劉永強(qiáng) ,尚堅(jiān)利

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255049； 2.山西省臨汾市自來(lái)水公司，山西 臨汾 041000)

自來(lái)水廠采暖系統(tǒng)節(jié)能改造實(shí)踐及分析

劉永強(qiáng)1,尚堅(jiān)利2

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255049； 2.山西省臨汾市自來(lái)水公司，山西 臨汾 041000)

分析了山西某凈水廠原有采暖系統(tǒng)能耗高的原因，根據(jù)實(shí)際情況，提出了在不改動(dòng)室外管網(wǎng)和室內(nèi)采暖系統(tǒng)的情況下，將燃煤鍋爐系統(tǒng)改造為水源熱泵系統(tǒng)的方案.該方案中設(shè)置了換熱器，避免了對(duì)水源污染的可能性；充分利用了該廠原有水泵資用壓力，省去了常規(guī)的水源側(cè)循環(huán)水泵，節(jié)省了投資，降低了運(yùn)行能耗.最后對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，改造取得了很好的節(jié)能效果.

燃煤鍋爐；節(jié)能改造；采暖系統(tǒng)；水源熱泵

1 項(xiàng)目概況

山西某自來(lái)水廠，建于20世紀(jì)80年代，水源為地下水，日供自來(lái)水60 000m3/d，水處理量平均2 500 m3/h.廠區(qū)內(nèi)設(shè)有各類(lèi)建筑共計(jì)13 000m2，其中采暖建筑面積9970m2.該廠區(qū)附近沒(méi)有集中供熱管網(wǎng)，熱源采用1臺(tái)燃煤熱水鍋爐(額定熱功率1.4MW)，室內(nèi)采用四柱813型鑄鐵散熱器.該水廠在室外氣溫低于0℃時(shí)即開(kāi)始間歇供暖，每年供暖時(shí)期5個(gè)月(城市集中供熱為4個(gè)月).2010年—2012年平均消耗煤炭約700噸/年，供暖燃煤費(fèi)用約50萬(wàn)元/年，折合單位面積采暖費(fèi)用約為55.2元/m2，采暖運(yùn)行費(fèi)用較高，能源浪費(fèi)嚴(yán)重.同時(shí)，當(dāng)?shù)丨h(huán)保政策也開(kāi)始限制燃煤鍋爐的使用，因此進(jìn)行供暖系統(tǒng)節(jié)能改造.

2 采暖系統(tǒng)能耗偏高原因分析

2.1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)未考慮節(jié)能措施，能耗較大

該廠區(qū)內(nèi)建筑大多均為20世紀(jì)80年代建造，圍護(hù)結(jié)構(gòu)均未考慮節(jié)能措施，因此建筑物采暖能耗較大.

2.2 熱源設(shè)備選型偏大

根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況計(jì)算熱負(fù)荷，結(jié)果見(jiàn)表1.由表可見(jiàn)，該采暖系統(tǒng)熱源選用1臺(tái)0.7 MW熱水鍋爐即可，實(shí)際使用1臺(tái)1.4MW熱水鍋爐，選型過(guò)大，導(dǎo)致鍋爐熱效率比較低，造成能源浪費(fèi)，是采暖運(yùn)行費(fèi)用高的主要原因之一.

表1 采暖負(fù)荷計(jì)算表

建筑名稱(chēng)采暖面積/熱負(fù)荷/kW熱指標(biāo)/W·m-2層數(shù)辦公樓2700181．37663深度水處理車(chē)間2300126．96551投藥樓130087．06661其余車(chē)間3670215．67601合計(jì)9970611．0661．3

2.3 熱源設(shè)備效率下降

該采暖鍋爐已使用10年左右，平時(shí)維護(hù)保養(yǎng)不到位，鍋爐熱效率下降嚴(yán)重，導(dǎo)致燃料消耗大，也是采暖運(yùn)行費(fèi)用高的主要原因之一.

2.4 運(yùn)行管理落后

該系統(tǒng)采暖季采用間歇供暖方式，系統(tǒng)運(yùn)行及燃料添加主要依靠人工方式進(jìn)行，主觀隨意性較大，造成能源浪費(fèi).

3 節(jié)能改造方案確定

經(jīng)前述分析，該采暖系統(tǒng)存在問(wèn)題主要集中在熱源，因此盡可能僅對(duì)熱源進(jìn)行節(jié)能改造，室外管網(wǎng)及室內(nèi)采暖系統(tǒng)需進(jìn)一步分析以確定是否需要改造.

表2 天然氣費(fèi)計(jì)算表

參數(shù)數(shù)值備注供暖天數(shù)/天150設(shè)計(jì)熱負(fù)荷/kW611．06室內(nèi)計(jì)算溫度/℃18供暖期室外平均溫度/℃1．1供暖室外計(jì)算溫度/℃-6．6來(lái)自《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A全年耗熱量/GJ6148．75依據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》3．2．1條計(jì)算天然氣熱值/MJ·m-338．6天然氣耗用量/m3176993．49 鍋爐熱效率按0．9計(jì)天然氣費(fèi)/元566379．18

該廠區(qū)周?chē)鷽](méi)有集中供熱管網(wǎng)，有天然氣管網(wǎng)，同時(shí)該廠水資源豐富，因此熱源類(lèi)型主要考慮燃?xì)忮仩t或水源熱泵.經(jīng)調(diào)查，當(dāng)?shù)靥烊粴鈨r(jià)格3.2元/m3，天然氣熱值取38.6 MJ/m3[1]，據(jù)此計(jì)算采用燃?xì)忮仩t的運(yùn)行費(fèi)用，結(jié)果見(jiàn)表2，采用燃?xì)忮仩t的運(yùn)行費(fèi)用甚至高于原燃煤鍋爐運(yùn)行費(fèi)用.在其它同類(lèi)工程中的分析也表明燃?xì)忮仩t的經(jīng)濟(jì)性較差[2-3]，因此本項(xiàng)目重點(diǎn)考慮采用水源熱泵的可行性.

4 采用水源熱泵方案的有利條件及問(wèn)題分析

4.1 采用水源熱泵的有利條件

(1)該凈水廠水源采用地下井水，井水水溫(17±1)℃，適宜于水源熱泵機(jī)組冬季運(yùn)行.

(2)該凈水廠日處理水量8萬(wàn)m3，24小時(shí)生產(chǎn)，高峰時(shí)處理水量2500 m3/h，能充分保證水源熱泵機(jī)組運(yùn)行所需的水量.

(3)相比一般的水源熱泵機(jī)組項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，利用水廠水源還可節(jié)省打井及取水的相關(guān)費(fèi)用.

4.2 采用水源熱泵存在的問(wèn)題及解決方案

4.2.1 水源熱泵與鍋爐供暖參數(shù)不一致的問(wèn)題及分析

從實(shí)際情況來(lái)看，原鍋爐實(shí)際出水溫度最高達(dá)80℃，供回水溫差25℃.水源熱泵出水溫度目前最高65℃，供回水溫差一般介于5℃～15℃之間(通過(guò)調(diào)查各熱泵機(jī)組廠家獲得).這通常導(dǎo)致兩個(gè)問(wèn)題，一是供回水溫度的降低導(dǎo)致散熱器的散熱能力下降，在散熱量不變的情況下，需增加散熱器面積；二是熱泵機(jī)組供回水溫差比原有系統(tǒng)小，在供熱量不變的情況下，系統(tǒng)流量加大，原有管網(wǎng)的規(guī)格有可能無(wú)法滿(mǎn)足要求.就本項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，考慮到原鍋爐選型偏大的現(xiàn)象，對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題尚需具體分析.

(1)供回水溫差對(duì)管網(wǎng)規(guī)格的影響及分析

供回水溫差一方面影響系統(tǒng)流量，進(jìn)而影響比摩阻，溫差越大，系統(tǒng)流動(dòng)阻力越小，則越有可能利用舊有管網(wǎng)；另一方面供回水溫差也會(huì)影響進(jìn)出散熱器的平均水溫，供水溫度一定的情況下，溫差越大，進(jìn)出散熱器平均水溫越低，散熱器的散熱能力也越低，需要的散熱器面積相對(duì)就越大，原有的散熱器數(shù)量不滿(mǎn)足要求的可能性就越大.

經(jīng)調(diào)查，該廠區(qū)采暖室外管網(wǎng)干管為DN125焊接鋼管，將供回水溫差分別取值5℃、8℃和10℃計(jì)算其比摩阻，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，溫差為8℃和10℃時(shí)流量處于或接近經(jīng)濟(jì)比摩阻范圍(30～100Pa/m)[4].

表3 不同溫差情況下比摩阻計(jì)算

負(fù)荷/kW供水溫度/℃回水溫度/℃供回水溫差/℃流量/m3·h-1管徑/mm比摩阻/Pa·m-1611．0665605105．157865．7551052．5150195．476．6449．18

(2)供水溫度降低對(duì)散熱器數(shù)量的影響及分析

本項(xiàng)目中除辦公樓為三層外絕大多數(shù)系統(tǒng)均為單層建筑，為便于分析，暫將熱源供回水溫度等同于散熱器進(jìn)出水溫度.

依據(jù)式(1)～(3)[5]，供水溫度tsg的降低將導(dǎo)致散熱器內(nèi)熱媒平均溫度tpj降低，在利用水源熱泵做為熱源的情況下，室內(nèi)散熱器的單片散熱器q將降低，如果要保持室內(nèi)供熱量Q維持原狀，將需要增加散熱器的片數(shù).僅由此分析來(lái)說(shuō)，這意味著需要對(duì)室內(nèi)采暖系統(tǒng)進(jìn)行改造.

(1)

(2)

(3)

式中:n為散熱器片數(shù)(片)；Q為散熱器散熱量(W)；q為散熱器單片散熱量(W/片)；tpj為散熱器內(nèi)熱媒的平均溫度(℃)；tn為室內(nèi)采暖計(jì)算溫度(℃)；tsg為散熱器進(jìn)水溫度(℃)；tsh為散熱器回水溫度(℃)；

本項(xiàng)目中，各樓棟設(shè)置散熱器數(shù)量見(jiàn)表4，計(jì)算可發(fā)現(xiàn)在原有供水溫度條件下，采暖系統(tǒng)供熱量超過(guò)熱負(fù)荷指標(biāo)，即散熱器數(shù)量超過(guò)實(shí)際需要量.采用同樣方法，進(jìn)一步計(jì)算各建筑物采暖系統(tǒng)在水源熱泵工況條件下的供熱量，結(jié)果見(jiàn)表5.由表5可知，采用供回水溫度65/57℃時(shí)，可保證室內(nèi)溫度16℃，該數(shù)值已能滿(mǎn)足該廠使用要求.

綜合以上，該項(xiàng)目采用水源熱泵作為熱源，采用供回水溫度65/57℃時(shí)，既不需要改動(dòng)室外管網(wǎng)也不需要增加室內(nèi)散熱器數(shù)量，即可滿(mǎn)足供暖要求，由此可節(jié)約部分費(fèi)用.

表4 各樓棟散熱器數(shù)量統(tǒng)計(jì)及供熱能力表

建筑名稱(chēng)單位面積散熱器片數(shù)n/片·m-2供回水95/70℃，室濕18℃時(shí)散熱器散熱量q/w·片-1供回水95/70℃，室溫18℃時(shí)供熱量/W·m-2熱負(fù)荷指標(biāo)/W·m-2辦公樓0．69151．7104．766水處理車(chē)間0．59151．789．555投藥樓0．71151．7107．766其余車(chē)間0．63151．795．660

表5 熱泵工況下，室內(nèi)采暖系統(tǒng)供熱能力表

建筑名稱(chēng)熱指標(biāo)/W·m-2供回水65/55℃，室溫18℃供熱能力/W·m-2供回水65/55℃，室溫16℃供熱能力/W·m-2供回水65/57℃，室溫18℃供熱能力/W·m-2供回水65/57℃，室溫16℃供熱能力/W·m-2辦公樓66．0059．7563．4861．6265．39水處理車(chē)間55．0051．0954．2852．6955．91投藥樓66．0061．4965．3263．4067．29其余車(chē)間60．0054．5657．9656．2659．71

4.2.2 熱泵系統(tǒng)對(duì)水源水質(zhì)可能造成污染的分析及解決

(1)熱泵機(jī)組對(duì)水源污染的問(wèn)題及解決辦法

采用水源熱泵機(jī)組，需將水源直接接入機(jī)組蒸發(fā)器中，機(jī)組蒸發(fā)器材質(zhì)為銅管，蒸發(fā)器內(nèi)循環(huán)介質(zhì)為制冷劑(氟利昂)，制冷劑和水通過(guò)銅管進(jìn)行換熱，制冷劑和水源不直接接觸，正常情況下不會(huì)對(duì)水源水質(zhì)造成污染.如果銅管破裂，氟利昂泄漏，就會(huì)污染水源，為了防止這種情況，可加設(shè)水-水換熱器，徹底隔絕水源系統(tǒng)和氟利昂系統(tǒng)，確保水質(zhì)不受到污染.

(2)管路系統(tǒng)對(duì)水源水質(zhì)污染的解決辦法

為了防止管路系統(tǒng)水源水質(zhì)造成污染，水源系統(tǒng)的管材選用給水用PE管，管路閥門(mén)均選用銅質(zhì)或不銹鋼材質(zhì).

5 水源熱泵系統(tǒng)改造方案及改造運(yùn)行情況

5.1 水源熱泵系統(tǒng)改造方案

結(jié)合前述分析，為了避免污染水廠水體，熱泵機(jī)組和水廠水體之間加上換熱器.該水廠既有各類(lèi)水池等靜止水體，也有各類(lèi)水流管線(xiàn)等流動(dòng)水體.采用流動(dòng)水體利用水源管網(wǎng)既有壓力，可以節(jié)省取水水泵的費(fèi)用.經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，確定在水廠地下泵房至深度水處理車(chē)間的供水管線(xiàn)上旁通引出部分水流作為熱泵機(jī)組水源，最終確定該水廠水源熱泵系統(tǒng)的工藝流程，如圖1所示，主要設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表6.為了節(jié)約能源，在控制上設(shè)置氣候補(bǔ)償系統(tǒng)，根據(jù)室外環(huán)境溫度調(diào)節(jié)熱泵機(jī)組出水溫度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守，節(jié)約了人工費(fèi)用.

5.2 水源熱泵系統(tǒng)改造費(fèi)用及運(yùn)行情況

該系統(tǒng)改造費(fèi)用包括熱泵機(jī)房設(shè)備、管線(xiàn)安裝、變配電系統(tǒng)、自控系統(tǒng)和水源取水管線(xiàn)，共計(jì)成本150萬(wàn)元人民幣.

該水源熱泵系統(tǒng)2013年10月改造完畢，當(dāng)年11月投入使用，24小時(shí)運(yùn)行，每個(gè)采暖季運(yùn)行5個(gè)月，至今運(yùn)行良好，室內(nèi)溫度一直可保持在16～18℃范圍內(nèi).

表6 主要設(shè)備參數(shù)表

序號(hào)設(shè)備名稱(chēng)型號(hào)參數(shù)1水源熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工況下制熱量702kW2板式換熱器設(shè)計(jì)工況下?lián)Q熱量550kW3供熱循環(huán)水泵流量73m3·h-1，揚(yáng)程32mH2O，功率15kW4換熱循環(huán)水泵流量120m3·h-1，揚(yáng)程8mH2O，功率55kW5補(bǔ)水定壓裝置補(bǔ)水流量1．0m3·h-1，揚(yáng)程22mH2O，調(diào)節(jié)容積0．2m3

圖1 某水廠水源熱泵供熱流程圖

6 水源熱泵系統(tǒng)改造的經(jīng)濟(jì)性分析

6.1 改造前后運(yùn)行費(fèi)用比較分析

煤炭?jī)r(jià)格波動(dòng)因素?zé)o法考慮，因此按照改造前的煤炭購(gòu)買(mǎi)價(jià)格計(jì)算，單價(jià)700元/噸，原鍋爐年消耗燃煤700余噸，另有循環(huán)泵耗電費(fèi)用及工人工資，共計(jì)需541 000元，具體計(jì)算見(jiàn)表7.

改造后三年來(lái)電費(fèi)消耗情況見(jiàn)表8，三年來(lái)熱泵系統(tǒng)共耗電1 122 380 kW·h，當(dāng)?shù)貙?shí)行階梯電價(jià)，平均后電價(jià)為 0.5元/ kW·h，三年電費(fèi)共計(jì)為561 190元，年均187 063.33元.熱泵系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行，因此其運(yùn)行費(fèi)用只有電費(fèi).

改造后每年節(jié)省費(fèi)用541 000-187 063.33=344 936.67元.

年收益率=344936.67/1500000=23.6%[3].

實(shí)際上，即使考慮近幾年煤炭?jī)r(jià)格下降，按照單價(jià)350元/噸計(jì)算，原鍋爐系統(tǒng)年消耗費(fèi)用為700*350+27000+24000=296000元，實(shí)際年收益率=(296000-187063.33)/1500000≈7.26%[5].

表7 改造前運(yùn)行費(fèi)用

名稱(chēng)數(shù)量單價(jià)費(fèi)用/元備注燃煤700/t700元/t490000實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)循環(huán)泵耗電54000/kW·h0．5元/kW·h27000功率20kW，每天運(yùn)行18小時(shí)工人工資5個(gè)月4800元/月24000合計(jì)541000

表8 改造后三年來(lái)電量消耗統(tǒng)計(jì)

月份當(dāng)月電量總消耗/KW·h2013年2014年2015年2016年小計(jì)11月54560399805634015088012月9386083520895402669201月934801071601331003337402月6646086800802002334603月347005648046200137380

6.2 與城市集中供熱費(fèi)用比較的經(jīng)濟(jì)性分析

由于該熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期比當(dāng)?shù)爻鞘屑泄崞诙嘁粋€(gè)月，為了將二者費(fèi)用進(jìn)行比較，將熱泵運(yùn)行期首月和末月電量分別只計(jì)一半，計(jì)算折算后運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表9，經(jīng)計(jì)算采暖季其單位面積供暖費(fèi)用為16.35元/·采暖季，而該地區(qū)采暖季城市集中供熱費(fèi)用為23.2元/·采暖季，該熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用僅為集中供熱費(fèi)用的70.4%.

表9 按供暖期為4個(gè)月折算后的運(yùn)行費(fèi)用

三年總電量/kW·h總電費(fèi)/元年均電費(fèi)/元平米費(fèi)用/元·(·季)-1978250489125163041．716．35

7 結(jié)論及建議

(1)部分作為采暖熱源的燃煤鍋爐，在不改動(dòng)室外循環(huán)管網(wǎng)和室內(nèi)散熱器系統(tǒng)的情況下可以用熱泵機(jī)組代替，緣由在于原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)偏大.本項(xiàng)目中，供回水溫度根據(jù)水源熱泵機(jī)組性能、室內(nèi)散熱器布置情況和室外管網(wǎng)規(guī)格情況，綜合選定65/57℃.

(2)對(duì)部分水資源相對(duì)“豐富”的項(xiàng)目，如水廠等，供暖熱源選用水源熱泵機(jī)組是比較經(jīng)濟(jì)的方案.一般情況下應(yīng)盡可能采用流動(dòng)水體作為水源，以進(jìn)一步提高節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)性.統(tǒng)計(jì)本項(xiàng)目三年的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，該水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用僅為當(dāng)?shù)爻鞘屑泄豳M(fèi)用的70.4%(在僅改造熱源的情況下).

(3)對(duì)凈水廠來(lái)說(shuō)，選用水源熱泵機(jī)組需采取防止水源污染措施.

(4)舊有采暖系統(tǒng)的節(jié)能改造，不需要一味的追求新技術(shù)，只要能根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況具體分析，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)選擇適宜的技術(shù)方案就能達(dá)到節(jié)能效果.

(5)對(duì)水資源豐富項(xiàng)目，如能將夏季供冷與冬季供熱結(jié)合起來(lái)，其節(jié)能率、經(jīng)濟(jì)性將進(jìn)一步提高.

[1]劉雪玲,朱家玲.水源熱泵在冬季供暖中的應(yīng)用[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2005,26(2):262-265.

[2]劉逸,李炳熙,付忠斌,等.嚴(yán)寒地區(qū)太陽(yáng)能-土壤源熱泵運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析[J].熱能動(dòng)力工程,2011,26(4)：471-473.

[3]吳宜珍.水源熱泵在集中供應(yīng)熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)給水排水,2006,22(24)：67-635.

[4]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008:396-635.

[5]李曉琳.地源熱泵-燃?xì)忮仩t供暖系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)[J].建筑節(jié)能,2016,44(7)：115-117.

(編輯：劉寶江)

Energy saving reconstruction measures and effects of a waterworks

LIU Yong-qiang1,SHANG Jian-li2

(1. School of Civil and Architectural Engineering, Shandong University of Technology，Zibo 255049,China; 2. Linfen Water-Supply Company, Linfen 041000,China)

The paper analyzed the reasons of high energy consumption for the original heating system of a waterworks, and according to the actual situation of the project, the scheme that coal-fired boiler system was transformed into water source heat pump system was put forward. At the same time, outdoor heating pipe network and indoor heating system was not reformed.The operation data for three years were analyzed. and the analysis shows that good energy saving effect has been achieved. The reform should be popularized.

coal-fired boiler; energy saving reconstruction; heating system; water source heat pump

2017-03-06

劉永強(qiáng)，男，Yongqiangliu110@163.com; 通信作者：尚堅(jiān)利，男，453510098@qq.com

1672-6197(2017)06-0038-04

TU831/TU

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