摘要結(jié)合工程實(shí)例，通過介紹一個回收利用生產(chǎn)工藝熱廢水、改善工作環(huán)境的污水源熱泵應(yīng)用方案，分析了利用工業(yè)冷卻水廢熱供應(yīng)生活熱水和供熱的優(yōu)勢和節(jié)能潛力，并對在工業(yè)園區(qū)進(jìn)一步推廣應(yīng)用該熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能提出建議。

　　關(guān)鍵詞企業(yè)節(jié)能污水源熱泵熱水供應(yīng)工藝廢熱

　　建筑工程師論文投稿刊物：《建筑科學(xué)》是由建設(shè)部主管，中國建筑科學(xué)研究院主辦的建筑科學(xué)類國家級科技期刊。本刊是國家級優(yōu)秀科技期刊;中國科技論文統(tǒng)計核心期刊;中文建筑核心類期刊。已被納入國際CODEN中心;國際連續(xù)出版物數(shù)據(jù)系統(tǒng)。同時，已被ICONDA國際建筑文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫;中國科技期刊文摘(CSTA)英文版數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)庫收錄。

　　0引言

　　工業(yè)生產(chǎn)用水量最大的是冷卻用水，冷卻水冷卻工藝設(shè)備帶出大量的廢熱，這些廢熱多為低品位的熱能，并不能直接被使用。而熱泵技術(shù)僅耗損不多的逆循環(huán)凈功，就可以有效地把熱能從低品位轉(zhuǎn)化為高品位。這樣一來，不僅可以更少地用水、更少地耗費(fèi)能源，還能改善和提高環(huán)境品質(zhì)，提高人們的工作和生活效率。這樣的工作，需要給排水專業(yè)和熱能工程專業(yè)、建環(huán)專業(yè)緊密合作，進(jìn)行協(xié)同化設(shè)計，努力完善工業(yè)水系統(tǒng)回收利用熱能的設(shè)計方法和技術(shù)細(xì)節(jié)。這種多專業(yè)在能源開發(fā)利用上的協(xié)同，是實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)節(jié)能和建筑節(jié)能的重要手段。

　　冷卻廢水熱泵以開發(fā)利用冷卻水所含的廢熱為目標(biāo)，利用熱力學(xué)原理，借助少量電能，驅(qū)動制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)卡諾循環(huán)，制冷劑蒸發(fā)階段吸收冷卻企業(yè)生產(chǎn)工藝所產(chǎn)生的廢熱、余熱，然后在冷凝階段釋放出來，尤其是在冬季能夠提取低位熱能滿足用戶采暖需求，可節(jié)省單獨(dú)取暖的熱能、降低電能消耗，而且會讓室內(nèi)環(huán)境更加舒適，并明顯減少或不使用局部電、燃?xì)馊∨�裝置或設(shè)備，更加安全。利用冷卻廢水熱泵實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域供熱對冬季缺乏集中供暖卻長期陰冷的長江沿線地區(qū)有著很實(shí)用的價值。本文針對重慶某化工廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，分析了職工浴室及工藝控制室和值班宿舍采用冷卻廢水熱泵系統(tǒng)供暖的優(yōu)勢及其節(jié)能潛力。

　　1冷卻廢水熱泵系統(tǒng)的工作過程

　　冷卻廢水熱泵使用蒸發(fā)器吸收污、廢水中的熱能，通過冷媒(制冷劑)的卡諾循環(huán)，把熱能從蒸發(fā)器處轉(zhuǎn)移至冷凝器處釋放出來。整個系統(tǒng)由廢熱水池、冷媒循環(huán)管道、蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、熱水箱(池)以及循環(huán)泵等組成。冷媒(制冷劑)在熱泵機(jī)組內(nèi)在壓縮機(jī)的驅(qū)動下不斷地進(jìn)行卡諾循環(huán):即冷媒(制冷劑)首先在蒸發(fā)器處吸收冷卻水從工藝生產(chǎn)裝置帶出來的廢熱蒸發(fā)，然后進(jìn)入壓縮機(jī)受到壓縮，變成高溫高壓的蒸汽，蒸汽在流經(jīng)冷凝器時受到水的冷卻，從而在冷凝器處變?yōu)楦邷馗邏旱闹评鋭┮后w。

　　在冷凝器處，冷媒(制冷劑)將熱量傳遞給前來冷卻使制冷劑冷凝的水，因此在冷凝器處的水受熱，達(dá)到一定溫度后用于衛(wèi)生洗浴或供地暖用熱水等。后期還考慮在熱水箱再設(shè)置一個熱泵系統(tǒng)，吸收熱水箱中水的熱量，生產(chǎn)高溫?zé)崴�供有關(guān)工藝段、食堂等使用。通過這樣的一個過程，只用少量電能，就把污、廢水中的低位熱能轉(zhuǎn)化為高位熱能而使其被直接利用[1]。將冷卻廢水熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于回收企業(yè)工業(yè)冷卻水所攜帶的廢熱時，從理論上分析，整體效果也應(yīng)該會比較好。

　　因?yàn)樵谥茻峁�況下，只要作為熱源的冷卻后廢熱水溫度不變，但流量增大時，相當(dāng)于增加了蒸發(fā)器處的傳熱系數(shù)，促使熱泵機(jī)組的蒸發(fā)壓力變大，制熱量增大。當(dāng)廢熱水流量穩(wěn)定不變，但水溫提高時，熱泵機(jī)組蒸發(fā)壓力也會增加，制熱量和機(jī)組COP都會相應(yīng)變大。制熱量增大之后，熱水箱里的水的溫升也會變快，更能迎合熱水制取要求。因此，將穩(wěn)定的有一定流量的冷卻廢熱水作為系統(tǒng)的熱源，非常有利于冷卻廢水熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行工作，而且由于針對工業(yè)冷卻水會進(jìn)行水質(zhì)穩(wěn)定處理，防腐、滅菌、過濾等，水質(zhì)可控，不容易出現(xiàn)普通污水源熱泵系統(tǒng)在換熱部分常見的腐蝕、結(jié)垢與堵塞問題。

　　2冷卻工藝廢熱水的潛力

　　某廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)循環(huán)水水量為1200m3/h，在生產(chǎn)期間從生產(chǎn)工藝各蒸餾段帶出余熱，進(jìn)水塔前的水溫38~42℃，經(jīng)冷卻塔冷卻后水溫≦32℃。循環(huán)水泵房設(shè)有水泵吸水池一座，吸水池長寬為8m×5m，池頂面標(biāo)高1.5m，池底標(biāo)高-1.00m。冷媒循環(huán)管路上的蒸發(fā)器置放在吸水池中，通過熱泵系統(tǒng)回收熱量，傳熱溫差控制在5℃以內(nèi)。

　　此處根據(jù)式(1)，按照5℃溫差計算得到回收的熱量Q為7000kJ/s，相當(dāng)于860kg標(biāo)準(zhǔn)煤1h的發(fā)熱量。因?yàn)閺纳�產(chǎn)工藝設(shè)備帶出余熱的冷卻廢水溫度較高，后期擬增加二次換熱以制取高溫?zé)崴�，�?℃溫差進(jìn)行計算是保守的，冷卻廢水的回收溫差可達(dá)到10℃，回收的熱量可達(dá)到2×7000=14000kJ/s。Q=c×m×△t(1)式中，c為水定壓比熱容，取4.2kJ/(kg·K);m為污水的質(zhì)量流量，廠方提供的運(yùn)行數(shù)據(jù)為1200t/h，即333.34kg/s;Δt為冷卻廢水的回收傳熱溫差，取5℃。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，算得廠區(qū)生產(chǎn)工藝中央控制室和職工值班宿舍在冬季的供暖設(shè)計負(fù)荷為450kW。這部分回收的熱量，除了滿足三班倒上班職工的洗浴、衛(wèi)生用熱水外，還可以滿足廠區(qū)工藝中央控制室和職工值班宿舍在寒冷天氣時的取暖問題。

　　3常見熱水制備方式的比較

　　現(xiàn)通過能耗及能耗費(fèi)用列表對照冷卻廢水熱泵與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)、燃?xì)忮仩t、電熱水鍋爐、燃油鍋爐生產(chǎn)熱水系統(tǒng)之間的差異，觀察利用冷卻廢水熱泵回收企業(yè)生產(chǎn)廢熱的優(yōu)勢。冷卻廢水熱泵本質(zhì)上是一種污水源熱泵，污水源熱泵在有溫度和流量穩(wěn)定的條件下，系統(tǒng)綜合平均能效比在5左右，取5，熱效率計為500%[2-4];而采用空氣源熱泵加熱水時，COP取值一般為3.5，則取熱效率為350%;根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計[5]，天然氣鍋爐熱效率一般取90%，電熱水鍋爐熱效率一般取90%，而燃油鍋爐的熱效率較低，取70%。

　　根據(jù)生活熱水供應(yīng)和熱水地暖供應(yīng)要求，生活的熱水供水溫度設(shè)定為50℃[6]，當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄�自來水溫度�?0℃。為方便比較，先假設(shè)生產(chǎn)50℃熱水1000kg，計算將1t自來水水溫平均升高40℃，所需的熱量為:Q=1000×4.2×1000×40=1.68×105kJ。每噸熱水耗能源量M為M=QQ0×η×m(2)每噸熱水耗能費(fèi)用N為N=n×M(3)式中，Q0為某種被使用能源的燃燒值;η為系統(tǒng)的熱效率;m為自來水質(zhì)量;n為某種被使用能源的單價。

　　在相同條件下，生產(chǎn)1000kg的50℃熱水，冷卻廢水熱泵系統(tǒng)所耗費(fèi)用最小(6.54元)，燃油鍋爐系統(tǒng)耗費(fèi)最高(46.35元)，而在企業(yè)常見的直接用電加熱水的費(fèi)用僅次于燃油鍋爐系統(tǒng)。空氣源熱泵系統(tǒng)所耗費(fèi)用明顯高于冷卻廢水熱泵系統(tǒng)，而燃?xì)忮仩t耗費(fèi)則比冷卻廢水熱泵系統(tǒng)高出近一倍;用電加熱水和使用燃油鍋爐加熱水的費(fèi)用則明顯高于污水源和空氣源熱泵系統(tǒng)。空氣源熱泵的能源利用率較其他供熱方式相對高一點(diǎn)，但其制熱效率很容易受到環(huán)境空氣溫度、濕度和風(fēng)速的影響，蒸發(fā)器換熱管(片)在低溫高濕情況下容易結(jié)霜而導(dǎo)致機(jī)組制熱效率和效果急劇下降[7]。

　　相比之下，冷卻廢水熱泵熱水系統(tǒng)的熱源側(cè)憑借污水溫度和流量的穩(wěn)定，COP數(shù)值將會維持在一個較高的水平，節(jié)能效果在系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時，將會更加穩(wěn)定突出。企業(yè)生產(chǎn)需要三班倒連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，生活和洗浴熱水的供應(yīng)時間為365天。冷卻廢水熱泵熱水供應(yīng)系統(tǒng)投入運(yùn)行后，平均每天生產(chǎn)熱水25m3，在相同的運(yùn)行時間下，冷卻廢水熱泵的年運(yùn)行費(fèi)用明顯少于空氣源熱泵，相當(dāng)于燃?xì)忮仩t年運(yùn)行費(fèi)用的一半，約只有電熱水鍋爐的1/5~1/6。

　　另外，從一次性投資看，這幾種加熱水的方式費(fèi)用相當(dāng)，但由于系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用的差異，冷卻廢水熱泵較其他形式的加熱水方式更節(jié)省費(fèi)用，投資回收期更短且更有利于節(jié)能。使用污水源熱泵系統(tǒng)常見的雜物堵塞、沉淀、腐蝕問題，由于工業(yè)冷卻水僅受到熱污染，在循環(huán)冷卻廢水熱泵系統(tǒng)中基本不存在，因而在冷卻循環(huán)水余熱回收上推廣應(yīng)用污水源熱泵技術(shù)不存在技術(shù)和管理上的阻礙。

　　4結(jié)論與分析

　　(1)冷卻廢水熱泵熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)、天然氣鍋爐系統(tǒng)、電鍋爐加熱、燃油鍋爐系統(tǒng)加熱水的方式相比，首先費(fèi)用節(jié)省明顯:在相同運(yùn)行時間內(nèi)，冷卻廢水熱泵熱水系統(tǒng)的耗能費(fèi)用比燃?xì)忮仩t系統(tǒng)節(jié)省一半。其次，由于系統(tǒng)熱水產(chǎn)量較大，在非寒冷季節(jié)冷卻廢水熱泵熱水系統(tǒng)還可供應(yīng)工業(yè)園區(qū)集中浴室和食堂熱水;回收冷卻循環(huán)水的廢熱較其他方式相比，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益顯著。

　　(2)石油化工類企業(yè)冷卻廢水溫度較高，水量較大且穩(wěn)定，水質(zhì)較好易控制，決定了推廣應(yīng)用冷卻廢水熱泵技術(shù)的良好基礎(chǔ)。這種條件下的水源熱泵系統(tǒng)COP值高，在工業(yè)園區(qū)有廣闊的前景，可集中生產(chǎn)熱水供應(yīng)園區(qū)生產(chǎn)、生活所需，甚至外供，不僅能明顯改善工作和生活環(huán)境的舒適程度，也能達(dá)到節(jié)能減排、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

　　(3)節(jié)能環(huán)保是一項(xiàng)需要整體協(xié)調(diào)的綜合性工作，不能因?yàn)槟撤N技術(shù)節(jié)能效果明顯，就只關(guān)注其開發(fā)和應(yīng)用。在采用污水源熱泵回收利用水的余熱、廢熱時，根據(jù)不同的電價區(qū)間輔以燃?xì)饫錈犭娙��?lián)供系統(tǒng)并聯(lián)的三聯(lián)供模式，有可能效果最好。不同專業(yè)能源系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)、合作在一個大企業(yè)內(nèi)部或工業(yè)園區(qū)有益于整體節(jié)能，根據(jù)各地的能源供應(yīng)價格，協(xié)調(diào)冷熱電三聯(lián)供甚至更多類型的能源聯(lián)供，可得到很好的節(jié)能效益，若在整個工業(yè)園區(qū)根據(jù)各個生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際情況，擴(kuò)大裝機(jī)容量，優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)度，會更節(jié)能。

　　(4)在水系較發(fā)達(dá)或水余熱、廢熱較多的工業(yè)園區(qū)，在設(shè)計上宜采用靠近供熱(能)集中區(qū)域的分布式水源熱泵系統(tǒng)，在建設(shè)上視當(dāng)?shù)厍闆r靈活采用能源合同管理、BT、BOT、TOT、TBT和PPP等多種建設(shè)模式，能夠在整體上取得更好的節(jié)能綜合效益。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]伍培，付祥釗，林真國，等.重慶地區(qū)污水源熱泵系統(tǒng)的可行性分析與方案設(shè)想[J].給水排水，2007(5):174-181.

　　[2]吳榮華，孫德興.污水及地表水熱泵技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社，2015.

　　[3]劉馨，尹澤開，梁傳志，等.寒冷地區(qū)某綠色建筑污水源熱泵供暖季實(shí)際應(yīng)用效果研究[J].建筑科學(xué)，2018，34(8):10-17.