某工厂水源热泵替代蒸汽热源可行性研究

摘 要：某工厂拟用的可制取60°C热泵机组替代蒸汽热源进行冬季供暖，经对动力站预热废热逐一梳理，发现空压机冷却水一年四季水温基本恒定在35°C，且流量基本稳定，最小流量也能达到1500T/h，利用空压机冷却水作为低温热源，通过水源热泵机组制取60°C热水，可以满足冬季供暖。

关键字：热回收机组、水环热泵、水源热泵、余热废热

中图分类号：C35 文献标识码： A

1.项目背景概况

项目所在工厂为液晶显示面板生产工厂，有23万平米生产洁净间，洁净间内一年四季需要持续供冷（14-21°C），以抵消工艺设备生产产生的热负荷，在过渡季和冬季时，采用带有热回收的中温冷水机组，蒸发器侧制取14°C中温冷冻水用于洁净间制冷，冷凝器侧制取36°C的低温热水用于空调新风机组加热、办公区的风机盘管制热。带有热回收的中温冷水机组其实质就是一种较为新型的热泵，应该定义为大型水环热泵机组，此机组制低位吸热、高位放热，排放的冷凝热量为吸热及输入做功的能量之和，制热量为制冷量的（1+1/EER）倍，离心式热泵机组的制热量约为制冷量的1.13倍，是一种较为卓越的集热装置，在空调制冷与供暖方面得到广泛应用。其目的是用于制热，但同时又产生副产品冷，非常适用于在同一时刻，同一有限区域内，有的地方需要制热，有的地方需要制冷，即同时供冷供热热泵机组。

热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。顾名思义，热泵也就是像泵那样，可以把不能直接利用的低位热能（如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能、工业废热等）转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能（如煤、燃气、油、电能等）的目的。在上图中热泵的低温热源是温度稳定、流量恒定的冷冻水回水，洁净间的生产设备散发热量，14°C的冷冻水吸收洁净间热量后变成21°C回水，在冬季21°C回水是一种工业废热，成为热泵机组稳定的低位能热源。

在冬季本厂区内的供热都是由热泵提供的。2010年建厂调试期，由于洁净间属于空态，工艺尚未投用，无法利用热回收机组供暖，故此向建发局等市政部门申报了蒸汽热源：调试阶段蒸汽使用均值为80吨/小时，正常生产后使用蒸汽峰值36吨/小时。建发局对口建设了一个热力站，共设计安装了3台35吨/小时的燃气锅炉，我工厂在与热力公司商谈供热合同时，热力公司要求最小蒸汽用量为20吨/小时，否则不予供汽。

蒸汽自热力站锅炉开始，通过室外蒸汽管线进入动力站蒸汽间，减压后分为两路，一路进入低温换热机组制备对热回收中温冷水机组制备的热水进行补热，低温热水出水温度为36°C用于空调新风机组、办公区的风机盘管制热，运行中以热回收的热量为主导，蒸汽减压换热的低温热水作为补热。另一路进入高温换热机组制备60°C的热水，供应空调机房暖气片、生产辅助区域的新风机组、废水处理间暖气片等区域。

本项目2009年开始建设，2010年6月投产，2010年11月12日蒸汽供应，蒸汽使用均值为40吨/小时。2011年工厂满产，热回收机组回收的热量已经够用，带有热回收的中温冷水机组的出水温度达到35°C左右，供应到末端空调设备（设计温度36/26°C）已经够用，无需再对热水补热到36-40°C，而且带有热回收的中温冷水机组全热回收时，作为热泵可以提供39-40°C的热水，可以对抗较为严酷的寒冷天气。而第二路高温热水的用量仅仅为6-8吨/小时，但由于合同约定最小蒸汽用量为20吨/小时，每年需要多付热力公司上千万元人民币，以2013-2014供暖年度蒸汽用量统计表为例，2013-2014年度多支付的蒸汽费高达1088万元，见下表1。

表1：2013-2014年度蒸汽用量及付费统计表

经与热力公司多次协商未果，工厂决定寻找替代蒸汽热源方案，拟在2015年8月完成，同时向热力公司申请停止供应蒸汽。

2.替代蒸汽热源的设备选择

北京建筑设计研究院院长吴德绳曾说过：“什么是设计？就是把恰当的技术用在恰当的场合”，设计的真谛其实是恰当与合适，如同把合适的人放到合适的岗位上一样，合适的人只有在合适的岗位上才能发挥自己的能力，高科技的东西并不是处处适用，设计必须考虑恰当和合适，结合建筑的实际情况和既有条件进行设计。

在此工厂冬季有余热和废热产生的动力系统比较多：生产车间回流的工艺废水、空压机冷却水、不同种类的工艺排气等，选择合适的热源，应用于合适的热泵设备，变废为宝，经济节能。

生产车间回流的工艺废水可以作为污水源热泵的热源，目前主流的污水源热泵主要是以城市污水作为提取和储存能量的冷热源，与其他热源相比，污水源热泵的技术关键和难点在于防堵塞、防污染与防腐蚀。污水源热泵有直接利用和间接利用两种方式，直接利用方式是指将污水中的热量通过热泵回收后输送到采暖空调建筑物；间接利用方式是指污水先通过热交换器进行热交换后，再把污水中的热量通过热泵进行回收输送到采暖空调建筑物。工厂中的污水中含有大量的酸性物质、有机物等，只能间接利用，考虑到污水源的温度比较低大约为20°C，在冬季制热工况时优势不大，暂不考虑。

工艺排气可以作为空气源热泵的低温热源，参考相关论文，带有热回收的空气源热泵压缩机排气温度可达80°C，可以制取60°C热水。但鉴于排气点比较分散，且空气源热泵设备占地面积较大，初投资和运行管理不经济，同时考虑到工艺排气中含有化学物质会影响换热效率，故此对空气源热泵也暂不考虑。

空压机的冷却水是最为适合用于热泵的低温热源，这类热泵可以称之为清水源热泵，热源水温在30-35°C之前，流量稳定，是最好的低温热源。见表2：某工厂动力站废热低温热源表。

表2：某工厂动力站废热低温热源表

3.水源热泵机组计算和选型及方案图

想要选出合适的机组，必须基于现状和需求进行研究，分析既有设备的供热能力，同时要考虑极端天气、部分产能等恶劣工况时的用热情况。见表3某工厂冷冻机和水环热泵配置表和表4：某工厂热量需求统计表。按照2011-2013年冬季运行数据，如果取消蒸汽热源，单台热回收机组提供热量为6757KW（1930，至少需要全部开启3台2720RT机组（供热约量为20271KW>17844KW）进行全热回收，或者开启4台机组进行部分热回收，可以满足低温系统的供热需求，见表4，低温热水系统维持现状即可满足最大制热要求。仅需讨论高温热水的替代方法。

表3：某工厂冷冻机和水环热泵配置表

表4：某工厂热量需求统计表

经约克公司选型，选择YKM系列单级离心式水源热泵机组1台，热泵工况，每年11月20日至次年3月1日运行，制热季共计101天。鉴于高热热水用于生产支持区和生活区，拟不选用备机，单机运转，夏季做好保养。但为防冻保险起见，改造时做切换阀组，可将低温热水切换至高温热水系统，以防止水环热泵故障检修时系统冻坏。机组基本参数，制热量5060Kw，输入功率509Kw，采用134a环保冷媒，冷凝器制热参数60/50°C，蒸发器进水温度35/30°C。

4.方案的经济型分析

经计算，水环热泵投入使用后，每年的花费为164万元，初次投资建设费用为610万元，调试运转后在第一年即可收回投资并能节约运行费用733万元。见表5：水源热泵替代蒸汽热源经济分析。

表5：水源热泵替代蒸汽热源经济分析

5.结论

工厂生产过程中产生余热和废热，通过合理的设计，可以转化为热泵的低温热源，通过热泵提升热源品质后用于采暖或者其他用热工艺。设计就是把恰当的技术用在恰当的场合，想要选出合适的机组，必须基于现状和需求进行研究，选出适合建筑需要的热泵机组，每一个项目都会有一种最适合的设备等着我们去发现。在选择合适的设备过程中要以适用和经济放在第一位。

参考文献：

[1]吴荣华，孙德兴，马广兴.城市污水源热泵系统的节能与环保评价发 [J].中国给排水， 2005 21（12）：103-106

[2]唐毅，杨仕超，林昌元.3种空气源热泵热回收机组的比较[J].暖通空调， 2014 ，5：Vol 44：92-96

[3] 刘艳红，武平. 浅谈中央空调系统冷热源方案的选择[J]. 建筑节能， 2012 （4）：26-29.

[4]马国远. 热泵新技术 课堂讲解/马最良.热泵技术与应用 课件