換熱器(額定換熱量為542 kW)組合制備生活熱水，因此熱泵機組制熱性能系數在全年中最低，取3.6。

分析建筑冷負荷、供暖熱負荷可知，供冷期、供暖期的冷水機組冷卻水余熱量、排煙余熱量均能滿足熱泵機組制備生活熱水需求。

3.2 改造后供能系統流程

保留原有燃氣鍋爐、冷水機組、冷卻塔，改造后供能系統流程見圖1。圖中未給出凝結水箱、加藥裝置、凝結水泵等裝置。圖中閥門編號代表空調系統供回水管或設備進出水管上的2個閥門。改造后，燃氣鍋爐3及閥6所在環路作為備用，以應對熱泵機組故障工況與維護。

供暖期，閥10開啟，由燃氣鍋爐制備供暖熱水。閥4、6～8、11關閉，冷水機組、冷卻塔、冷水循環泵、冷卻水循環泵、空氣換熱器停用。閥5、9開啟，低溫熱水回收排煙余熱，消除白色煙羽，熱泵機組利用低溫熱水回收的排煙余熱制備生活熱水。凝結水經加藥處理后作為空調系統補水。

供冷期，閥6、8～10關閉，燃氣鍋爐1～3關閉。閥4、5、7、11開啟，由冷水機組制備冷水，熱泵機組利用冷水機組冷卻水余熱制備生活熱水，冷卻水富余余熱由冷卻塔散失至大氣。

過渡期，除閥5、8外，其他閥均關閉，燃氣鍋爐、冷水機組停用。熱泵機組聯合空氣換熱器制備生活熱水。

4 經濟性分析

4.1 新增設備購置費

改造后供能系統新增主要設備額定參數、數量、單價見表3。由表3可知，新增主要設備購置費為84.3×104元。配套管子管件、閥門、儀表自控設備購置費為24.0×104元。新增設備購置費為108.3×104元。

圖1 改造后供能系統流程1～3.燃氣鍋爐 4～11.閥門

表3 改造后供能系統新增主要設備額定參數、數量、單價

4.2 制備生活熱水費用

生活熱水負荷為常年負荷，設定年供應生活熱水時間為365 d，每日運行10 h，生活熱水平均負荷率為0.6。供能系統改造前生活熱水負荷由燃氣鍋爐承擔，可計算得到，燃氣鍋爐年耗氣量為13.92×104m3/a，年燃氣費為60.97×104元/a。

供能系統改造后，生活熱水由熱泵機組承擔。設定熱泵機組年運行時間為360 d，維護時間(選取在供暖末期燃氣鍋爐運行時間)為5 d。根據供暖期、供冷期、過渡期熱泵機組制熱性能系數、運行時間，可計算得到供暖期、供冷期、過渡期熱泵機組電費分別為4.42×104、3.51×104、8.11×104元，熱泵機組年電費為16.04×104元/a。供暖期燃氣鍋爐年燃氣費為0.84×104元/a。可計算得到，改造后年制備生活熱水費用為16.88×104元/a。

由于供暖期空調系統補水量有限，因此忽略回收凝結水的收益。因此，供能系統改造后年制備生活熱水費用可減少44.09×104元/a。

4.3 靜態差額投資回收期

由以上分析可知，改造后供能系統新增設備購置費為108.3×104元，年制備生活熱水費用可減少44.09×104元/a。可計算得到，項目靜態差額投資回收期為2.46 a。

5 改造效果

經實測，改造后燃氣鍋爐排煙溫度可降至32 ℃。經過1個供暖期的觀測，煙囪口白色煙羽高度小于1 m的時間達129 d，燃氣鍋爐煙氣脫白效果顯著。

6 結論

① 改造后供能系統新增設備購置費為108.3×104元，年制備生活熱水費用可減少44.09×104元/a，項目靜態差額投資回收期為2.46 a，經濟性良好。

② 改造后，燃氣鍋爐煙氣脫白效果顯著。